Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Khảo sát quá trình tách và một số đặc trưng của canxi hydroxyapatite từ xương động vật

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của đề tài là khảo sát quá trình tách HA từ xương bò theo các phương pháp nhiệt: ninh ở điều kiện bình thường; ninh trong điều kiện có chất phụ gia; ninh trong nồi áp suất. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, chất phụ gia trong quá trình tách HA theo các phương pháp nêu trên. Khảo sát một số đặc trưng như XRD, FTIR, DTA-TGA, SEM và độ xốp tổng của bột HA thu được. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Khảo sát quá trình tách và một số đặc trưng của canxi hydroxyapatite từ xương động vật

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN VĂN HƢỞNG KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH TÁCH VÀ MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA CANXI HYDROXYAPATITE TỪ XƢƠNG ĐỘNG VẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN VĂN HƢỞNG KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH TÁCH VÀ MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA CANXI HYDROXYAPATITE TỪ XƢƠNG ĐỘNG VẬT Chuyên ngành: HÓA VÔ CƠ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đào Quốc Hƣơng Hà Nội - 2011
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................................1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................10 1.1. Tính chất của hyđroxyapatit ..................................................................................10 1.1.1. Tính chất vật lý ...................................................................................................10 1.1.2. Tính chất hoá học ...............................................................................................11 1.1.3. Tính chất sinh học [5] .........................................................................................12 1.2. Ứng dụng của HA ..................................................................................................12 1.2.1. Ứng dụng của HA bột.........................................................................................12 1.2.2. Ứng dụng của HA dạng màng ............................................................................13 1.2.3. Ứng dụng của HA dạng xốp ...............................................................................14 1.2.4. Ứng dụng của HA dạng compozit ......................................................................15 1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu HA .........................................................................15 1.3.1. Trên thế giới .......................................................................................................15 1.3.2. Ở Việt Nam.........................................................................................................16 1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp HA .............................................................................17 1.4.1. Phƣơng pháp ƣớt ................................................................................................17 1.4.1.1. Phương pháp kết tủa........................................................................................18 1.4.1.2. Phương pháp sol – gel .....................................................................................19 1.4.1.3. Phương pháp phun sấy ....................................................................................19 1.4.1.4 Phương pháp siêu âm hoá học .........................................................................20 1.4.1.5. Phương pháp compozit ....................................................................................20 1.4.1.6. Phương pháp điện hoá ....................................................................................21 1.4.1.7. Phương pháp thuỷ nhiệt (hoá nhiệt) ................................................................23 1.4.2. Phƣơng pháp khô ...............................................................................................24 1.4.2.1. Phương pháp phản ứng pha rắn......................................................................24 1.4.2.2. Phương pháp hoá - cơ .....................................................................................25 1.4.2.3. Một số phương pháp vật lý ..............................................................................25 1.5. Một số phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu HA ......................................................27 1.5.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X – Ray Diffraction, XRD) ................................27 1.5.2. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transformation Infrared Spectrophotometer, FTIR) ............................................................................................30 1
1.5.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử ...............................................................................32 1.5.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM) ....32 1.5.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microcopy, TEM) .............................................................................................................................32 1.5.4. Phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng .........................................................33 1.5.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) .....................................................33 1.5.4.2. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) ...........................................34 1.5.5. Tách HA từ xƣơng động vật băng phƣơng pháp đông khô [19] ........................34 1.5.5.1. Cơ sở lý luận ....................................................................................................34 1.5.5.2. Công nghệ đông khô ........................................................................................35 1.6. Xác định độ xốp tổng của các mẫu HA theo trọng lƣợng riêng ............................35 1.7. Vai trò của xƣơng trong cơ thể ngƣời và động vật ................................................35 1.8. Khái quát về chất phụ gia thực phẩm ....................................................................36 1.8.1. Định nghĩa ..........................................................................................................37 1.8.2. Tầm quan trọng của việc sử dụng phụ gia trong thực phẩm ..............................37 1.8.3. Quy định về sử dụng phụ gia thực phẩm ............................................................37 1.8.4. Phụ gia natri bicacbonat [15] ..............................................................................38 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM....................................................................................39 2.1. Dụng cụ, thiết bị và hoá chất .................................................................................39 2.1.1. Dụng cụ...............................................................................................................39 2.1. 2. Thiết bị ...............................................................................................................39 2.1. 3. Hoá chất ............................................................................................................39 2. 2. Nghiên cứu quy trình tách bột HA ......................................................................39 2.2.1. Chuẩn bị phụ gia ................................................................................................39 2. 2. 2. Lấy mẫu và sơ chế mẫu ...................................................................................39 2. 3. Phƣơng pháp tiến hành .........................................................................................40 2. 3. 1. Tạo mẫu HA nguyên bản ..................................................................................40 2. 3. 2. Ninh mẫu xƣơng ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia......................40 2. 3. 3. Ninh mẫu xƣơng ở điều kiện áp suất thƣờng, có phụ gia.................................41 2. 3. 4. Ninh ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia. ...................................42 2. 4. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA .....................................43 2
2. 4. 1. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia .............................................................................................43 2. 4. 2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thƣờng, có chất phụ gia ................................................................................................43 2. 4. 3. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia .............................................................................................43 2. 5. Chuẩn bị mẫu phân tích .......................................................................................43 2.5.1. Nhiễu xạ tia X (XRD).........................................................................................44 2.5.2. Phổ hồng ngoại (FTIR) .......................................................................................44 2.5.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................................................44 2.5.4. Phân tích nhiệt ....................................................................................................44 2.5.5. Phân tích thành phần hóa học .............................................................................44 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...............................................................45 3.1. Kết quả các mẫu HA nguyên bản ..........................................................................45 3.1.1. Giản đồ XRD ......................................................................................................45 3.1.2. Phổ FTIR ............................................................................................................46 3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia .............................................................................................49 3.2.1.Giản đồ XRD .......................................................................................................49 3.2.2. Phổ FTIR ............................................................................................................51 3.2.3. Ảnh SEM .............................................................................................................53 3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thƣờng, có chất phụ gia ................................................................................................54 3.3.1. Giản đồ XRD ......................................................................................................54 3.3.2. Phổ FTIR ............................................................................................................56 3.4. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia ..................................................................................................57 3.4.1. Giản đồ XRD ......................................................................................................57 3.4.2. Phổ FTIR ............................................................................................................60 3.4.3. Ảnh SEM .............................................................................................................61 3.5. Sản phẩm HA tách ra ở thân xƣơng ......................................................................62 3.5.2. Phổ FTIR ............................................................................................................64 3
3.6. Đặc trƣng nhiệt – trọng lƣợng của các mẫu HA....................................................66 3.7. Phân tích thành phần hóa học và các kim loại nặng ..............................................67 3.7.1. Kết quả thành phần chínhcủa một số sản phẩm HA ..........................................67 3.7.2. Kết quả hàm lượng các kim loại nặng có trong một số sản phẩm HA ..............68 3.8. Xác định độ xốp tổng của các mẫu HA theo trọng lƣợng riêng ............................68 3.8.1. Độ xốp tổng của các mẫu HA tách ra ở hai đầu xương .....................................68 3.8.2. Độ xốp tổng của các mẫu HA tách ra ở thân xương ..........................................69 KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................................71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................72 4
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HA ......................................................10 Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA .......................................................11 Hình 1. 3: Công thức cấu tạo của phân tử HA .............................................................11 Hình1. 4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể ..................13 Hình1.5: HA xốp tổng hợp từ san hô đƣợc sử dụng làm mắt giả.................................14 Hình 1.6: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phƣơng pháp khác nhau .......................14 Hình 1.7: Sửa chữa khuyết tật của xƣơng bằng hạt hoặc gốm HA xốp ......................15 Hình 1.8: Giản đồ pha của hệ CaO – P2O5 – H2O ở 250C ............................................17 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp kết tủa ...................................................18 Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp sol – gel ..............................................19 Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp phun sấy ..............................................19 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp siêu âm hoá học ..................................20 Hình 1.13: Sơ đồ tổng hợp composit HA – CS ............................................................21 Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp điện di .................................................23 Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt .................................24 Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp plasma .................................................26 Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp bốc bay chân không ............................26 Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp phún xạ magnetron .............................27 Hình 1.19: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp nhiễu xạ tia X .....................................28 Hình 1.20: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA ..................................................................29 Hình 1.21: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP .....................................................30 Hình 1.22: Sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại.......................................31 Hình 1.23: Sơ đồ nguyên lí SEM .................................................................................32 Hình 1.24: Nguyên tắc chung của phƣơng pháp hiển vi điện tử ..................................33 Hình 1.25: Cấu tạo của xƣơng ......................................................................................36 Hình 3.1: Giản đồ XRD của các mẫu HA nguyên bản NB1, NB2, NB3 và NB4 .......45 Hình 3.2: Phổ FTIR của các mẫu HA nguyên bản NB1, NB2, NB3, NB4..................46 Hình 3.3: Ảnh SEM của các mẫu HA nguyên bản NB1(NB1a, NB1b, NB1c) và NB2 (NB2.a, NB2.b, NB2.c) ................................................................................................48 Hình 3.4: Giản đồ XRD của các bột HA đƣợc tách ra ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia...........................................................................................................50 5
Hình 3.5: Phổ FTIR của các mẫu HA đƣợc tách ra ở điều kiện áp suất thƣờng (T2, T5) và nung ở 7000C (T3, T6) .............................................................................................43 Hình 3.6: Ảnh SEM của mẫu HA ninh đến nhừ ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia (T5) ..................................................................................................................53 Hình 3.7: Giản đồ XRD của bột HA đƣợc tách ra ở điều kiện áp suất thƣờng, ...........54 Hình 3.8: Phổ FTIR của các mẫu HA khảo sát ở điều kiện áp suất thƣờng,................56 Hìn h 3.9: Giản đồ XRD của bột HA đƣợc tách ra ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia 58 Hình 3.10: Phổ FTIR của các mẫu HA đƣợc tách ra ở điều kiện ninh trong nồi áp suất, không có phụ gia...........................................................................................................60 Hình 3.11: Ảnh SEM của mẫu HA đƣợc tách ra ở hai đầu xƣơng, ninh đến nhừ ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia (A2.a, A2.b,A2.c và A2.d) và nung ở 7000C trong 2 giờ (A3.a và A3.b) ...........................................................................................61 Hình 3.12: Giản đồ XRD của các mẫu HA NB4, T6, P6 và A6 nung ở 7000C trong 2 giờ .................................................................................................................................63 Hình 3.13: Giản đồ FTIR của các mẫu HA NB4, T6, P6, A6 nung ở 7000C, tách ra ở thân xƣơng ở các điều kiện khảo sát khác nhau ...........................................................65 Hình 3.14: Ảnh SEM của các mẫu HA tách ra từ thân xƣơng ở điều kiện áp suất thƣờng không có phụ gia (T6.a, T6.b, T6.c) và ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia (A6.a, A6.b, A6.c) ...........................................................................................66 Hình 3. 15: Giản đồ nhiệt trọng lƣợng (TGA và DTA) của các mẫu HA: T5 và NB2 66 6
DANH MỤC BẢNG Bảng1. 1: Bƣớc sóng đặc trƣng của các nhóm chức ....................................................31 Bảng 2.1: Tên và kí hiệu các mẫu HA nguyên bản ......................................................40 Bảng 2.2: Tên mẫu, kí hiệu các mẫu HA và thời gian khảo sát ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia .............................................................................................41 Bảng 2.3: Tên mẫu, kí hiệu mẫu và thời gian khảo sát ở điều kiện áp suất thƣờng, có phụ gia ..........................................................................................................................42 Bảng 2.4: Tên mẫu, kí hiệu mẫu và thời gian khảo sát ở điều kiện trong nồi áp suất thƣờng, không có phụ gia .............................................................................................43 Bảng 3.1. Kích thƣớc hạt trung bình (Dt.b) và độ tinh thể của các mẫu HA khảo sát ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia ..............................................................59 Bảng 3.2: Khối lƣợng của các mẫu HA tách ra ở thân xƣơng, trƣớc và sau khi nung ở 7000C trong 2 giờ..........................................................................................................62 Bảng 3.3: Kích thƣớc hạt trung bình và độ tinh thể của các mẫu HA NB4, T6, P6, A6 nung ở 7000C trong 2 giờ .............................................................................................64 Bảng 3.4: Hàm lƣợng Ca, P và tỉ lệ mol Ca : P của các mẫu HA: NB1, A2, A6 ........67 Bảng 3.5: Chỉ tiêu phân tích các kim loại nặng của các mẫu HA: NB1, A2 và A6 .....68 3.8.1. Độ xốp tổng của các mẫu HA tách ra ở hai đầu xƣơng......................................68 Bảng 3. 6: Độ xốp tổng của các mẫu HA NB3, T3, P3 và A3 tách ra ở hai đầu xƣơng ......................................................................................................................................68 Bảng 3.7: Độ xốp tổng của các mẫu HA tách ra ở thân xƣơng ....................................69 7
MỞ ĐẦU Trong các hợp chất vô cơ trong cơ thể ngƣời và động vật những hợp chất chứa canxi và photpho đóng vai trò rất quan trọng. Thuộc nhóm hợp chất này phải kể đến canxi hydroxyapatite. Trong tự nhiên, apatit là tên chung của nhóm khoáng chất, chủ yếu chứa canxi florua photphat Ca5F(PO4)3 và một lƣợng nhỏ các khoáng trong đó F- đƣợc thay thế một phần hay hoàn toàn bởi Cl-, Br- hoặc OH-. Canxi hydroxyapatite (hay còn đƣợc gọi là Hydroxyapatite, viết tắt là HA) là một dạng apatit trong đó nhóm OH- với công thức Ca5(PO4)3(OH) hay Ca10(PO4)6(OH)2. Trong cơ thể ngƣời và động vật HA là thành phần chính trong xƣơng (chiếm đến 65 – 70 % khối lƣợng) và răng (chiếm 99%). HA có các đặc tính quý giá nhƣ: có hoạt tính và độ tƣơng thích sinh học cao với các tế bào và các mô, tạo liên kết trực tiếp với xƣơng non dẫn đến sự tái sinh xƣơng nhanh mà không bị cơ thể đào thải [29], [23]… Do có cùng bản chất hoá học và cấu trúc, HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con ngƣời và có tỷ lệ Ca/P đúng nhƣ tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xƣơng và răng. Các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tổng hợp HA ở các dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phƣơng pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để mở rộng khả năng ứng dụng của chúng. Ở dạng bột, các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế HA kích thƣớc nano (trong khoảng 20 – 100 nm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ của cơ thể. HA tự nhiên và nhân tạo ở dạng bột vi tinh thể cùng với một số khoáng chất khác đã đƣợc dùng trong bào chế thuốc chống loãng xƣơng và thực phẩm chức năng bổ sung canxi, xử lý các khuyết tật trong xƣơng do chấn thƣơng… HA bột cũng có thể đƣợc dùng bổ sung canxi trong nƣớc giải khát [3]. Ở dạng màng, một lớp HA siêu mịn, mỏng phủ trên xƣơng nhân tạo có thể tăng cƣờng khả năng liên kết giữa xƣơng nhân tạo với mô và xƣơng tự nhiên [7]. HA dạng xốp đƣợc ứng dụng để sửa chữa các khuyết tật của xƣơng và răng. Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy, HA xốp còn đƣợc sử dụng làm chất truyền dẫn thuốc do bền trong các dịch sinh lý của cơ thể, có tác dụng nhả chậm các dƣợc chất đi kèm với nó. Ở nƣớc ta, việc nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng ứng dụng trong y sinh học nói chung và dƣợc phẩm nói riêng chƣa đƣợc quan tâm nhiều. Từ năm 2005, nhóm nghiên cứu thuộc Phòng Hoá Vô cơ, Viện Hoá học (Viện KH&CN Việt Nam) 8
đã thực hiện các nghiên cứu về vật liệu HA dạng bột [5] và dạng xốp [19] đã và đang hƣớng đến ứng dụng trong dƣợc học và y sinh học. Phòng Hóa Vô Cơ, Viện Hóa Học (Viện KH&CN Việt Nam) đã chế tạo HA dạng bột và dạng khối xốp bằng các phƣơng pháp khác nhau. Để góp phần hoàn thiện các nghiên cứu về chế tạo HA nhân tạo và tự nhiên, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Khảo sát quá trình tách và một số đặc trƣng của canxi hydroxyapatite từ xƣơng động vật”. Đề tài có mục đích tách HA từ xƣơng động vật, cụ thể là xƣơng bò và khảo sát một số đặc tính của HA thu đƣợc. Đề tài tập trung khảo sát các nội dung sau: - Khảo sát quá trình tách HA từ xƣơng bò theo các phƣơng pháp nhiệt: ninh ở điều kiện bình thƣờng; ninh trong điều kiện có chất phụ gia; ninh trong nồi áp suất. - Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ, áp suất, chất phụ gia trong quá trình tách HA theo các phƣơng pháp nêu trên. - Khảo sát một số đặc trƣng nhƣ XRD, FTIR, DTA-TGA, SEM và độ xốp tổng của bột HA thu đƣợc. - Xác định hàm lƣợng Ca và P, tỉ số mol Ca/P, hàm lƣợng kim loại nặng trong HA. 9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tính chất của hyđroxyapatit 1.1.1. Tính chất vật lý Hydroxyapatite (HA), Ca10(PO4)6(OH)2, có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thƣớc hạt và trạng thái tập hợp. HA có nhiệt độ nóng chảy 17600C và nhiệt độ sôi 28500C, độ tan trong nƣớc 0,7 g/l, khối lƣợng mol phân tử 1004,60 g, khối lƣợng riêng là 3,156 g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5. Các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo, tùy thuộc vào điều kiện hình thành mà có thể tồn tại ở các dạng hình que, hình kim, hình vảy,… [3]. Sử dụng phƣơng pháp hiển vi điện tử SEM hoặc TEM có thể nhận biết đƣợc các dạng tồn tại của tinh thể HA (Hình 1.1). (b) (c) (a) (d) (e) (f) Hình 1.1: Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HA (a) - Dạng hình que (b) - Dạng hình trụ (c) - Dạng hình cầu (d) - Dạng hình sợi (e) - Dạng hình vảy (f) - Dạng hình kim HA tồn tại ở hai dạng cấu trúc là dạng lục phƣơng (hexagonal) và dạng đơn tà (monoclinic). HA dạng lục phƣơng thƣờng đƣợc tạo thành trong quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 đến 1000C, còn dạng đơn tà chủ yếu đƣợc sinh ra khi nung dạng lục phƣơng ở 8500C trong không khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hai dạng này giống nhau hoàn toàn về số lƣợng và vị trí của các vạch nhiễu xạ, chỉ khác nhau về cƣờng độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cƣờng độ yếu hơn các pic của dạng lục phƣơng khoảng 1% [1]. 10
Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- đƣợc sắp xếp nhƣ hình 1.2a. Ô mạng này có dạng hình lục phƣơng, thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a là 0,9417 nm, b: 0,9417 nm và c: 0,6875 nm, α = β = 900 và γ = 1200 [10]. Đây là cấu trúc thƣờng gặp của HA nhân tạo và HA tự nhiên trong thành phần của xƣơng và răng [16]. Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA Ở men răng, các tinh thể HA sắp xếp rất đặc khít với nhau bởi các ô mạng cơ sở thuộc hệ đơn tà, nhóm không gian P21/b (hình 1.2b). Các hằng số mạng lần lƣợt có giá trị: a là 0,9421 nm, b: 1,8843 nm và c: 0,6881 nm, α = β = 900 và γ = 1200. Công thức cấu tạo của phân tử HA đƣợc thể hiện trên hình 1.3, có thể nhận thấy phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca – O là liên kết cộng hoá trị. Hai nhóm OH đƣợc gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch: Hình 1. 3: Công thức cấu tạo của phân tử HA 1.1.2. Tính chất hoá học HA không phản ứng với kiềm nhƣng phản ứng với các axit tạo thành muối canxi và nƣớc: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl  3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1) HA tƣơng đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 8000C đến 12000C tạo thành oxy-hydroxyapatite theo phản ứng: Ca10(PO4)6(OH)2  Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0  x  1) (2) 11
Ở nhiệt độ lớn hơn 12000C, HA bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β – TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO: Ca10(PO4)6(OH)2  2β – Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O (3) Ca10(PO4)6(OH)2  3β – Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (4) 1.1.3. Tính chất sinh học [5] Nhƣ đã trình bày ở trên, do có cùng bản chất và thành phần hoá học, HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tƣơng thích sinh học cao. Ở dạng bột mịn kích thƣớc nano, HA là dạng canxi photphat dễ đƣợc cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng nhƣ tỷ lệ trong xƣơng và răng. Ở dạng màng và dạng xốp, HA có thành phần hoá học và các đặc tính giống xƣơng tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập. Chính vì vậy mà vật liệu này có tính tƣơng thích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xƣơng tốt, tạo liên kết trực tiếp với xƣơng non dẫn đến sự tái sinh xƣơng nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể ngƣời và có tính sát khuẩn cao. Hợp chất HA tƣơng đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hƣởng của dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thƣớc nano, HA đƣợc cơ thể ngƣời hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lƣỡi và thực quản. Vì những đặc tính này, bột HA kích thƣớc nano đƣợc dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao. Để chế tạo vật liệu HA có tính tƣơng thích sinh học cao và phù hợp với mục đích ứng dụng trong y sinh học và dƣợc học, cần chọn lựa quy trình chế tạo chúng bằng phƣơng pháp hóa học hay tách từ xƣơng động vật. 1.2. Ứng dụng của HA 1.2.1. Ứng dụng của HA bột Do lƣợng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tƣơng đối thấp nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và ngƣời cao tuổi. Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thƣờng nằm ở dạng hợp chất hoà tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thƣờng phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cƣờng việc hấp thụ và chuyển hoá canxi thành HA. Có thể bổ sung canxi cho cơ thể ngƣời bằng cách dùng thức ăn, thuốc tiêm hoặc truyền huyết thanh… Một phƣơng pháp hữu hiệu là sử dụng HA tự nhiên hoặc nhân tạo ở dạng bột mịn, kích thƣớc nano để bổ sung canxi [10]. 12
Với kích thƣớc cỡ 20 – 100 nm, HA đƣợc hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải chuyển hoá thêm. Để chữa trị căn bệnh loãng xƣơng, Cục Quản lý Thực phẩm và Dƣợc phẩm Mỹ (FDA) đã cho phép sử dụng HA trong sản xuất thuốc và thực phẩm chức năng. Nhiều loại thuốc và thực phẩm bổ sung canxi có sử dụng HA đã đƣợc lƣu hành trên thị trƣờng. Trong số đó có thể kể đến Ossopan của Pháp, Bone Booster Complex, Bone Dense Calcium của Mỹ, Calcium Complex của Anh, SuperCal của New Zealand. Hình 1.4 là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung canxi sử dụng HA bột tự nhiên hoặc nhân tạo ở dạng vi tinh thể đang đƣợc lƣu hành trên thị trƣờng [16]. Hình1. 4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể 1.2.2. Ứng dụng của HA dạng màng Lớp màng HA có chiều dày cỡ µm đƣợc phủ lên bề mặt vật liệu nhân tạo nhƣ hợp kim Ti6Al4V bằng các phƣơng pháp plasma, bốc bay, điện phân… đã hạn chế những nhƣợc điểm nhƣ bị ăn mòn, tạo ra các chất độc hại, liên kết lỏng lẻo giữa xƣơng tự nhiên và chi tiết cấy ghép… Tuy vậy, độ bám dính của lớp màng trên vật liệu nền vẫn không thật bền chặt, do vậy tuổi thọ và phạm vi ứng dụng của chúng không cao. Để cải thiện độ bám dính, ngƣời ta đã phủ lên các kim loại và hợp kim nền một lớp màng gốm HA có chiều dày cỡ nm (màng n – HA) bằng phƣơng pháp điện hoá nói chung và phƣơng pháp điện di (Electrophoretic Deposition, EPD). Lớp màng n – HA có độ bám dính cao với vật liệu nền (> 60MPa) và rất bền theo thời gian. Công nghệ màng n – HA đã tạo ra những chi tiết xƣơng nhân tạo có khả năng tự liên kết với xƣơng và mô tự nhiên, có tính tƣơng thích sinh học cao với cơ thể con ngƣời. Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng n – HA, ngƣời ta không chỉ làm tăng tuổi thọ các chi tiết ghép mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng của màng n – HA từ chỗ 13
chỉ áp dụng cho ghép xƣơng hông đã tiến đến có thể ứng dụng ghép xƣơng đùi, xƣơng khớp gối và các sửa chữa, thay thế xƣơng ở vị trí khác. 1.2.3. Ứng dụng của HA dạng xốp Nhƣ đã trình bày ở trên, vật liệu gốm xốp HA có tính tƣơng thích sinh học cao, có nhiều lỗ liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu, có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng. Nhờ có khả năng đặc biệt này mà ngày nay, HA dạng gốm xốp đƣợc ứng dụng đặc biệt rộng rãi trong y sinh học. - Chế tạo mắt giả [15]: Hình1.5: HA xốp tổng hợp từ san hô được sử dụng làm mắt giả HA xốp tổng hợp từ san hô có cấu trúc xốp bền vững, nhẹ và đặc biệt là có khả năng thích ứng cao với cơ thể. Việc sử dụng loại vật liệu này đã khắc phục đƣợc hiện tƣợng sụp mi do trọng lƣợng, hạn chế các phản ứng của cơ thể và làm tăng thời gian sử dụng của mắt giả [14]. - Chế tạo những chi tiết để ghép xƣơng và sửa chữa những khuyết tật của xƣơng [15]: Hình 1.6: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau Tuỳ thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, ngƣời ta có thể chế tạo ra các sản phẩm gốm HA (Hình 1.6) có kích thƣớc và độ xốp khác nhau [16]. Sau đó, gia công các sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HA ở dạng hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xƣơng [5]. 14
Hình 1.7: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng hạt hoặc gốm HA xốp Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HA xốp nhƣ: - Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [17]. - Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [18]. - Gần đây, ngƣời ta phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân tán insulin trong ruột. Tuy nhiên, gốm HA còn có một nhƣợc điểm là độ bền nén, độ bền uốn thấp. Tồn tại này cản trở viêc áp dụng gốm HA vào các chi tiết đòi hỏi chịu lực lớn. 1.2.4. Ứng dụng của HA dạng compozit Bản chất của gốm xốp và màng HA là có độ bền cơ học thấp. Một giải pháp để tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm compozit bằng cách phân tán HA bột vào các polyme sinh học nhƣ collagen, chitosan, xenlulo, đƣờng sacaro… [16]. Vật liệu ở dạng này đƣợc sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xƣơng chất lƣợng cao, làm kẹp nối xƣơng hoặc có thể làm chất truyền dẫn thuốc. Việc sử dụng các polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn. Mặt khác, các polyme này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình. Đây cũng là ƣu điểm vƣợt trội của vật liệu compozit chứa HA. 1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu HA 1.3.1. Trên thế giới Việc nghiên cứu chế tạo, xác định các đặc trƣng và thăm dò các khả năng ứng dụng của vật liệu HA ở các dạng đang rất phát triển. Các nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều phƣơng pháp khác nhau để chế tạo HA nhƣ: dạng bột đƣợc điều chế bằng phƣơng pháp sol – gel, kết tủa, phun sấy [23], siêu âm [24]…; dạng màng - bằng phƣơng pháp vật lý hoặc điện hoá…; dạng khối rắn, khối xốp, vật liệu tổ hợp (composit) - bằng phƣơng pháp nén ép – thiêu kết HA bột [19], phản ứng pha rắn, phản ứng thuỷ nhiệt... 15
Hiện nay, trên thế giới đã sản xuất đƣợc nhiều chế phẩm từ nguyên liệu HA. Năm 1983, Klein và các đồng nghiệp lần đầu tiên tạo ra chi tiết ghép xƣơng bằng gốm chứa 100% HA. Thực tế cho thấy, sự phát triển của xƣơng trong miếng ghép này có tốc độ phát triển chậm. Điều này tạo cho chất lƣợng của xƣơng ở nơi cấy ghép rất tốt, nhƣng thời gian điều trị kéo dài. Bằng những thí nghiệm khác, họ đã cấy ghép các chi tiết gốm chứa 100% β - TCP. Kết quả cho thấy, tốc độ phát triển của xƣơng non trong miếng ghép rất nhanh, do vậy làm cho chất lƣợng của xƣơng ở nơi cấy ghép không tốt cho quá trình phát triển của xƣơng. Năm 1986, Moore và Chapman đã chế tạo đƣợc miếng ghép tổ hợp giữa hai pha HA và β -TCP. Trong thực tế, gốm HA tốt bao gồm khoảng 93 – 94% HA và 6 – 7% TCP. TCP có hai dạng thù hình là α và β -TCP, thành phần α - TCP có tác dụng làm tăng tốc độ tái sinh xƣơng, nó nhƣ là nguồn khoáng cung cấp trực tiếp cho chỗ phát triển xƣơng mới. Điều này có nghĩa rằng phần β -TCP sẽ tiêu biến dần nhƣ là nguồn cung cấp khoáng cho xƣơng non phát triển vào chỗ khuyết xƣơng. Do đó gốm tổ hợp HA - β - TCP là vật liệu y sinh chính cho các phẫu thuật ghép xƣơng, nối xƣơng, chỉnh hình hoặc sửa chữa xƣơng. 1.3.2. Ở Việt Nam Trong nƣớc, các hợp chất vô cơ có khả năng ứng dụng làm vật liệu sinh học nói chung và HA nói riêng còn nhiều hạn chế. Năm 2005, lần đầu tiên Viện Công nghệ Xạ hiếm đã triển khai đề tài chế thử gốm HA theo công nghệ của Italia và đã bƣớc đầu thử nghiệm thành công trên động vật. Công nghệ này dựa trên phƣơng pháp nhúng tẩm khung xốp hữu cơ xenlulô vào dung dịch huyền phù HA, sau đó nung thiêu kết ở nhiệt độ cao. Khoa Hoá học, Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu và công bố kết quả sơ bộ về phƣơng pháp tổng hợp bột và màng gốm HA [26]. Từ năm 2005 đến nay, Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã công bố một số kết quả nghiên cứu chế tạo HA bột và HA xốp. Trong đó HA xốp đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp nén ép - thiêu kết HA bột với các chất tạo xốp chitosan, xenlulo, đƣờng sacaro và phƣơng pháp phản ứng pha rắn giữa Ca(OH)2 và Ca3(PO4)2. Việc chế tạo gốm HA từ khung xốp tự nhiên của san hô, mai mực, vỏ sò… bằng phản ứng thuỷ nhiệt ở áp suất cao cũng đã đƣợc thực hiện [3]. 16
Năm 2008, Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ đã nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu chế tạo gốm sinh học Calcium phosphate: Hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 (HA) và Tricalicium phosphate Ca3(PO4)2 (TCP), ứng dụng thay thế một số bộ phận xương, khớp trong cơ thể con người”. 1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp HA Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, HA nhân tạo ở các dạng có thể đƣợc tổng hợp bằng nhiều phƣơng pháp từ các nguyên liệu khác nhau. Dựa vào điều kiện tiến hành phản ứng, có thể phân chia các phƣơng pháp thành: phƣơng pháp ƣớt và phƣơng pháp khô; phƣơng pháp vật lý và phƣơng pháp hoá học hoặc chia theo dạng tồn tại (dạng bột, dạng màng, dạng khối xốp) của sản phẩm HA. 1.4.1. Phƣơng pháp ƣớt Đây là phƣơng pháp chế tạo HA ở dạng bột hoặc dạng màng từ dung dịch chứa các nguyên liệu ban đầu khác nhau, bao gồm: phƣơng pháp kết tủa, phƣơng pháp sol – gel, phƣơng pháp phun sấy… Nói chung, ƣu điểm của phƣơng pháp ƣớt là có thể điều chỉnh đƣợc kích thƣớc của hạt HA theo mong muốn. Trong hệ CaO – P2O5 – H2O, tồn tại các hợp chất canxi photphat khác nhau tuỳ thuộc vào tỷ lệ của các chất ban đầu và điều kiện áp suất, nhiệt độ, độ pH… Năm 1996, T. S. B. Narasaraju và D. E. Phebe [10] đã tiến hành nghiên cứu sự tạo thành của các pha khác nhau có trong hệ này. Hình 1.8: Giản đồ pha của hệ CaO – P2O5 – H2O ở 250C Trên hình 1.8, có thể nhận thấy, trong khoảng tỷ lệ Ca/P từ 1,5 đến 1,67 tƣơng ứng với vùng chứa tricanxi photphat Ca3(PO4)2 đến vùng chứa tetracanxi photphat Ca3(PO4)2.CaO, xuất hiện các tinh thể Ca9(HPO4)(PO4)5OH (Calcium Deficient HA, CDHA). Ở vùng kiềm ứng với tỷ lệ Ca/P cao hơn (lớn hơn 1,67), chỉ tồn tại duy nhất một pha rắn HA, hợp chất hydroxyapatit tồn tại ở pha rắn này có thành phần hoá học 17
theo đúng tỷ lệ hợp thức Ca10(PO4)6(OH)2 (Ca/P là 1,67, Stoichiometric Hydroxyapatite – SHA). 1.4.1.1. Phương pháp kết tủa Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp kết tủa đƣợc thể hiện qua hình 1.9: Dung dịch Dung dịch điều PO43- chỉnh pH Khuấy, gia nhiệt Dung dịch Ca2+ Kết tủa HA Ly tâm, sấy Sản phẩm Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa Việc tổng hợp HA bằng cách kết tủa từ các ion Ca2+ và PO43- có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau, có thể phân ra thành hai nhóm chính: a) Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca2+ và PO43 dễ tan trong nước: Các muối hay đƣợc dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4… [24]. Phản ứng diễn ra theo phƣơng trình (5) đƣợc coi là phƣơng pháp cơ bản để tổng hợp HA: 10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH  Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O (5) b) Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan trong nước: Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3… với axit H3PO4 trong môi trƣờng kiềm. Ví dụ: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O (6) Trong quá trình điều chế, yếu tố pH cũng đóng vai trò quan trọng. Độ pH = 9 – 10 đƣợc điều chỉnh bằng cách thêm từ từ H3PO4 vào Ca(OH)2. H3PO4 là một axit có độ mạnh trung bình, phân ly theo 3 giai đoạn: H 3 PO4  H 2 PO4  H  pKa1 = 2,2 (7) H 2 PO4  HPO42  H  pKa2 = 7,2 (8) HPO42  PO43  H  pKa3 = 12,3 (9) 18