Luận văn về hidroxy apatit

Luận văn thạc sỹ về hidroxy apatit
“Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột hyđroxyapatit
Ca10(PO4)6(OH)2 kích thước nano điều chế từ canxi hyđroxit Ca(OH)2”.

ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong các hợp chất vơ cơ có mặt trong cơ thể con người, những hợp chất
chứa canxi và photpho đóng vai trị rất quan trọng. Thuộc nhóm hợp chất này
phải kể đến canxi hyđroxyapatit. Apatit là tên khoáng chất của canxi florua
photphat Ca5F(PO4)3 với F được thay thế một phần hay hoàn toàn bởi Cl, Br
hoặc OH. Canxi hydroxyapatit (hay còn được gọi là Hydroxyapatit, viết tắt
là HA) là apatit trong đó nhóm OH - thay thế hoàn toàn cho ion F - với cơng
thức Ca5(PO4)3(OH) hay Ca10(PO4)6(OH)2 và có cấu trúc tinh thể thuộc dạng
lục phương hoặc dạng đơn tà. HA đang được tập trung nghiên cứu do các đặc
tính quý giá như có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao với các tế bào và
các mô, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh
mà không bị cơ thể đào thải [22], [23]… Do có cùng bản chất hố học và cấu
trúc, HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con người và
có tỷ lệ Ca/P đúng như tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng.
Các nghiên cứu tập trung vào tổng hợp HA ở các dạng bột mịn và siêu
mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát
các đặc tính của chúng để mở rộng khả năng ứng dụng.
Ở dạng bột, các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế HA kích thước
nano (trong khoảng 20 – 100 nm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ của
cơ thể. HA bột dạng vi tinh thể cùng với một số khoáng chất khác đã được
dùng trong bào chế thuốc chống loãng xương và thực phẩm chức năng bổ

-1-


sung canxi, xử lý các khuyết tật trong xương do chấn thương… HA bột cũng
có thể được dùng bổ sung canxi trong nước giải khát.

Ở dạng màng, một lớp HA siêu mịn, mỏng phủ trên gốm nhân tạo có thể
tăng cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên.
HA dạng xốp được ứng dụng để sửa chữa các khuyết tật của xương và
răng. Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy, HA xốp bền trong các dịch sinh lý
của cơ thể, có tác dụng nhả chậm các dược chất đi kèm với nó [25], [26].
Ở nước ta, các vật liệu vơ cơ có khả năng ứng dụng trong y sinh học nói
chung và dược phẩm nói riêng đã được quan tâm từ lâu. Tuy nhiên, việc ứng
dụng các vật liệu vô cơ trong y sinh học và dược học còn nhiều hạn chế. Từ
năm 2005, nhóm nghiên cứu thuộc Phịng Hố Vơ cơ, Viện Hố học (Viện
KH&CN Việt Nam) đã thực hiện các nghiên cứu về tổng hợp vật liệu HA
dạng bột [5] và dạng xốp [27] hướng đến ứng dụng trong dược học và y sinh
học.
Để góp phần hồn thiện quy trình chế tạo HA kích thước nano ứng dụng
trong y sinh học và dược học, tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố
ảnh hưởng đến bột hyđroxyapatit Ca 10(PO4)6(OH)2 kích thước nano điều
chế từ canxi hyđroxit Ca(OH)2”. Đề tài tập trung tổng hợp và khảo sát các
yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng bột HA (độ đơn pha, độ tinh thể, kích thước
hạt…), theo các nội dung sau:
- Xây dựng quy trình tổng hợp bột HA kích thước nano từ Ca(OH) 2 và
H3PO4.
- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ.
- Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit thêm.
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng.
- Khảo sát ảnh hưởng của dung môi (nước, etanol, hỗn hợp etanol +
nước).

-2-


- Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn.

- Nghiên cứu sơ bộ ảnh hưởng của hiệu ứng siêu âm.

-3-


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Tính chất của hyđroxyapatit
1.1.1. Tính chất vật lý
Hydroxyapatit (HA), Ca10(PO4)6(OH)2, có màu trắng, trắng ngà, vàng
nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái
tập hợp. HA có nhiệt độ nóng chảy 1760 0C và nhiệt độ sơi 28500C, độ tan
trong nước 0,7g/l, khối lượng mol phân tử 1004,60g, khối lượng riêng là
3,156g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5.
Các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo thường tồn tại ở dạng hình que,
hình kim, hình vảy,… [29]. Sử dụng phương pháp hiển vi điện tử SEM hoặc
TEM có thể nhận biết được các dạng tồn tại của tinh thể HA (Hình 1.1).
(c)

(b)

(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 phương (hexagonal) và dạng
đơn tà (monoclinic). HA dạng lục phương thường được tạo thành trong quá
trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 đến 100 0C, còn dạng đơn tà chủ yếu được sinh

-4-


ra khi nung dạng lục phương ở 8500C trong không khí sau đó làm nguội đến
nhiệt độ phịng. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hai dạng này giống nhau hồn
tồn về số lượng và vị trí của các vạch nhiễu xạ. Chúng chỉ khác nhau về
cường độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cường độ yếu hơn các pic của
dạng lục phương khoảng 1% [14].
Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA gồm các ion Ca 2+, PO43- và OHđược sắp xếp như hình 1.2a. Ơ mạng này có dạng hình lục phương , thuộc
nhóm khơng gian P63/m với các hằng số mạng a = 0,9417nm, b = 0,9417nm
và c = 0,6875nm, α = β = 900 và γ = 1200 [30]. Đây là cấu trúc thường gặp của
HA tổng hợp, trong thành phần của xương và ngà răng [31].

Hình 1.2: Cấu trúc ơ mạng cơ sở của tinh thể HA
Ở men răng, các tinh thể HA sắp xếp rất đặc khít với nhau bởi các ơ
mạng cơ sở thuộc hệ đơn tà, nhóm khơng gian P2 1/b (hình 1.2b). Các hằng số
mạng lần lượt có giá trị: a = 0,9421nm, b = 1,8843nm và c = 0,6881nm, α = β

= 900 và γ = 1200 [32].
Công thức cấu tạo của phân tử HA được 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 hố trị. Hai nhóm OH được gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch
[35]:

-5-


Hình 1.3: Cơng thức cấu tạo của phân tử HA
1.1.2. Tính chất hố học


HA khơng phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành

các muối canxi và nước:
Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl � 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O


(1.1)

HA tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ

từ 8000C đến 12000C tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng:
Ca10(PO4)6(OH)2 � Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 �x �1)


(1.2)

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
Ca10(PO4)6(OH)2 � 3β – Ca3(PO4)2 + CaO + H2O

(1.3)
(1.4)

1.1.3. Tính chất sinh học [35]


Như đã trình bày ở trên, do có cùng bản chất và thành phần hố

học, HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinh
học cao. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA là dạng canxi photphat dễ được
cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương
và răng. Ở dạng màng và dạng xốp, HA có thành phần hố học và các đặc tính
giống xương 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 tương
thích sinh học cao với các tế bào và mơ, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết
trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể

-6-


đào thải. Ngồi ra, HA là hợp chất khơng gây độc, khơng gây dị ứng cho cơ
thể người và có tính sát khuẩn cao.


Hợp chất HA tương đối bền với dịch men tiêu hố, ít chịu ảnh

hưởng của dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA
được cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản. Vì
những đặc tính này, bột HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung
canxi với hiệu quả cao.
Để chế tạo vật liệu HA có tính tương thích sinh học cao, cần nghiên cứu
và chọn lựa cơng nghệ phù hợp với mỗi mục đích ứng dụng trong y sinh học
và dược học.

1.2. Vai trò và ứng dụng của HA
Xương là phần quan trọng của cơ thể người, có ý nghĩa to lớn về mặt
sinh học và cấu trúc. Về mặt sinh học, xương là nơi tập trung canxi nhiều nhất
và là nơi sản xuất các tế bào máu. Còn về mặt cấu trúc, xương là khung đỡ
cho các bộ phận khác, hình thành nên kiến trúc và hình dáng cơ thể. Chất
khống trong xương gồm chủ yếu là HA dạng khối xốp và một số chất chứa
Na+, K+, Mg2+, Cl-, F-, CO32- [38],[39].
Khi mới sinh ra, xương có tỷ lệ collagen nhiều và tỷ lệ khống ít. Càng
lớn lên, tỷ lệ khống càng tăng lên, xương càng trở nên giòn, dễ gãy. Trong
xương người trẻ tuổi thì các pha vơ định hình chiếm ưu thế và chỉ có một
phần chuyển hố thành pha tinh thể, cịn ở người trưởng thành thì đến 70%
khối lượng của xương là HA. HA có vi cấu trúc là các sợi tinh thể dài khoảng
10 � 15nm kết thành bó xốp với độ xốp từ 40 � 60% gồm các mao quản
thông nhau tạo ra phần khung của xương [7]. Do có hoạt tính sinh học, có khả
năng tương thích với các cấu trúc xương và có tính dẫn xương tốt nên HA có
thể được dùng để nối ghép, thay thế xương trong cơ thể người. Các phẫu thuật

-7-


ghép xương, chỉnh hình đã đạt được nhiều thành tựu nhờ ứng dụng vật liệu y

sinh HA.
Một vấn đề lớn khác đối với y học thế giới đó là căn bệnh lỗng xương.
Mặc dù khơng gây tử vong nhưng bệnh loãng xương ảnh hưởng rất nhiều đến
chất lượng cuộc sống của số đông người cao tuổi, đặc biệt là phụ nữ. Theo
thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), có đến 1/3 phụ nữ và 1/5 nam
giới trên 50 tuổi bị bệnh loãng xương. Dự báo tới năm 2050, tồn thế giới sẽ
có tới 6,3 triệu trường hợp gãy cổ xương đùi do loãng xương và 51% số này
sẽ ở các nước châu Á, nơi mà khẩu phần ăn hàng ngày cịn rất thiếu canxi và
việc chẩn đốn sớm và điều trị tích cực bệnh lỗng xương cịn gặp rất nhiều
khó khăn. Ở Mỹ, ngành y tế đã phải tiêu tốn hàng năm khoảng 14 tỉ USD để
điều trị cho 1,5 triệu trường hợp gẫy xương do bệnh loãng xương gây ra [4].
Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của HA tuỳ theo dạng tồn tại của nó.
1.2.1. Ứng dụng của HA bột
 Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp
nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi.
Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hoà tan nên
khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với
vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hoá canxi thành HA. Có
thể bổ sung canxi cho cơ thể người bằng cách dùng thức ăn, thuốc tiêm hoặc
truyền huyết thanh… Một phương pháp hữu hiệu là sử dụng HA ở dạng bột
mịn, kích thước nano để bổ sung canxi [40]. Với kích thước cỡ 20 – 100nm,
HA được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải chuyển hố thêm.
 Canxi ở dạng ion có vai trị rất quan trọng trong nhiều hoạt động của
cơ thể người như tham gia vào quá trình co cơ, dẫn truyền thần kinh, giải
phóng các hooc mơn và đơng máu. Ngồi ra nó cịn tham gia vào q trình
điều hồ nhiều enzym khác nhau trong cơ thể [9].

-8-

 Đối với bột HA có kích thước hạt khoảng 150nm trở lên, quá trình
thiêu kết để tạo gốm HA rất khó khăn. Q trình kết khối diễn ra ở nhiệt độ
khá cao (1000 – 12000C) trong thời gian dài (2 – 3 giờ), làm cho gốm HA bị
phân huỷ thành các hợp chất khơng mong muốn, có hại cho cơ thể. Với kích
thước nano (từ 20 – 100nm), nhiệt độ kết khối của HA bột giảm xuống chỉ
còn khoảng 800 – 10000C trong thời gian từ ½ giờ đến 1 giờ. Điều này làm
cho việc chế tạo gốm y sinh học từ HA có chất lượng cao, thuận lợi và dễ
dàng hơn.
Hình 1.4 là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ
sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể đang được lưu hành
trên thị trường [40].

Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể

1.2.2. Ứng dụng của HA dạng màng
Thông thường, người ta sử dụng các vật liệu bền cơ – hoá và nhẹ để thay
thế, sửa chữa những khuyết tật của xương và răng. Phổ biến nhất là hợp kim
Ti6Al4V, đây là vật liệu trơ sinh học và có độ bền cơ – hố cao nhưng trong
thực tế nó vẫn bị ăn mịn khi nằm trong cơ thể người, tạo ra các chất độc hại
và làm cho liên kết giữa xương và chi tiết ghép bị lỏng lẻo [42].
Lớp màng gốm HA có chiều dày cỡ µm được phủ lên bề mặt vật liệu
thay thế bằng các phương pháp plasma, bốc bay, điện phân… đã hạn chế
những nhược điểm nêu trên. Nhưng độ bám dính của lớp màng trên vật liệu

-9-


nền không bền chặt, do vậy tuổi thọ và phạm vi ứng dụng của chúng không
cao [43]
Để cải thiện độ bám dính, người ta đã phủ lên các kim loại và hợp kim

nền một lớp màng gốm HA có chiều dày cỡ nanomet (màng n – HA) bằng
phương pháp điện hố nói chung và phương 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 xương nhân tạo có khả năng tự liên kết với xương và mơ tự nhiên, có
tính tương thích sinh học cao với cơ thể con người.
Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng n – HA, người 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 chỉ áp dụng cho ghép xương hông đã tiến đến có thể ứng dụng
ghép xương đùi, xương khớp gối và các sửa chữa, thay thế xương ở vị trí
khác.
1.2.3. Ứng dụng của HA dạng xốp
Như đã trình bày ở trên, vật liệu gốm xốp HA có tính tương thích sinh
học cao, có nhiều lỗ liên thơng với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của
mô sợi và mạch máu, có tính dung nạp tốt, khơng độc, khơng dị ứng. Nhờ có
khả năng đặc biệt này mà ngày nay, HA dạng gốm xốp được ứng dụng đặc
biệt rộng rãi trong y sinh học như:
- Chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng: các nhà khoa
hoc Nhật Bản đã thành công trong viêc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thể
kích thước nano và polymer sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răng
theo cơ chế epitaxy, nghĩa là tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng cứng
chắc, “bắt chước” theo đúng tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên ở dưới
[45].

-10-


Hình 1.5:
Quá trình
tạo lớp men

HA trên bề
mặt răng

Giai đoạn a: Lớp men HA cũ, cần thay thế trên bề mặt răng bị phân huỷ
bởi dung dịch H2O2 + H3PO4. Hợp chất H2O2 cịn có tác dụng loại bỏ các chất
bẩn tồn tại trên răng.
Giai đoạn b: Các ion Ca2+, PO43-, OH- trong các polime sinh học dạng bột
nhão tạo thành vi tinh thể HA kích thước nano. Hỗn hợp này được phủ lên bề
mặt răng cũ để tạo thành lớp men răng mới.
- Chế tạo mắt giả [46]:

Hình 1.6: HA xốp tổng hợp từ san hô được sử dụng làm mắt giả
HA xốp tổng hợp từ san hơ 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 được hiện tượng sụp mi do trọng lượng, hạn chế các phản ứng của cơ
thể và làm tăng thời gian sử dụng của mắt giả [49].
- Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa những khuyết tật của
xương [50]:

-11-


Hình 1.7: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau
Tuỳ thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo
ra các sản phẩm gốm HA (Hình 1.7) có kích thước và độ xốp khác nhau [51].
Sau đó, gia cơng 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 xương [35].

Hình 1.8: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA
dạng khối xốp hoặc dạng hạt

Ngồi ra, cịn có một số ứng dụng của gốm HA như:
- Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [52].
- Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [54].
- Gần đây, người ta phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển và
phân tán insulin trong ruột [55].
Tuy nhiên, gốm HA cịn có một nhược 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.

-12-


1.2.4. Ứng dụng của HA dạng composit
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 composit bằng cách
phân tán HA bột vào các polyme sinh học như collagen, chitosan, xenlulo,
đường sacaro… [51]. Vật liệu ở dạng này được sử dụng làm các chi tiết cấy
ghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương 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 cịn
có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thơng qua các nhóm chức của
mình. Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composit chứa HA [58].

1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu HA
1.3.1 Trên thế giới
Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học đã nghiên
cứu nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo HA như: dạng bột được điều
chế bằng phương pháp sol – gel [59], kết tủa [60], phun sấy [61], siêu âm [20]
…; dạng màng - bằng phương pháp vật lý [62] hoặc điện hoá [63]…; dạng
khối rắn, khối xốp, vật liệu tổ hợp (composit) - bằng phương pháp nén ép –

thiêu kết HA bột [6], phản ứng pha rắn, phản ứng thuỷ nhiệt…[58].
Hiện nay, trên thế giới đã sản xuất được nhiều chế phẩm từ nguyên liệu
HA. Năm 1983, Klein và các đồng nghiệp lần đầu tiên tạo ra chi tiết ghép
xương bằng gốm chứa 100% HA [67]. Thực tế cho thấy, sự phát triển của
xương trong miếng ghép này có tốc độ phát triển chậm. Điều này tạo cho chất
lượng của xương ở nơi cấy ghép rất tốt, nhưng 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 xương non trong miếng ghép rất
nhanh, do vậy làm cho chất lượng của xương ở nơi cấy ghép khơng tốt cho
q trình phát triển của xương.

-13-


Năm 1986, Moore và Chapman đã chế tạo được 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 xương, nó như là nguồn khống
cung cấp trực tiếp cho chỗ phát triển xương mới. Điều này có nghĩa rằng phần
β -TCP sẽ tiêu biến dần như là nguồn cung cấp khoáng cho xương non phát
triển vào chỗ khuyết xương. Do đó gốm tổ hợp HA - β - TCP là vật liệu y sinh
chính cho các phẫu thuật ghép xương, nối xương, chỉnh hình hoặc sửa chữa
xương.
Để chữa trị căn bệnh loãng xương, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược
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
được lưu hành trên thị trường. 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 [69].
Như trong phần ứng dụng đã đề cập, HA dạng màng đã được các nhà
khoa học Nhật Bản chế tạo thành vật liệu chế tạo răng giả và sửa chữa những

khuyết tật của răng.
1.3.2 Nghiên cứu và ứng dụng HA ở Việt Nam
Trong nước, các hợp chất vơ cơ có khả năng ứng dụng làm vật liệu sinh
học nói chung và HA nói riêng cịn 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 bước đầu thử nghiệm thành công
trên động vật [3]. Công nghệ này dựa trên phương pháp nhúng tẩm khung xốp
hữu cơ xenlulô vào dung dịch huyền phù HA, sau đó nung thiêu kết ở nhiệt
độ cao. Khoa Hố học, Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu và công bố
kết quả sơ bộ về phương pháp tổng hợp bột và màng gốm HA [6].

-14-


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 [5] và HA xốp
[27]. Trong đó HA xốp được chế tạo bằng phương pháp nén ép - thiêu kết HA
bột với các chất tạo xốp chitosan, xenlulo, đường sacaro và phương 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 được thực hiện.
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 phương pháp tổng hợp HA
Trên thế giới, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu HA ở các dạng đã được
triển khai từ lâu và đã đạt được những thành tựu đáng kể. Các nghiên cứu tập
trung vào tổng hợp HA ở dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng
màng bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để nâng cao
khả năng ứng dụng của chúng. Việc ứng dụng loại vật liệu tiên tiến này đã tạo
ra những bước tiến mới trong các lĩnh vực: xét nghiệm, điều trị y học cũng
như trong dược phẩm và vật liệu y sinh học.
Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở các dạng khác nhau có thể
được tổng hợp bằng nhiều phương pháp từ các nguyên liệu khác nhau. Dựa
vào điều kiện tiến hành phản ứng, có thể phân chia các phương pháp thành:
phương pháp ướt và phương pháp khô; phương pháp vật lý và phương pháp
hoá học hoặc chia theo dạng tồn tại (dạng bột, dạng màng, dạng khối xốp) của
sản phẩm HA. Trong luận văn này chúng tơi trình bày các cách chế tạo HA
theo phương pháp ướt và phương pháp khô.

-15-


1.4.1. Phương pháp ướt
Đây là phương pháp chế tạo HA ở dạng bột hoặc dạng màng từ dung
dịch chứa các nguyên liệu ban đầu khác nhau, bao gồm: phương pháp kết tủa,
phương pháp sol – gel, phương pháp phun sấy… Nói chung, ưu điểm của
phương pháp ướt là có thể điều chỉnh được kích thước 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… Áp dụng các quy tắc pha vào giản đồ pha CaO – P 2O5 – H2O, năm
1996, T. S. B. Narasaraju và D. E. Phebe [30] đã tiến hành nghiên cứu sự tạo
thành của các pha khác nhau có trong hệ là: anhydric mono canxi photphat –
Ca(H2HO4)2, mono canxi photphat monohydrat – Ca(H 2PO4)2.H2O. Trên hình
1.9, có thể nhận thấy các pha lỏng tồn tại ở vùng trống, các pha rắn nằm ở
vùng elip còn lại. Anhydric mono canxi photphat – Ca(H 2PO4)2 và các mono
hydrat của nó tồn tại dưới dạng tinh thể trong vùng axit, tức là vùng có tỷ lệ
P2O5 cao. Anhydric đicanxi photphat – CaHPO4 tồn tại ở vùng axit, còn
đicanxi photphat đihyđrat – CaHPO4.2H2O ln tồn tại trong mơi trường phản
ứng có pH khác nhau.

Hình 1.9: Giản đồ pha của hệ CaO – P2O5 – H2O ở 250C

-16-


Trong khoảng tỷ lệ Ca/P từ 1,5 đến 1,67 tương ứng với vùng chứa
tricanxi

photphat

Ca3(PO4)2

đến

vùng

chứa

tetracanxi

photphat

Ca3(PO4)2.CaO, xuất hiện các tinh thể Ca 9(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 hố học theo đúng tỷ lệ hợp thức Ca 10(PO4)6(OH)2
(Ca/P = 1,67, Stoichiometric Hydroxyapatite – SHA).
1.4.1.1. Phương pháp kết tủa
Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa được thể hiện qua hình 1.10:
Dung dịch
PO43-

Dung dịch điều
chỉnh pH

Dung dịch
Ca2+

Khuấy,
gia nhiệt

Kết tủa HA

Ly tâm,
sấy

Sản phẩm

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa
Việc tổng hợp HA bằng cách kết tủa từ các ion Ca 2+ 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 Ca 2+và PO43 dễ tan trong
nước:
Các muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4…
[24]. Phản ứng diễn ra theo phương trình (1.5) được coi là phương pháp cơ
bản để tổng hợp HA [60]:

-17-


10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH  Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O (1.5)

Lượng Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 được chuẩn bị theo tỷ lệ Ca/P = 1,67,
pha trong nước cất với nồng độ tương ứng 0,2M và 0,1M. Sau đó, nhỏ từ từ
(tốc độ 2ml/phút) dung dịch (NH4)2HPO4 vào cốc đựng Ca(NO3)2 trên máy
khuấy từ (tốc độ 300 – 400 vòng/phút). Bổ sung dung dịch NH4OH để đảm
bảo phản ứng diễn ra trong môi trường pH = 10 – 12.
Sau khi nhỏ hết lượng dung dịch (NH 4)2HPO4 tiếp tục khuấy hỗn hợp
trong khoảng 2 giờ tại nhiệt độ đã định. Kết thúc phản ứng, thu lấy kết tủa và
làm sạch bằng cách lọc rửa nhiều lần với nước cất trên máy ly tâm hoặc thiết
bị lọc hút chân không. Sản phẩm được sấy khô ở nhiệt độ 75 – 80 0C và bảo
quản tránh tiếp xúc với khơng khí.
b) Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca 2+ ít tan hoặc không tan
trong nước:
Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3… với axit H3PO4 trong mơi
trường kiềm [28]. Ví dụ:

10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O

(1.6)

Trong quá trình điều chế, yếu tố pH cũng đóng vai trị quan trọng. Độ pH
9 – 10 được 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 [33]:
H 3 PO4 � H 2 PO4  H 

pKa1 = 2,2

(1.7)

H 2 PO4 � HPO42  H 

pKa2 = 7,2

(1.8)

HPO42 � PO43  H 

pKa3 = 12,3

(1.9)

Vì vậy nếu thêm axit với tốc độ cao, pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột,
dẫn đến sự phân ly axit khơng hồn tồn, tạo ra các ion HPO42- và H2PO4-.
Các yếu tố như nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ, môi trường phản ứng…
thường ảnh hưởng đến chất lượng và hình dạng của tinh thể HA. Để nhận

-18-


được sản phẩm HA bột có kích thước mong muốn thì ngồi các yếu tố trên,
cần quan tâm đến sự kết tinh của HA trong suốt quá trình tổng hợp.
1.4.1.2. Phương pháp sol – gel [10], [59], [15]
Theo lý thuyết về phương pháp sol – gel, hệ phân tán là hệ bao gồm một
môi trường liên tục và các tiểu phân (các hạt) có kích thước nhỏ được phân
tán đồng đều trong mơi trường đó. Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé đó được gọi
là pha phân tán, mơi trường chứa đựng pha phân tán gọi là môi trường phân
tán. Khi môi trường phân tán là lỏng và pha phân tán là rắn, thì tuỳ kích thước
hạt sẽ tạo ra hệ huyền phù hoặc hệ keo (sol).
Gel là một trạng thái lỏng hoá rắn, được tạo thành từ các hệ sol hoặc các
dung dịch cao phân tử. Gel có cấu trúc mạng khơng gian chứa đựng trong nó
phần cịn lại của chất lỏng sau khi hình thành mạng. Quá trình tạo gel được
mô tả như sau: Hệ sol, dung dịch cao phân tử � gel, nghĩa là các hệ sol,
dung dịch cao phân tử có thể chuyển thành gel hoặc ngược lại tuỳ thuộc điều
kiện. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình tạo gel là: kích thước, hình dạng của
hạt keo và chất cao phân tử; nồng độ pha phân tán và chất cao phân tử; nồng
độ chất điện ly, nhiệt độ, cường độ và thời gian khuấy…
Có thể chuyển sol thành gel bằng cách tách dung môi. Khi dung môi bị
tách ra, các hạt keo hoặc chất cao phân tử lại gần nhau hơn, tạo điều kiện
thuận lợi cho chúng nối chéo với nhau. Khi sự nối chéo này đủ lớn, độ nhớt
của dung dịch tăng nhanh và tồn bộ khối dung dịch sẽ chuyển thành gel.
Cũng có thể dùng cách khuấy mạnh dung dịch để tạo gel. Cường độ và thời
gian khuấy đủ lớn sẽ làm tăng tần số va chạm giữa các hạt keo và tạo điều
kiện cho chúng nối chéo với nhau. Trong thực tế, thường kết hợp cả hai cách
trên để chuyển sol thành gel.

-19-

Ưu điểm của phương pháp sol – gel là tạo được độ đồng nhất cao ở mức
độ phân tử, từ đó có thể chế tạo vật liệu ở dạng khối, màng mỏng [70], sợi và
dạng hạt có chất lượng tốt [17].
Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol – gel được thể hiện qua hình sau:
AROGEL
DUNG DỊCH

to
Khuấy

SOL

to

Nung

Sấy

GEL

SẢN PHẨM

Khuấy

XEROGEL

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol – gel
Có thể tổng hợp HA theo phương pháp sol – gel bằng cách: hoà tan các

hợp chất Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4 với các chất tạo gel như (C2H5O)3P(O),
CH3O(CH2)2(OH) (được chuẩn bị theo tỷ lệ nhất định) vào nước cất. Khuấy
và gia nhiệt dung dịch này đến nhiệt độ 60 – 70 0C, sau khoảng 3 – 4 giờ, gel
có chứa hợp chất HA sẽ được tạo thành. Sau đó, sấy gel ở nhiệt độ khoảng
1200C trong vòng 24 giờ và nung ở nhiệt độ 750 – 900 0C khoảng 1 giờ. HA
bột nhận được có kích thước trung bình khoảng 20nm, độ tinh thể khoảng
97%. [59]
1.4.1.3. Phương pháp phun sấy
Hình 1.12 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy. Dung dịch
chứa các ion Ca2+ và PO43- (tỷ lệ Ca/P = 1,67) được phun vào thiết bị cùng với
khí nén.

-20-


Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy
Tốc độ phun dung dịch được điều chỉnh bằng áp suất khí nén và dịng
khí khơ sao cho phản ứng tạo HA xảy ra hoàn toàn, bột HA được sấy khô khi
rơi đến đáy của cột thuỷ tinh gia nhiệt. Sản phẩm HA dạng bột được lấy ra
định kỳ qua bộ phận lắng tĩnh điện. Đây là phương pháp chế tạo bột HA dạng
liên tục, năng suất cao, phù hợp với quy mô sản xuất vừa và lớn [61].
1.4.1.4 Phương pháp siêu âm hoá học
Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thước “siêu mịn”, có thể tiến
hành phản ứng hố học trong mơi trường sóng có cường độ lớn như vi sóng
[34] hay sóng siêu âm [20].
Nguyên lý của phương pháp siêu âm dựa vào hiện tượng tạo và vỡ bọt
(cavitation) xảy ra trong môi trường lỏng dưới tác dụng của sóng siêu âm với
cường độ cao. Sóng siêu âm tạo ra một chu trình giãn nở, nó gây ra áp suất
chân khơng trong mơi trường lỏng. Hiện tượng tạo – vỡ bọt xảy ra khi áp suất
chân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng. Khi bọt phát triển tới

kích thước nào đó, khơng hấp thu năng lượng được nữa thì dưới áp lực từ chất
lỏng bên ngoài, bọt sẽ vỡ vào trong (hình 1.13). Hiện tượng này sinh ra một
lượng nhiệt tại ngay thời điểm đó gọi là sự toả nhiệt điểm (host – spot). Tuy
nhiên, mơi trường lỏng xung quanh có nhiệt độ thấp nên sự gia nhiệt nhanh
chóng được dập tắt. Điểm toả nhiệt có nhiệt độ và áp suất cao, thời gian sống
của nó rất ngắn. Q trình tạo và vỡ bọt đóng vai trị nhận và tập trung năng

-21-


lượng của sóng siêu âm, chuyển năng lượng này thành năng lượng cần thiết
làm tăng tốc độ phản ứng hoá học lên nhiều lần.

Hình 1.13: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm
Năng lượng được tạo ra ở dạng xung với cường độ rất lớn cũng làm tăng
tốc độ tạo mầm tinh thể. Quá trình tạo – vỡ bọt tiếp tục xảy ra gần bề mặt
phân pha lỏng – rắn, lúc này chất lỏng tác động lên bề mặt chất rắn với tốc độ
rất cao. Tuỳ thuộc vào tần số và công suất của thiết bị siêu âm, có thể làm cho
các tinh thể bị vỡ thành những hạt nhỏ hơn.
Hình 1.14 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học. Đầu
phát siêu âm được ngâm vào trong dung dịch để truyền năng lượng cho phản
ứng hoá học. Phương pháp này thường được kết hợp với phương pháp kết tủa
để tạo HA bột có kích thước nanomet [15].

Hình 1.14: Sơ đồ ngun lý của phương pháp siêu âm hoá học
1.4.1.5. Phương pháp composit

-22-

Phương pháp composit được sử dụng để chế tạo các vật liệu dạng khối
xốp chứa HA. HA được sử dụng thường ở dạng hạt, chất nền là các phân tử
polyme. Sự kết hợp của hạt HA với polyme đưa ra một phương thức đơn giản
và hữu hiệu để gắn kết các đặc tính của hai loại vật liệu. Có thể sử dụng các
polyme như axit polylactic, polystyren, polyethylen, collagen, chitosan,
xenlulo… trong đó các polyme sinh học được đặc biệt quan tâm trong lĩnh
vực y sinh vì chúng có tính tương thích và phân huỷ sinh học cao.
Để chế tạo vật liệu composit chứa HA, cation Ca 2+ được phân tán đều
trong mạng lưới polyme sau đó các anion PO 43- và OH- được đưa vào dưới
dạng dung dịch để phản ứng tạo thành các nano tinh thể. Cũng có thể thực
hiện phản ứng tạo ra các tinh thể nano HA trước, sau đó phân tán chúng vào
mạng lưới polyme nhằm ngăn không cho các tinh thể HA kết khối lại với
nhau. 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 cịn có
khả năng liên kết với các tế bào sinh học thơng qua các nhóm chức của mình.
Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composit chứa HA.
Ví dụ, có thể tóm tắt q trình tổng hợp HA bằng phương pháp composit
với chitosan (CS) theo sơ đồ sau [36]:
CS

Dung dịch axit axetic

Dung dịch
CS
Dung dich NaH2PO4
Tỷ lệ mol
Ca/P = 1,67

Bình phản
ứng

Thêm từ từ NaOH 1,25M
Khống chế ở pH = 11

Dung dich CaCl2 1M

Kết tủa
HAp
Ly tâm, sấy khô

-23Sản phẩm


Hình 1.15: Sơ đồ tổng hợp composit HA – CS
Theo [36], khi tỷ lệ CS/HA tăng lên thì sự phân tán các hạt HA vào mạng
CS sẽ tốt hơn, do đó kích thước của các hạt HA phân tán sẽ nhỏ hơn, đồng
thời độ kết tinh của HA cũng tăng lên.
1.4.1.6. Phương pháp điện hoá
Với những vật liệu truyền thống, ngành phẫu thuật chỉnh hình thường sử
dụng các kim loại trơ sinh học như titan, thép không gỉ hay các hợp kim để
thay thế hay nối ghép các bộ phận của xương. Mặc dù các kim loại này có độ
bền cao nhưng khơng có khả năng tương thích sinh học, bị ăn mịn theo thời
gian nên các mơ tế bào khơng có khả năng phát triển trên các kim loại đó. Các
bệnh nhân sẽ cảm thấy đau đớn và khó chịu khi có những vật lạ nằm trong cơ
thể. Để tăng độ cứng, độ bền cơ – hố và tính tương thích sinh học của chi tiết
cấy ghép, người ta chế tạo lớp màng gốm HA có độ dày mong muốn và có
khả năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại.
Bằng các phương pháp vật lý như plasma, bay bốc, hồ quang… đều tạo
ra một lớp màng có chiều dày cỡ µm. Độ bám dính của lớp màng này vào vật
liệu nền không cao, thường dao động từ 15 – 30MPa, trong khi đó yêu cầu tối
thiểu phải đạt khoảng 50MPa mới đảm bảo tuổi thọ và tránh sự thoái hoá sớm

của vật liệu ghép.
Để khắc phục hạn chế này, người ta đã chế tạo và phủ được lớp màng
HA có chiều dày cỡ nanommet (màng n – HA) trên các vật liệu nền khác nhau
bằng:
- Phương pháp kết tủa catot:
Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng các vật liệu sinh học bằng kim
loại hoặc hợp kim làm điện cực catot, điện cực này được nhúng vào bể điện
phân với chất điện giải là dung dịch bão hoà các ion Ca 2+ và PO43- ở pH = 6.
Quá trình catot hố diễn ra ở thế phân cực tại catot so với calomen bão hoà là

-24-


-2V, mật độ dòng catot đạt 10mA/cm2, nhiệt độ điện phân được duy trì ở
600C. Lớp màng HA được tạo ra trên vật liệu nền có chiều dày khoảng 100nm
trong vòng 10 phút, chiều dày của lớp màng HA tăng theo thời gian catot hoá
[41], [63].
- Phương pháp anot hoá: Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng
các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực anot. Catot
được làm bằng kim loại trơ, chẳng hạn như bạch kim. Hệ điện cực được đưa
vào dung dịch điện giải chứa các ion Ca 2+ và PO43- theo tỷ lệ Ca/P = 1,67.
Dưới tác dụng của điện áp một chiều từ 250 – 350V, trên anot sẽ xảy ra hiện
tượng phóng tia lửa điện tại các điểm dẫn điện tốt. Tại nơi này nhiệt độ có thể
lên đến 103- 104 độ Kenvin làm cho kim loại bị oxi hố, các oxit tạo thành bị
nóng chảy tạo thành một lớp oxit với chiều dày khoảng 1 – 2μm có độ xốp
cao. Lớp oxit này có điện trở lớn khi nguội và đóng rắn, làm cho hiện tượng
phóng tia lửa điện chuyển sang điểm có điện trở nhỏ hơn. Thời gian anot hoá
diễn ra trong khoảng 30 phút tạo ra một khối oxit có độ xốp cao. Tại các mao
quản của khối xốp này sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ các ion Ca 2+ và PO43-.
Quá trình hình thành các tinh thể HA phụ thuộc vào số lượng các mầm tinh

thể trong khi phóng điện và sự khuếch tán của các ion Ca 2+ và PO43- đến bề
mặt lớp oxit [37].
- Phương pháp điện di (EPD): Dựa trên hiện tượng chuyển dịch tương
đối của pha phân tán trong mơi trường phân tán dưới tác dụng của điện trường
ngồi [8.H]. Pha phân tán là các hạt HA kích thước nanomet, mơi trường phân
tán có thể là nước hoặc mơi trường mô phỏng dịch thể người SBF (Simulated
Body Fluid). Dưới tác dụng của điện trường phù hợp, các hạt huyền phù HA
tích điện âm và di chuyển về phía anot (gắn vật liệu nền) tạo ra một lớp màng
mỏng n – HA (màng HA có độ dày cỡ nanomet) trên bề mặt chi tiết với độ
bám dính cao [41].

-25-