nghiên cứu tổng hợp vật liệu biphasic calcium phosphate bằng phƣơng pháp kết tủa kết hợp sóng siêu âm

i

MỤC LỤC

MỤC LỤC i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU v
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 KHÁI QUÁT VỀ CALCIUM PHOSPHATE
1.1.1 Tình hình nghiên cứu 4
1.1.2 Ƣu điểm của BCP 5
1.1.3 Các ứng dụng của BCP 5
1.1.4 Ứng dụng của HAp bột 6
1.1.5 Ứng dụng của HAp dạng xốp 7
1.1.6 Ứng dụng của HAp dạng composit 9
1.2 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BIPHASIC CALCIUM
PHOSPHATE
1.2.1 Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 10
1.2.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 11
1.2.3 Phƣơng pháp phân tích quang phổ hồng ngoại (FTIR) 12
1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP HAp
1.3.1 Phƣơng pháp ƣớt ……………………………………………………… 13
1.3.2 Phƣơng pháp khô 19
CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
2.1 DỤNG CỤ, THIẾT BỊ, HÓA CHẤT
2.1.1 Dụng cụ 21
2.1.2 Thiết bị 21
2.1.3 Hóa chất 21
ii

2.2 QUY TRÌNH TỔNG HỢP BCP
2.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
2.3.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 23
2.3.2 Phƣơng pháp phân tích quang phổ hồng ngoại (FTIR). 23
2.3.3 Phƣơng pháp chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 24
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1.1 Kết quả phân tích XRD của HAp và β-TCP 25
3.1.2 Kết quả chụp IR của β-TCP và HAp 29
3.1.3 Kết quả chụp SEM của β-TCP và HAp tại tỉ lệ mol Ca/P= 1,57 31
KẾT LUẬN- KIẾN NGHỊ 32
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC













iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

β–TCP: β-tricalcium phosphate
BCP: Biphasic calcium phosphate
HAp: Hydroxyapatite
FTIR: Fourier Transform Infrared (Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại).
SEM: Scanning Electron Microscope (Phương pháp kính hiển vi điện tử quét )
XRD: X-ray diffraction (Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X)


















iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. BCP dạng bột, dạng viên và các khối đặc, xốp 6
Hình 1.2. Dạng gel của BCP 6
Hình 1.3. Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HAp dạng vi tinh thể 7
Hình 1.4. Quá trình tạo lớp men trên bề mặt răng 8
Hình 1.5. Gốm y sinh HAp tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau 8
Hình 1.6. Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HAp dạng khối xốp hoặc dạng
hạt 9
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X 10
Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý của SEM 12
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa 14
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy 16
Hình 1.11. Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm 17
Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học 18
Hình 3.1 Giản đồ XRD của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,53 phụ thuộc vào pH:
(a) pH=7, (b) pH=9 và (c) pH=11 25
Hình 3.2 Giản đồ XRD của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,57 phụ thuộc vào pH:
(a) pH=7, (b) pH=9 và (c) pH=11 26
Hình 3.3 Giản đồ XRD của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,61 phụ thuộc vào pH:
(a) pH=7, (b) pH=9 và (c) pH=11 26
Hình 3.4 Phổ FTIR của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,53 tùy thuộc vào pH của
dung dịch: (a) pH=7, (b) pH=9 và (c) pH=11 29
Hình 3.5 Phổ FTIR của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,57 tùy thuộc vào pH của
dung dịch: (a) pH=7, (b) pH=9 và (c) pH=11 29
Hình 3.6 Phổ FTIR của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,61 tùy thuộc vào pH của
dung dịch: (a) pH=7, (b) pH=9 và (c) pH=11 30
Hình 3.7 Hình ảnh (SEM) của β-TCP và HAp tại tỉ lệ Ca/P=1,57 phụ thuộc vào pH
của dung dịch ban đầu: (a,d) pH=7, (b, e) pH=9 và (c, f) pH=11 31
v

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Bước sóng đặc trưng của các nhóm chức 13
Bảng 2: Tổng hợp các thông số và phần trăm khối lượng của β-TCP và HAp theo tỉ
lệ mol Ca/P 27













1

LỜI MỞ ĐẦU

Vật liệu y sinh đã và đang được nghiên cứu mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu thay
thế các bộ phận cơ thể, cấy ghép mô, xương của con người, hứa hẹn cho việc chữa
trị và tái tạo các mô và cơ quan bị mất hoặc bị tổn thương do chấn thương, bệnh tật
hoặc lão hóa. Trong những năm gần đây, con người đã đạt được những tiến bộ đáng
kể trong việc cấy ghép nội tạng, phẫu thuật tái tạo và sử dụng mô nhân tạo để điều
trị, cấy ghép các cơ quan nội tạng hoặc mô xương. Trong lĩnh vực vật liệu dùng cho
xương, nhiều loại vật liệu dùng trong cấy ghép và thay thế xương đã phát triển đáng
kể trong những thập kỉ qua, những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới
quan tâm đến vật liệu biphasic calcium phosphate (BCP). Biphasic calcium

phosphates là vật liệu có khả năng liên kết sinh hóa với tế bào sống, giúp cho các tế
bào xương sau khi bị thương tổn tiếp tục tái sinh và liên kết trực tiếp với bề mặt vật
cấy, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không
bị cơ thể đào thải. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế BCP kích thước nano
(trong khoảng 20 – 100nm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ cơ thể [13].
 Lý do chọn đề tài
Ở nước ta, các vật liệu vô cơ có khả năng ứng dụng trong y sinh học 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, để góp phần hoàn thiện quy trình chế tạo BCP kích
thước nano ứng dụng trong y sinh học tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp
vật liệu biphasic calcium phosphate bằng phƣơng pháp kết tủa kết hợp sóng
siêu âm.”
 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu tổng hợp biphasic calcium phosphate bằng phương pháp kết tủa
kết hợp sóng siêu âm. Khảo sát ảnh hưởng của pH và tỉ lệ mol Ca/P đến kết quả
tổng hợp biphasic calcium phosphate.

2

 Nội dung nghiên cứu
- Tổng hợp biphasic calcium phosphate (HAp & β-TCP) từ calcium chloride
và trisodium phosphate.
- Khảo sát ở các môi trường pH=7, pH=9, pH=11.
- Khảo sát tỉ lệ mol Ca/P= 1,53; Ca/P= 1,57; Ca/P= 1,61.
 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Xác định cấu trúc bằng phương pháp XRD (phân tích nhiễu xạ tia X) [13].
- Xác định các nhóm chức bằng phương pháp phân tích FTIR (quang phổ hồng
ngoại) [13].
- Chụp bề mặt mẫu bằng phương pháp chụp SEM ( kính hiển vi điện tử quét)
[13].

 Bố cục
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 3: Kết quả và thảo luận













3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 KHÁI QUÁT VỀ CALCIUM PHOSPHATE
Calcium phosphates với các đặc tính phù hợp dùng làm vật liệu sinh học đang
thu hút nhiều sự chú ý của khoa học trong ứng dụng làm vật liệu cho xương.
Calcium phosphate có tính tương hợp sinh học, hoạt tính sinh học cao và khả năng
chữa lành xương do có thành phần và cấu trúc tương tự thành phần khoáng trong
xương. Ngoài ra calcium phosphate còn có độ hấp thụ cao đối với các protein như
fibronectin và vitronectin. Vì vậy, khi sử dụng calcium phosphate có thể tăng cường
sự kết dính của các tế bào tạo xương. Mặt khác calcium phosphate bên trong cơ thể
từ từ hòa tan để giải phóng ion calcium và phosphate có lợi trong việc hình thành

xương. Sản phẩm của quá trình phân hủy calcium phosphate hình thành carbonated
apatite; carbonated apatite hình thành có thành phần và cấu trúc hóa học giống với
pha khoáng trong xương hơn và có hoạt tính sinh học. Ngoài ra, nano calcium
phosphate có hoạt tính sinh học cao hơn, các hạt calcium phosphate ở kích thước
nano được dùng trong cấy ghép mô với tính tương hợp sinh học được cải thiện đáng
kể [3].
Calcium phosphate được dùng trong lĩnh vực y sinh được biết đến như:
- Hydroxyapatite (HAp) [1]
- β-tricalcium phosphate (β–TCP) [1]
- Biphasic calcium phosphate (BCP) [1]
Chúng không những khác nhau về thành phần mà còn khác nhau về độ tan,
tính tương hợp sinh học, tính chất cơ lý. Biphasic calcium phosphate (BCP, hỗn hợp
của HAp và β –TCP) được quan tâm nghiên cứu do BCP ảnh hưởng tốt đến quá
trình tái tạo xương hơn HAp hoặc TCP. BCP có tốc độ tan phù hợp với tốc độ tái
tạo của xương [13].



4

1.1.1 Tình hình nghiên cứu
 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
- Năm 1986, Moore và Chapman đã chế tạo được miếng ghép tổ hợp giữa hai
pha HA và β –TCP [3].
- Năm 1989 Daculsi.G đã nghiên cứu sự thay đổi tính chất hóa lý của BCP
trong ống nghiệm [9].
- Năm 2003 Bagot.D đã nghiên cứu ứng dụng vật liệu xốp BCP trong phẫu
thuật xương tai [6].
- Năm 2003 Nich.C đã nghiên cứu ứng dụng vật liệu xốp BCP cấy ghép trong
xương hông [19].

- Năm 2003 Rochet.N đã nghiên cứu ảnh hưởng của BCP lên tế bào xương
người [21];
- Năm 2005 Livingston AT đã nghiên cứu ảnh hưởng của BCP lên tế bào gốc
của người tạo nên sự hình thành xương [16];
- Năm 2006 Ogose.A đã nghiên cứu đánh giá mô học BCP ghép trên xương
người [20].
- Năm 2006 Mastrogiacomo đã nghiên cứu ảnh hưởng của BCP lên sự tạo
thành xương trong ống nghiệm [17].
- Năm 2007 Byong-Taek Lee và đồng nghiệp đã tổng hợp bột BCP kích
thước nano dạng hình cầu bằng phương pháp sử dụng vi sóng [8].
- Năm 2008 Sun H đã nghiên cứu tính dẫn xương của BCP trên tế bào gốc
[22].
- Năm 2013 Wen-Yu Su đã nghiên cứu BCP dùng làm chất mang thuốc
Gentamicin chống viêm tủy xương [26].
 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc.
- Năm 2005, Đỗ Ngọc Liên đã nghiên cứu quy trình tổng hợp bột và chế thử
gốm xốp hydroxyapatit [3].
- Năm 2009, Vũ Thị Dịu đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột
hydroxyapatite kích thước nano điều chế từ canxi hydroxit [1].
5

- Năm 2011, Nguyễn Văn Hưởng đã khảo sát quá trình tách và một số đặc
trưng của canxi hydroxyapatite từ xương động vật [2].
- Năm 2012, Nguyễn Minh Kha, Huỳnh Kì Phương Hạ, Phạm Thị Ngọc Trâm,
khoa kĩ thuật hóa học trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh đã tổng hợp
nano tinh thể hydroxyapatite bằng phương pháp sol-gel [4].
- Năm 2012, Trần Thanh Trước, Tạ Văn Tấn, Lê Thị Mỹ Hoa trường Đại học
Công nghiệp Thực phẩm –TPHCM đã nghiên cứu tổng hợp bột nano biphasic
calcium phosphate bằng phương pháp microwave [5].
1.1.2 Ƣu điểm của BCP

Năm 1983, Klein và các đồng nghiệp lần đầu tiên tạo ra chi tiết ghép xương
bằng gốm chứa 100% HAp. 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. Sau thí nghiệm của Klein một
nhóm các nhà khoa học khác, đứng đầu là L.Geroa chế tạo chi tiết ghép xương chứa
100% pha β -TCP thì tốc độ phát triển xương non quá nhanh và như vậy cũng sẽ
đưa đến kết quả không tốt cho yêu cầu phát triển của xương [3].
Chính vì vậy việc chế tạo loại miếng ghép tổ hợp 2 pha với 2 loại HAp và
β-TCP sẽ cho ra loại vật liệu có hoạt độ và tính tương thích sinh học tốt hơn [3].
BCP là một tiềm năng tốt nhất cho ghép xương vì có thành phần rất gần với các
khoáng chất sinh học của xương, phóng thích các ion Ca
2+
và PO
4
3-
giúp tạo xương
[11].
1.1.3 Các ứng dụng của BCP
-BCP tổng hợp có hoạt tính và khả năng thích ứng sinh học tốt nên được sử
dụng rộng rãi về phương diện lâm sàng dưới dạng bột, viên, các khối đặc, xốp và
các loại composite khác nhau [11].

6


Hình 1.1. BCP dạng bột, dạng viên và các khối đặc, xốp [11]

Hình 1.2 Dạng gel của BCP [11]

1.1.4 Ứng dụng của HAp 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 HAp. Có thể bổ sung canxi cho cơ thể người
bằng cách dùng thức ăn … Một phương pháp hữu hiệu là sử dụng HAp ở dạng bột
mịn, kích thước nano để bổ sung canxi [2] [14].
 Đối với bột HAp có kích thước hạt khoảng 150nm trở lên, quá trình thiêu
kết để tạo gốm HAp rất khó khăn. Quá trình kết khối diễn ra ở nhiệt độ khá cao
(1000 – 1200
0
C) trong thời gian dài (2–3 giờ), làm cho gốm HAp bị phân huỷ thành
các hợp chất không mong muốn, có hại cho cơ thể. Với kích thước nano (từ 20-
100nm), nhiệt độ kết khối của HAp bột giảm xuống chỉ còn khoảng 800–1000
0
C
7

trong thời gian từ ½ giờ đến 1 giờ. Điều này làm cho việc chế tạo gốm y sinh học từ
HAp có chất lượng cao, thuận lợi và dễ dàng hơn [2].
Hình 1.3 là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung
canxi sử dụng nguyên liệu HAp bột dạng vi tinh thể đang được lưu hành trên thị
trường [2] [14].

Hình 1.3: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HAp dạng vi tinh thể [1]

1.1.5 Ứng dụng của HAp dạng xốp
Vật liệu gốm xốp HAp có tính tương 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, HAp
dạng gốm xốp được ứng dụng đặc biệt rộng rãi trong y sinh học như [5]:
- Sửa chữa những khuyết tật của răng: các nhà khoa hoc Nhật Bản đã thành
công trong viêc tạo ra một hỗn hợp gồm HAp 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 HAp mới tạo thành lớp men răng cứng chắc, “bắt chước” theo đúng tinh thể
HAp của lớp men răng tự nhiên ở dưới [5] [13].
8


Hình 1.4 Quá trình tạo lớp men trên bề mặt răng [5]
Giai đoạn a: Lớp men HAp cũ, cần thay thế trên bề mặt răng bị phân huỷ bởi
dung dịch H
2
O
2
+ H
3
PO
4
. Hợp chất H
2
O
2
còn có tác dụng loại bỏ các chất bẩn tồn

tại trên răng [5] [13].
Giai đoạn b: Các ion Ca
2+
, PO
4
3-
, OH
-
trong các polime sinh học dạng bột nhão
tạo thành vi tinh thể HAp kích thước nano. Hỗn hợp này được phủ lên bề mặt răng
cũ để tạo thành lớp men răng mới [5] [13].
- Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa những khuyết tật của
xương [5] [25] :

Hình 1.5 : Gốm y sinh HAp tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau [5]
Tuỳ thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra các
sản phẩm gốm HAp (Hình 1.6) có kích thước và độ xốp khác nhau. Sau đó, gia
công các sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HAp ở
dạng hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xương [5] [25].
9


Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HAp dạng khối xốp hoặc dạng
hạt [1]
Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HAp như:
- Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [1].
- Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [1].
- Gần đây, người ta phát hiện HAp dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân
tán insulin trong ruột [1].
Tuy nhiên, gốm HAp còn có một nhược điểm là độ bền nén, độ bền uốn thấp.

Tồn tại này cản trở viêc áp dụng gốm HAp vào các chi tiết đòi hỏi chịu lực lớn [1].


1.1.6 Ứng dụng của HAp dạng composit
Bản chất của gốm xốp và màng HAp 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 HAp
bột vào các polyme sinh học như collagen, chitosan, xenlulo, đường sacaro… . 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 còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông
qua các nhóm chức của mình. Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composit
chứa HAp [5] [12].

10

1.2 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU BIPHASIC CALCIUM
PHOSPHATE
1.2.1 Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD)
Phương pháp XRD được dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, có
thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể với độ tin cậy cao [1].
Nguyên lý của phương pháp là xác định cấu trúc tinh thể dựa vào hình ảnh
khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ. Mạng tinh thể nguyên tử hay
ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định. Khoảng cách giữa
các nút mạng vào khoảng vài ăngstron (
0
A
) xấp xỉ với bước sóng của tia Rơnghen
[1].
Một chùm electron đã được gia tốc, có năng lượng cao, đang chuyển động

nhanh, bị hãm đột ngột bằng một vật cản, một phần năng lượng của chúng chuyển
thành bức xạ sóng điện từ (tia X) gọi là bức xạ hãm [1].
Khi một chùm tia X có bước sóng  và cường độ I đi qua vật liệu, nếu tia tới
thay đổi phương truyền và thay đổi năng lượng gọi là tán xạ không đàn hồi. Khi tia
tới thay đổi phương truyền nhưng không thay đổi năng lượng gọi là tán xạ đàn hồi.
Trường hợp vật liệu đang nghiên cứu có cấu trúc tinh thể thì hiện tượng tán xạ đàn
hồi của tia X sẽ đưa đến hiện tượng nhiễu xạ tia X. Hiện tượng này chỉ xảy ra với ba
điều kiện: Vật liệu có cấu trúc tinh thể; có tán xạ đàn hồi; bước sóng của tia X (tia
tới) có giá trị cùng bậc với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể [1].


Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X [1]
11

Trong mạng lưới tinh thể luôn tồn tại họ các mặt phẳng song song, cách đều
nhau một khoảng bằng d. Một chùm tia X có bước sóng  chiếu tới bề mặt của
mạng lưới tinh thể với một góc  sẽ bị phản xạ trở lại. Tất cả các tia phản xạ đó tạo
nên chùm tia X song song có cùng một bước sóng và có phương truyền làm với
phương tia tới một góc 2. Khi hiệu số pha giữa các tia X phản xạ là 2n (n là số
nguyên), tại điểm hội tụ chùm tia X sẽ có vân giao thoa với cường độ ánh sáng cực
đại [1].
1.2.2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Nguyên tắc của phương pháp hiển vi điện tử quét là dùng chùm điện tử quét
lên bề mặt mẫu và thu nhận lại chùm tia phản xạ. Qua việc xử lý chùm tia phản xạ
này, có thể thu được những thông tin về hình ảnh bề mặt mẫu để tạo ảnh của mẫu
nghiên cứu [1].
Phương pháp kính hiển vi điện tử quét cho phép quan sát mẫu với độ phóng
đại rất lớn, từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần [1].
Chùm điện tử được tạo ra từ catot qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lên mẫu
nghiên cứu. Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứ cấp [1].

Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành tín
hiệu sáng, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên
màn hình [1].
Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình. Độ sáng tối trên
màn hình phụ thuộc lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu, đồng thời còn phụ
thuộc bề mặt của mẫu nghiên cứu. Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu
được những bức ảnh rõ nét và không đòi hỏi khâu chuẩn bị mẫu quá phức tạp[1].
12


Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý của SEM [1]

1.2.3 Phƣơng pháp phân tích quang phổ hồng ngoại (FTIR)
Phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại là một trong những kĩ thuật phân
tích rất hiệu quả. Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp phổ
hồng ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X,
cộng hưởng điện từ ) là phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử
nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp [1].
Kĩ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chất hóa học có khả năng
hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các
phân tử của các hợp chất hóa học dao động với nhiều vận tốc dao động và xuất hiện
dải phổ hấp thụ và gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại [1].
Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm
chức đặc trưng và các liên kết trong phân tử hợp chất hóa học [1].
Bột BCP được phân tích FTIR để xác định sự có mặt của các nhóm chức:
OH
-
, PO
4
3-

[13]. Bước sóng đặc trưng cho các nhóm chức có thể có mặt trong bột
BCP được trình bày ở bảng sau [3]:




13

Bảng 1: Bước sóng đặc trưng của các nhóm chức [3]
Nhóm chức
Bước sóng (cm
-1
)
H – O Stretch
C – O Stretch
P – O Str (H
3
PO
4
)
CO
3
2-
Stretch
P – O Stretch
P – O Stretch
H – O Bend
O – P – O Bend
3570
2345

1649
1545 – 1445
1091
962
632
576


1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP HAp
Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, HAp 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 HAp [5].
1.3.1 Phƣơng pháp ƣớt
Đây là phương pháp chế tạo HAp 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 HAp theo mong muốn [1].






14

1.3.1.1 Phương pháp kết tủa
Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa được thể hiện qua hình 1.9:

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa [5]
Việc tổng hợp HAp bằng cách kết tủa từ các ion Ca
2+
và PO
4
3-
có thể thực hiện
theo nhiều cách khác nhau, có thể phân ra thành hai nhóm chính [5]:
a) Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca
2+
và
3
4
PO

dễ tan trong nước:
Các muối hay được dùng là Ca(NO

3
)
2
, CaCl
2
, (NH
4
)
2
HPO
4
, NH
4
H
2
PO
4
… .
Phản ứng diễn ra theo phương trình (1.1) được coi là phương pháp cơ bản để tổng
hợp HAp [5]:
10Ca(NO
3
)
2
+ 6(NH
4
)
2
HPO
4

+ 8NH
4
OH  Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
+ 20NH
4
NO
3
+ 6H
2
O
(1.1)
Lượng Ca(NO
3
)
2
và (NH
4
)
2
HPO
4
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 (NH
4
)
2
HPO
4
vào cốc đựng Ca(NO
3
)
2
trên máy khuấy từ (tốc
Dung dịch
PO
4
3-
Dung dịch điều
chỉnh pH
Dung dịch
Ca
2+
Kết tủa
HAp
Ly tâm, sấy
Sản phẩm
Khuấy, gia
nhiệt
15

độ 300 – 400 vòng/phút). Bổ sung dung dịch NH
4

OH để đảm bảo phản ứng diễn ra
trong môi trường pH = 10 – 12 [5].
Sau khi nhỏ hết lượng dung dịch (NH
4
)
2
HPO
4
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
0
C và bảo quản tránh tiếp xúc với
không khí [5].
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, CaCO
3
… với axit H
3
PO
4
trong môi
trường kiềm [1][26]. Ví dụ:
10Ca(OH)

2
+ 6H
3
PO
4
= Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
+ 18H
2
O (1.2)
Trong quá trình điều chế, yếu tố pH cũng đóng vai trò quan trọng. Độ pH 9 –
10 được điều chỉnh bằng cách thêm từ từ H
3
PO
4
vào Ca(OH)
2
[5] [10].
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 HAp. Để nhận được sản phẩm
HAp bột có kích thước mong muốn thì ngoài các yếu tố trên, cần quan tâm đến sự
kết tinh của HAp trong suốt quá trình tổng hợp [5].
1.3.1.2 Phương pháp sol – gel
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 môi trường đó. Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé đó được gọi là pha phân tán,
môi 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) [1] [24].
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 không gian chứa đựng trong nó phần còn 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
16

chuyển thành gel hoặc ngược lại tuỳ thuộc điều kiện. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá
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…[1] [24].
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 toàn 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 [1] [24].
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, sợi và dạng hạt có
chất lượng tốt [1] [24].
1.3.1.3 Phương pháp phun sấy
Hình 1.10 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy. Dung dịch chứa các
ion Ca

2+
và PO
4
3-
(tỷ lệ Ca/P = 1,67) được phun vào thiết bị cùng với khí nén.

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy
Tốc độ phun dung dịch được điều chỉnh bằng áp suất khí nén và dòng khí khô
sao cho phản ứng tạo HAp xảy ra hoàn toàn, bột HAp được sấy khô khi rơi đến đáy
của cột thuỷ tinh gia nhiệt. Sản phẩm HAp dạng bột được lấy ra định kỳ qua bộ
phận lắng tĩnh điện. Đây là phương pháp chế tạo bột HAp dạng liên tục, năng suất
cao, phù hợp với quy mô sản xuất vừa và lớn [1] [15].
17

1.3.1.4 Phương pháp siêu âm hoá học
Trong thực tế, để chế tạo HAp bột có kích thước “siêu mịn”, có thể tiến hành
phản ứng hoá học trong môi trường sóng có cường độ lớn như vi sóng hay sóng siêu
âm[11].
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 không
trong môi 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, không
hấp thu năng lượng được nữa thì dưới áp lực từ chất lỏng bên ngoài, bọt sẽ vỡ vào
trong (hình 1.11). Hiện tượng này sinh ra một lượng nhiệt tại ngay thời điểm đó gọi
là sự toả nhiệt điểm (host – spot). Tuy nhiên, môi 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. Quá trình tạo và vỡ bọt đóng vai trò nhận
và tập trung năng 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 [1].

Hình 1.11: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm[1]
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 [1].
18

Hình 1.12 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 HAp bột có
kích thước nanomet [1] [24].

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học [1]
1.3.1.5 Phương pháp composit
Phương pháp composit được sử dụng để chế tạo các vật liệu dạng khối xốp
chứa HAp. HAp được sử dụng thường ở dạng hạt, chất nền là các phân tử polyme.
Sự kết hợp của hạt HAp 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 [5].
Để chế tạo vật liệu composit chứa HAp, cation Ca
2+
được phân tán đều trong
mạng lưới polyme sau đó các anion PO
4
3-

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 HAp trước, sau đó phân tán chúng vào mạng lưới polyme nhằm
ngăn không cho các tinh thể HAp 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 còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học
thông qua các nhóm chức của mình. Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu
composit chứa HAp [5].
19

1.3.2 Phƣơng pháp khô
1.3.2.1 Phương pháp phản ứng pha rắn
Đây là phương pháp tổng hợp HAp trên cơ sở thực hiện các phản ứng pha rắn.
Nguyên liệu ban đầu có thể là: Ca
3
(PO
4
)
2
và Ca
4
P
2
O
9
, Ca
3
(PO

4
)
2
và CaO,… được
trộn đều theo tỷ lệ Ca/P = 1,7; sau đó tiến hành phản ứng ở nhiệt độ khoảng 1000
0
C,
trong hệ kín. Phản ứng tạo HAp diễn ra như sau [5] [18]:
2Ca
3
(PO
4
)
2
+ Ca
4
P
2
O
9
+ H
2
O

Ca
10
(PO
4
)
6

(OH)
2
(1.3)
3Ca
3
(PO
4
)
2
+ CaO + H
2
O

Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
(1.4)
Nhược điểm của phương pháp này là cần thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao
trong thời gian dài.
Cũng có thể chế tạo HAp bột và khối xốp bằng phản ứng pha rắn giữa
Ca
3
(PO
4
)

2
và Ca(OH)
2
ở nhiệt độ thấp (250 – 300
0
C) trong áp suất khí quyển:
3Ca
3
(PO
4
)
2
+ Ca(OH)
2


Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
(1.5)
Các phản ứng pha rắn này thường được áp dụng để chế tạo HAp dạng khối
xốp. Hỗn hợp nguyên liệu rắn ban đầu được ép nén để tạo ra các chi tiết có hình
dạng và độ xốp mong muốn. Sau phản ứng, sản phẩm vẫn giữ nguyên được hình
dạng và cấu trúc xốp ban đầu. Chính nhờ những ưu điểm này mà phương pháp phản
ứng pha rắn này thích hợp cho việc chế tạo gốm y sinh với các chi tiết phức tạp [5]

[18].
1.3.2.2 Phương pháp hoá - cơ
Bằng phương pháp hoá – cơ, có thể chế tạo HAp bột bằng phản ứng giữa hai
pha rắn CaCO
3
và CaHPO
4
.2H
2
O [5]:
4CaCO
3
+ 6CaHPO
4
.2H
2
O

Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
+ 4H
2
CO
3

(1.6)
Hoặc bằng các phản ứng sau [5]:
2Ca
3
(PO
4
)
2
+ Ca
4
P
2
O
9
+ H
2
O

Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
(1.7)
2Ca
3
(PO

4
)
2
+ CaO + H
2
O

Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
(1.8)
Nguyên lý của phương pháp này là tác động một lực ma sát lớn giữa bi và má
nghiền của bi đến các cấu tử của hai pha rắn. Lực này cần phải đủ mạnh để tạo ra sự
20

khuếch tán nội, tiến tới phản ứng hoá học giữa hai pha rắn tạo ra pha rắn thứ ba [5]
[18].
Ưu điểm của phương pháp là điều kiện phản ứng đơn giản, dễ thực hiện.
Nhược điểm là thời gian phản ứng dài, sản phẩm HAp nhận được dễ bị lẫn tạp chất
do sự mài mòn của bi và má nghiền [5] [18].