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


1
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

2
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

3
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

4
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

5
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 – P
2
O
5
– H
2
O ở 25
0
C 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

6
Hình 3.5: Phổ FTIR của các mẫu HA đƣợc tách ra ở điều kiện áp suất thƣờng (T2, T5)
và nung ở 700
0
C (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 700
0
C
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 700
0
C trong 2
giờ 63
Hình 3.13: Giản đồ FTIR của các mẫu HA NB4, T6, P6, A6 nung ở 700
0
C, 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


7
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 (D
t.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
700
0
C 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 700
0
C 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


8
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 Ca
5
F(PO
4
)
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 Ca
5
(PO
4
)
3
(OH) hay Ca
10
(PO

4
)
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)

9
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.







10
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tính chất của hyđroxyapatit
1.1.1. Tính chất vật lý
Hydroxyapatite (HA), Ca

10
(PO
4
)
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 1760
0
C và nhiệt độ sôi 2850
0
C, độ tan trong nƣớc 0,7 g/l, khối
lƣợng mol phân tử 1004,60 g, khối lƣợng riêng là 3,156 g/cm
3
, 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).

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 100
0
C, còn dạng đơn tà chủ yếu đƣợc sinh ra khi nung dạng lục
phƣơng ở 850
0
C 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].
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)

11
Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA gồm các ion Ca
2+
, PO
4
3-
và OH

-
đƣợc sắp
xếp nhƣ hình 1.2a. Ô mạng này có dạng hình lục phƣơng, thuộc nhóm không gian
P6
3
/m với các hằng số mạng a là 0,9417 nm, b: 0,9417 nm và c: 0,6875 nm, α = β =
90
0
và γ = 120
0
[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 P2
1
/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 = 90
0
và γ = 120
0
.
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:
Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
+ 2HCl

3Ca
3
(PO
4
)
2
+ CaCl
2
+ 2H
2
O (1)
HA tƣơng đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800
0

C đến
1200
0
C tạo thành oxy-hydroxyapatite theo phản ứng:
Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2


Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2-2x
O
x
+ xH
2
O (0

x


1) (2)

12
Ở nhiệt độ lớn hơn 1200
0
C, HA bị phân huỷ thành β - Ca
3
(PO
4
)
2
(β – TCP) và
Ca
4
P
2
O
9
hoặc CaO:
Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2


2β – Ca

3
(PO
4
)
2
+ Ca
4
P
2
O
9
+ H
2
O (3)
Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2


3β – Ca
3
(PO
4
)
2

+ CaO + H
2
O (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].

13
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 Ti
6
Al
4
V 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

14
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].

15

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

16
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
Ca
3
(PO
4
)
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].

17
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
Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
(HA) và Tricalicium phosphate Ca
3
(PO
4
)
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 – P
2
O
5
– H
2
O, 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 – P
2
O
5
– H
2
O ở 25
0
C
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 Ca
3
(PO
4
)
2
đến vùng chứa tetracanxi photphat
Ca
3
(PO
4
)
2
.CaO, xuất hiện các tinh thể Ca
9
(HPO
4
)(PO
4
)

5
OH (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

18
theo đúng tỷ lệ hợp thức Ca
10
(PO
4
)
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:











Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa

Việc tổng hợp HA 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:
a) Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca
2+
và
3
4
PO

dễ tan trong nước:
Các muối hay đƣợc dùng là Ca(NO
3
)
2
, CaCl
2
, (NH
4
)
2
HPO
4
, NH
4
H

2
PO
4
… [24].
Phản ứng diễn ra theo phƣơng trình (5) đƣợc coi là phƣơng pháp cơ bản để tổng hợp
HA:
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 (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
trƣờng kiềm. Ví dụ:
10Ca(OH)
2
+ 6H
3
PO
4
= Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2

+ 18H
2
O (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 H
3
PO
4
vào Ca(OH)
2
. H
3
PO
4
là một axit có độ
mạnh trung bình, phân ly theo 3 giai đoạn:
34
H PO



24
H PO H


pKa
1
= 2,2 (7)
24
H PO





2
4
HPO H


pKa
2
= 7,2 (8)
2
4
HPO




3
4
PO H


pKa
3
= 12,3 (9)
Dung dịch
PO
4

3-
Dung dịch điều
chỉnh pH
Dung dịch
Ca
2+
Kết tủa
HA
Ly tâm,
sấy
Sản phẩm
Khuấy,
gia nhiệt

19
Vì vậy nếu thêm axit với tốc độ cao, pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột, dẫn
đến sự phân ly axit không hoàn toàn, tạo ra các ion
2
4
HPO

và
24
H PO

.
Các yếu tố nhƣ nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ, môi trƣờng phản ứng… thƣờng
ảnh hƣởng đến chất lƣợng và hình dạng của tinh thể HA. Để nhận đƣợc sản phẩm HA
bột có kích thƣớc mong muốn thì ngoài 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
Ƣu điểm của phƣơng pháp sol – gel là tạo đƣợc 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
lƣợng tốt.
Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp sol – gel đƣợc thể hiện qua hình sau:






Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol – gel
1.4.1.3. Phương pháp phun sấy
Hình 1.11 là sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp phun sấy.

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy
Đây là phƣơng pháp chế tạo bột HA dạng liên tục, năng suất cao, phù hợp với
quy mô sản xuất vừa và lớn.


t
o

t
o

Khuấy
Khuấy
Sấy

DUNG DỊCH
SOL
GEL
AROGEL
XEROGEL
SẢN PHẨM

20
1.4.1.4 Phương pháp siêu âm hoá học
Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thƣớc “siêu mịn”, có thể tiến hành
phản ứng hoá học trong môi trƣờng sóng có cƣờng độ lớn nhƣ vi sóng hay sóng siêu
âm. Hình 1.12 là sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp siêu âm hoá học. Đầu phát siêu âm
đƣợc ngâm vào trong dung dịch để truyền năng lƣợng cho phản ứng hoá học. Phƣơng
pháp này thƣờng đƣợc kết hợp với phƣơng pháp kết tủa để tạo HA bột có kích thƣớc
nanomet.

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học
1.4.1.5. Phương pháp compozit
Để chế tạo vật liệu composit chứa HA, cation Ca
2+
đƣợc phân tán đều trong
mạng lƣới polyme sau đó các anion
3
4
PO

và OH
-
đƣợc đƣa vào dƣới 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 trƣớc, sau đó phân tán chúng vào mạng lƣới 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 còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các
nhóm chức của mình, do vậy chúng có tính tƣơng thích và phân hủy sinh học cao. Đây
cũng là những ƣu điểm vƣợt trội của vật liệu compozit chứa HA.

21
Ví dụ, có thể tóm tắt quá trình tổng hợp HA bằng phƣơng pháp composit với
chitosan (CS) theo sơ đồ sau:

Hình 1.13: Sơ đồ tổng hợp composit HA – CS
Khi tỷ lệ CS/HA tăng lên thì sự phân tán các hạt HA vào mạng CS sẽ tốt hơn,
do đó kích thƣớc 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 thƣờng sử dụng
các kim loại trơ sinh học nhƣ titan, thép không gỉ hay các hợp kim để thay thế hay nối
ghép các bộ phận của xƣơng. Mặc dù các kim loại này có độ bền cao nhƣng không có
khả năng tƣơng thích sinh học, bị ăn mòn theo thời gian nên các mô tế bào không có
khả năng phát triển trên các kim loại đó. Các bệnh nhân sẽ cảm thấy đau đớn và khó
Thêm từ từ NaOH 1,25M
Khống chế ở pH = 11
CS
Dung dịch axit axetic
Dung dịch
CS
Bình phản
ứng
Kết tủa
HA
Sản phẩm
Dung dich NaH
2
PO
4

Dung dich CaCl
2
1M

Tỷ lệ mol
Ca/P = 1,67
Ly tâm, sấy khô

22
chịu khi có những vật lạ nằm trong cơ thể. Để tăng độ cứng, độ bền cơ – hoá và tính
tƣơng thích sinh học của chi tiết cấy ghép, ngƣời 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 phƣơng pháp vật lý nhƣ 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, thƣờng dao động từ 15 – 30 MPa, trong khi đó yêu cầu tối thiểu phải đạt khoảng
50 MPa mới đảm bảo tuổi thọ và tránh sự thoái hoá sớm của vật liệu ghép.
a. Phương pháp kết tủa catot
Nguyên tắc của phƣơng pháp là sử dụng các vật liệu sinh học bằng kim loại
hoặc hợp kim làm điện cực catot, điện cực này đƣợc nhúng vào bể điện phân với chất
điện giải là dung dịch bão hoà các ion Ca
2+
và PO
4
3-
ở pH = 6. Quá trình catot hoá diễn
ra ở thế phân cực tại catot so với calomen bão hoà là -2V, mật độ dòng catot đạt
10mA/cm
2
, nhiệt độ điện phân đƣợc duy trì ở 60
0
C. Lớp màng HA đƣợc 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.
b. Phương pháp anot hoá

Nguyên tắc của phƣơng pháp này là sử dụng các vật liệu sinh học bằng kim loại
hoặc hợp kim làm điện cực anot. Catot đƣợc làm bằng kim loại trơ, chẳng hạn nhƣ
bạch kim. Hệ điện cực đƣợc đƣa vào dung dịch điện giải chứa các ion Ca
2+
và
3
4
PO


theo tỷ lệ Ca/P = 1,67. Dƣới tác dụng của điện áp một chiều từ 250 – 350 V, trên anot
sẽ xảy ra hiện tƣợng phóng tia lửa điện tại các điểm dẫn điện tốt. Tại nơi này nhiệt độ
có thể lên đến 10
3
- 10
4
độ Kenvin làm cho kim loại bị oxi hoá, các oxit tạo thành bị
nóng chảy tạo thành một lớp oxit với chiều dày khoảng 1 – 2 μm có độ xốp cao. Lớp
oxit này có điện trở lớn khi nguội và đóng rắn, làm cho hiện tƣợng 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 tƣợng hấp thụ các ion Ca
2+
và
3
4
PO

. Quá trình hình thành các tinh thể HA phụ
thuộc vào số lƣợng các mầm tinh thể trong khi phóng điện và sự khuếch tán của các

ion Ca
2+
và
3
4
PO

đến bề mặt lớp oxit.
c. Phương pháp điện di (EPD)
Dựa trên hiện tƣợng chuyển dịch tƣơng đối của pha phân tán trong môi trƣờng
phân tán dƣới tác dụng của điện trƣờng ngoài [8.H]. Pha phân tán là các hạt HA kích

23
thƣớc nanomet, môi trƣờng phân tán có thể là nƣớc hoặc môi trƣờng mô phỏng dịch
thể ngƣời SBF (Simulated Body Fluid). Dƣới tác dụng của điện trƣờng 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.

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện di
Phƣơng pháp điện di tạo đƣợc lớp màng n – HA có độ bám dính tốt, lớn hơn 60
MPa, dòng tự ăn mòn chạy qua màng n – HA nhỏ hơn 300 lần so với dòng tự ăn mòn
của màng µ - HA (màng HA có độ dày cỡ µm).
1.4.1.7. Phương pháp thuỷ nhiệt (hoá nhiệt)
Phƣơng pháp này đƣợc dùng chủ yếu để chế tạo HA xốp và gốm xốp. Nhìn
chung, sản phẩm HA thu đƣợc vẫn giữ nguyên hình thái và cấu trúc xốp giống nhƣ
khung xƣơng tự nhiên của động vật thân mềm ban đầu (san hô, mai mực, vỏ trai, vỏ
ốc…). Với cấu trúc xốp sinh học nhƣ vậy, vật liệu này có khả năng tƣơng thích sinh
học với cơ thể con ngƣời tốt hơn so với gốm xốp HA tổng hợp bằng những phƣơng
pháp khác.

Khung xƣơng của các động vật thân mềm (san hô, mai mực, vỏ sò…) có thành
phần chủ yếu (hơn 98%) là CaCO
3
dạng aragonit. Phản ứng thuỷ nhiệt xảy ra giữa
CaCO
3
với dung dịch (NH
4
)
2
HPO
4
trong thiết bị kín autoclave, có gia nhiệt. Do mai
mực có độ xốp rất cao, diện tích bề mặt lớn nên để phản ứng dị thể xảy ra chỉ cần duy
trì trong khoảng nhiệt độ 150 – 250
0
C ở áp suất 4 – 15 atm, thời gian 24 – 30 giờ.
Khung xốp của san hô đƣợc cấu tạo bởi các tinh thể aragonit lớn, sắp xếp đặc khít với
nhau do vậy phản ứng thuỷ nhiệt tạo HA chỉ diễn ra ở nhiệt độ khoảng 200 – 300
0
C,
áp suất rất cao, lên tới 1000 atm. Phản ứng thuỷ nhiệt diễn ra theo phƣơng trình:
10CaCO
3
+ 6(NH
4
)
2
HPO
4

+ 2H
2
O  Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
+ 6(NH
4
)
2
CO
3
+ 4H
2
CO
3
(14)