Nghiên cứu tổng hợp Canxi Hidroxy Apatit trên nền Alginat tách từ rong biển Nha Trang (Việt Nam)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KHOA HỌC TỰ NHIÊN
VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIÊT NAM
VIỆN HOÁ HỌC





PHẠM THỊ NGỌC BÍCH





NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP
CANXI HYDROXY APATIT TRÊN NỀN
ALGINAT TÁCH TỪ RONG BIỂN
NHA TRANG (VIỆT NAM)






LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KHOA HỌC TỰ NHIÊN
VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN HOÁ HỌC



PHẠM THỊ NGỌC BÍCH




NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP
CANXI HYDROXY APATIT TRÊN NỀN
ALGINAT TÁCH TỪ RONG BIỂN
NHA TRANG (VIỆT NAM)


Chuyên ngành : Hóa Vô cơ
Mã số : 60 44 01 13

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC




Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. ĐÀO QUỐC HƯƠNG

LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn chân thành, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đào Quốc
Hương và ThS. Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong
thời gian thực hiện đề tài luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các cô, các chú và các chị công tác tại Phòng Hóa Vô cơ
– Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ và
tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, các anh chị em, bạn bè đồng nghiệp đã động
viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, tháng 12 năm 2014
Học viên


Phạm Thị Ngọc Bích

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 4
1.1. HYDROXYAPATIT (HA) 4
1.1.1. Tính chất của HA 4
1.1.1.1. Tính chất vật lý 4
1.1.1.2. Tính chất hóa học 5
1.1.1.3. Tính chất sinh học 6
1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA 7
1.1.3. Các phương pháp tổng hợp HA 9
1.1.3.1. Phương pháp kết tủa 9
1.1.3.2. Phương pháp siêu âm hóa học 11
1.1.3.3. Các phương pháp khác 12
1.2. GIỚI THIỆU VỀ POLYSACCARIT VÀ ALGINAT 12
1.2.1. Polysaccarit 12
1.2.2. Alginat 13
1.2.2.1. Nguồn gốc 13
1.2.2.2. Đặc điểm cấu trúc của alginat 14
1.2.3.3. Tính chất của alginat 14
1.2.2.4. Ứng dụng của alginat 17
1.3. VẬT LIỆU COMPOZIT 18
1.3.1. Vật liệu compozit của HA và polyme 18
1.3.1.1. Tình hình nghiên cứu 18
1.3.1.2. Tính chất và ứng dụng 20

1.3.1.3. Phương pháp điều chế. 21
1.3.2. Vật liệu compozit của HA và alginat 23
1.4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOZIT 25
1.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X 25
1.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 27
1.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử 28
1.4.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 28
1.4.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 29
1.4.4. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA) 29
CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 31
2.1. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất 31
2.1.1. Dụng cụ: 31
2.1.2. Thiết bị: 31
2.1.3. Hóa chất: 31
2.2. Nghiên cứu quy trình tổng hợp compozit HA/Alg 32
2.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của sản phẩm 33
2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginat 33
2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 34
2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit 34
2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của dung môi 34
2.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian già hóa 35
2.3.6. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn 35
2.3.7. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm 35
2.3.8. Khảo sát sơ bộ ảnh hưởng của sóng siêu âm 36
2.4. Chuẩn bị mẫu phân tích 36
2.4.1. Nhiễu xạ tia X (XRD) 36
2.4.2. Phổ hồng ngoại (FTIR) 36
2.4.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) 37
2.4.4. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 37
2.4.5. Phân tích nhiệt (DTA - TGA) 37

CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38
3.1. Quy trình tổng hợp compozit HA/Alg 38
3.2. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng sản phẩm 39
3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng alginat 39
3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 46
3.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit 49
3.2.4. Ảnh hưởng của dung môi 52
3.2.5. Ảnh hưởng của thời gian già hóa 55
3.2.6. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn 57
3.2.7. Ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm 59
3.2.8. Khảo sát ảnh hưởng của sóng siêu âm 61
KẾT LUẬN 65
CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ĐÃ CÔNG BỐ 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67



DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
HA Canxi hydroxyapatit
HA/Alg Compozit của HA và alginat
XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X
FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại
SEM Phương pháp hiển vi điện tử quyét
TEM Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua
DTA-TGA Phương pháp phân tích nhiệt vi sai – nhiệt trọng lượng

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng alginat đến kích thước của HA trong
compozit
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt trung bình và độ tinh

thể của HA trong compozit HA/Alg…………………………………………
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H
3
PO
4
đến kích thước trung bình
và độ tinh thể compozit HA/Alg……………………………………………….
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian già hóa đến kích thước hạt trung bình
và độ tinh thể compozit HA/Alg……………………………………………….
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của tốc khuấy đến kích thước trung bình và độ tinh
thể compozit HA/Alg………………………………………………………
Bảng 3.6: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến kích thước hạt trung bình và
độ tinh thể của compozit HA/Alg…………………………………

40

47

50

56

58

62


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Ảnh SEM các dạng tồn tại của tinh thể HA…………………………
Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA………………………………

Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA…………………………………
Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể….
Hình 1.5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau………
Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA dạng khối xốp
hoặc dạng hạt…………………………………………………………………….
Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa………………………
Hình 1.8: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm……………

Hình1.9: Đặc trưng cấu trúc của alginat……………………………………
Hình1.10: Các mô hình liên kết giữa ion Ca
2+
và alginat
a) Mô hình hạt gel canxi alginat; b) Liên kết của block G với ion canxi………
Hình 1.11: Sơ đồ tổng hợp compozit HA – CS……………………………
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp nhiễu xạ tia X…………………
Hình 1.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X để tính kích thước và độ tinh thể của HA
Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp SEM……………………………
Hình 1.15: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử………………
Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg
Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg
Hình 3.1: Giản đồ XRD của HA và các compozit với hàm lượng alginat
khác nhau
Hình 3.2: Ảnh SEM của (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30,
(e) HA-10 và (f) alginat
Hình 3.3: Ảnh TEM của (a) mẫu HA đơn pha và (b) mẫu HA-50……………
Hình 3.4: Phổ FTIR của (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30,
(e) HA-10 và (f) alginat
Hình 3.5: Giản đồ DTA-TGA của mẫu compozit HA-50……………………….
4
5

6
7
8

9
10

11

14


16

23

26

27

28

29

32

33


39

41

42


43

44

Hình 3.6: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg ở các nhiệt độ phản ứng
khác nhau
Hình 3.7: Ảnh SEM của mẫu compozit HA/Alg ở các nhiệt độ (a) 30
o
C
và (b) 50
o
C
Hình 3.8: Phổ FTIR của các mẫu compozit HA/Alg ở nhiệt độ phản ứng
khác nhau
Hình 3.9: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg ở các tốc độ cấp axit khác
nhau……………………………………………………………………………

Hình 3.10: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ cấp axit
Hình 3.11: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi……
Hình 3.12: Ảnh SEM của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi khác
nhau……………………………………………………………………………

Hình 3.13: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi

Hình 3.14: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg với thời gian già hóa khác
nhau
Hình 3.15: Phổ FTIR của compozit HA/Alg với thời gian già hóa khác nhau…

Hình 3.16: Giản đồ XRD của HA trong compozit HA/Alg tổng hợp ở các
tốc độ khuấy khác nhau………………………………………………………….
Hình 3.17: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ khuấy
khác nhau………………………………………………………………………
Hình 3.18: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở hai điều kiện
làm khô…………………………………………………………………………
Hình 3.19: Ảnh SEM của (a) HA-10, (b) HA-50, (a’) HA-Đ10 và (b’) HA-Đ50.
Hình 3.20: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg được tổng hợp trong điều
kiện không có sóng siêu âm (P
1
) và có sóng siêu âm (P
2
)……………………….
Hình 3.21: Ảnh SEM của compozit HA/Alg được tổng hợp trong điều kiện
không có sóng siêu âm (P
1
) và có sóng siêu âm (P
2
)…………………………….
Hình 3.22: Phổ FTIR của compozit HA/Alg được tổng hợp trong điều kiện
không có sóng siêu âm (P
1
) và có sóng siêu âm (P
2
)…………………………….

45


47


48


49

51

52


53

54


55

56


57


59

60

60


62


63


63


1

MỞ ĐẦU
Canxi hydroxyapatit (hay còn gọi là hydroxyapatit - HA), công thức
Ca
5
(PO
4
)
3
(OH) hoặc Ca
10
(PO
4

)
6
(OH)
2
, là muối kép của tri - canxi photphat và canxi
hydroxit. Còn apatit tồn tại trong tự nhiên ở dạng flo-apatit Ca
10
(PO
4
)
6
F
2
. Trong cơ
thể người và động vật, HA là thành phần chính trong xương (chiếm 65 - 70% khối
lượng) và răng (chiếm 99%) [10, 16]. HA có 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,… [12].
Nó là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể người với tỷ lệ Ca/P đúng
như tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng [28].
Việc nghiên cứu và sử dụng vật liệu sinh học HA với mục đích thay thế và
sửa chữa những khuyết tật của xương do bệnh lý và do tai nạn đang ngày càng phát
triển. Các chế phẩm HA ở những kích thước khác nhau có các ứng dụng khác nhau.
Ở dạng màng, một lớp HA mỏng, siêu mịn có thể tạo nên lớp men răng, các chi tiết
nối xương và lớp phủ bề mặt cho xương nhân tạo. HA dạng khối xốp có thể dùng
điền đầy các hốc răng bị sâu và các vết rạn nứt ở xương tự nhiên, làm xương nhân
tạo mà không bị cơ thể đào thải. Ở dạng bột, HA kích thước nano (20 - 100 nm)
dùng làm thuốc và thực phẩm bổ sung canxi, tăng cường khả năng hấp thụ canxi
của cơ thể, ngăn ngừa và điều trị bệnh loãng xương. HA ở dạng bột còn được sử
dụng để thay thế xương hoặc làm chất phủ lên bề mặt kim loại để tăng khả năng

tương thích của vật liệu cấy ghép [21, 52].
Để nâng cao đặc tính của HA trong các ứng dụng dược học và y sinh học,
một xu hướng mới là tạo ra vật liệu compozit bằng cách phân tán HA vào các
polyme sinh học. Trong các vật liệu này, nhóm chức photphat và hydroxyl của HA
tạo liên kết với các nhóm chức của polyme. Mặt khác, các nhóm chức của polyme
có khả năng tạo liên kết tốt với các tế bào sinh học, do vậy nâng cao tính tương
thích sinh học của vật liệu và khả năng hấp thụ của cơ thể. Các polyme đang được
tập trung nghiên cứu theo hướng này là các polyme tự nhiên như collagen, chitosan,
alginat, hay các polyme tổng hợp như poly (lactide-co-galactide) làm các chất

2

truyền dẫn thuốc, nhả chậm thuốc và chế tạo các chi tiết xương nhân tạo để cấy
ghép xương [46]. Vật liệu compozit sinh học trên cơ sở HA và polyme tự nhiên đã
được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ mô, phẫu thuật chỉnh hình, truyền dẫn
thuốc, nhả chậm thuốc…
Để góp phần tạo ra một loại vật liệu có nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng
trong y sinh học và dược học, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp
canxi hydroxy apatit trên nền alginat tách từ rong biển Nha Trang (Việt Nam)”.
Mục tiêu của đề tài:
Nghiên cứu tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp và khảo sát một số
yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu compozit giữa HA và alginat tách từ rong biển Nha
Trang (Việt Nam).
Những nội dung nghiên cứu:
· Nghiên cứu tổng hợp vật liệu compozit HA/Alg bằng phương pháp kết
tủa;
· Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình tổng hợp đến độ đơn
pha, độ tinh thể, kích thước hạt và trạng thái tập hợp của vật liệu compozit:
- Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginat;
- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ;

- Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit;
- Khảo sát ảnh hưởng của dung môi;
- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian già hóa;
- Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn;
- Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm;
- Khảo sát sơ bộ ảnh hưởng của hiệu ứng siêu âm.
Phương pháp nghiên cứu:
Luận văn sử dụng phương pháp thực nghiệm để tổng hợp, khảo sát một số
yếu tố ảnh hưởng và các phương pháp vật lý hiện đại để khảo sát, đánh giá chất
lượng sản phẩm thu được:

3

- Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD);
- Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR);
- Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM);
- Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM);
- Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA).
Những đóng góp của luận văn
Lần đầu tiên ở trong nước đã nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các đặc trưng
của vật liệu compozit giữa HA và alginat tách từ rong nâu Nha Trang (Việt Nam).
Bố cục của luận văn
· Mở đầu
· Nội dung chính với 3 chương
- Chương I: Tổng quan
- Chương II: Thực nghiệm
- Chương III: Kết quả và thảo luận
· Kết luận
· Danh mục các tài liệu tham khảo

4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1. HYDROXYAPATIT
1.1.1. Tính chất của hydroxyapatit
1.1.1.1. Tính chất vật lý
Hydroxyapatit (HA), có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tùy
theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp. HA nóng chảy ở
nhiệt độ 1760
o
C; sôi ở 2850
o
C; độ tan trong nước: 0,7 g/l; khối lượng phân tử:
1004,60; khối lượng riêng: 3,156 g/cm
3
; độ cứng theo thang Mohs: 5. HA là hợp
chất bền nhiệt, chỉ bị phân hủy ở khoảng 800 - 1200

o
C tùy thuộc vào phương pháp
điều chế và dạng tồn tại.
Tùy theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa,
phương pháp sol - gel, phương pháp điện hóa) cũng như các điều kiện tổng hợp
khác nhau (như nhiệt độ phản ứng, nồng độ, thời gian già hóa sản phẩm…) mà các
tinh thể có hình dạng khác nhau [32].
Các tinh thể HA thường tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình
cầu,… [55] và có thể nhận biết các dạng tồn tại của tinh thể HA nhờ sử dụng
phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
(Hình 1.1).

Hình 1.1: Ảnh SEM các dạng tồn tại của tinh thể HA

5

Cấu trúc tinh thể của HA được tìm ra bởi Naray - Szabo và Meheml. Cấu
trúc mạng của HA bao gồm các ion Ca
2+
, PO
4
3-
và OH
-
được sắp xếp trong các ô
đơn vị như hình 1.2.

Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA
Trong tổng số 14 ion Ca
2+

thì có 6 ion thuộc về HA và nằm trọn vẹn trong ô
mạng đơn vị, còn lại 8 ion nằm trên chu vi hai mặt đáy được dùng chung với các ô
đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ô là 4 ion. Trong 10 nhóm PO
4
3-
thì 2 nhóm
nằm ở bên trong ô đơn vị còn 8 nhóm thì nằm trên chu vi của hai mặt đáy nhưng chỉ
có 6 nhóm thuộc về ô đơn vị, 6 nhóm này gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng
với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của 2 mặt đáy. Tương tự, chỉ có 2 trong số 8
nhóm OH
-
chỉ ra trong hình là thuộc về ô đơn vị. Số lượng các ion xuất hiện trong ô
đơn vị có thể không đúng với công thức phân tử của HA. Điều này có thể giải thích
do sự lặp lại của các ô đơn vị trong hệ đối xứng ba chiều. Với cách giải thích như
trên, trong một phân tử HA bao gồm có 10 ion Ca
2+
, 6 nhóm PO
4
3-
và 2 nhóm OH
-
,
từ đó có thể khẳng định HA có công thức hóa học tỷ lượng là Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2

[54].
1.1.1.2. Tính chất hóa học
Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện trên hình 1.3. Phân tử HA
có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca - O là liên kết cộng hóa trị. Hai nhóm OH
được gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch [35].

6


Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA
· HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành các
muối canxi và nước:
Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
+ 2HCl 3Ca
3
(PO
4
)
2
+ CaCl
2
+ 2H
2

O (1.1)
· HA tương đối bền nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800
đến 1200
o
C tạo thành oxy - hydroxyapatit 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) (1.2)
· Ở nhiệt độ lớn hơn 1200
o
C, HA bị phân hủy 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
+ 2H
2
O (1.3)
Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
2β-Ca
3
(PO
4
)
2
+ CaO + 2H
2
O (1.4)
1.1.1.3. Tính chất sinh học [30, 35]
Do có cùng bản chất và thành phần hóa 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
hóa học và 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 mô, 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 đào thải.
Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có
tính sát khuẩn cao.

7

Để chế tạo HA có tính tương thích sinh học cao, cần nghiên cứu và lựa chọn
công nghệ phù hợp với mỗi mục đích ứng dụng trong y sinh học và dược học.
1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA
Vật liệu HA tồn tại ở nhiều dạng: Dạng màng, dạng bột, dạng khối xốp, dạng
compozit Với các đặc tính nổi trội của nó, HA đã được ứng dụng đa dạng, phong
phú trong y học và dược học.
Ở dạng 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 hòa 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 hóa canxi thành HA. HA ở dạng bột mịn,
kích thước nano được cơ thể người hấp thụ nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản,
do vậy nó ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit có trong dạ dày. Vì những đặc tính
này, HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao [39].

Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể
Ở dạng màng: Lớp màng HA chiều dày cỡ nanomet (màng n-HA) được phủ
lên bề mặt vật liệu bằng kim loại và hợp kim bằng các phương pháp điện hóa và
phương pháp điện di trên gốm nhân tạo có thể tăng cường khả năng liên kết giữa
xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên. 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

8

phạm vi ứng dụng của màng n - HA từ chỗ chỉ áp dụng cho ghép xương hông tiến
đến có thể sử dụng ghép xương đùi, xương khớp gối và các vị trí khác [6].
Ở dạng khối xốp: Gốm xốp HA được ứng dụng rất rộng rãi trong y sinh học:
- Chế tạo răng giả và sửa chữa khuyết tật của răng: Các nhà khoa học Nhật
Bản đã thành công trong việc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thước nano
và polyme 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 [23].
- Chế tạo mắt giả: HA tổng hợp từ san hô có cấu trúc bền vững, nhẹ và đặc
biệt có khả năng thích ứng cao với cơ thể [27].
- Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa khuyết tật của xương
[49].

Hình 1.5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau
Tùy thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra
các sản phẩm gốm HA (hình 1.5) có kích thước và độ xốp khác nhau. Sau đó, gia
công 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 [12].

9


Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA dạng khối xốp
hoặc dạng hạt
Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HA như:
- Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [13];
- Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [52];
- Gần đây, người ta phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân
tán isulin trong ruột [52].
1.1.3. 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 đạt được những thành tựu đáng kể. Ứng dụng loại vật liệu tiên tiến
này đã tạo ra các bước tiến mới trong lĩnh vực xét nghiệm, điều trị y học cũng như
trong dược phẩm và vật liệu y sinh học. Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở
các dạng khác nhau có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác. Dưới đây
là các phương pháp cơ bản thường được sử dụng để tổng hợp vật liệu HA kích
thước nano.
1.1.3.1. 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, được phân ra thành hai nhóm chính:
- Phương pháp kết tủa tử các muối chứa ion Ca
2+
và PO
4
3-
dễ tan trong
nước:
Các muối hay được dùng là Ca(NO
3
)
2
, CaCl
2
, (NH
4

)
2
HPO
4
,…

10

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
(1.5)
Để phản ứng xảy ra theo chiều thuận (chiều tạo HA), cần duy trì pH của hỗn
hợp phản ứng ở pH từ 10 - 12.
- 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. Phương trình phản ứng đặc trưng:
10Ca(OH)
2
+ 6H
3
PO
4
= Ca
10

(PO
4
)
6
(OH)
2
+ 18H
2
O (1.6)
Trong quá trình điều chế, độ pH của hỗn hợp phản ứng giảm dần. H
3
PO
4
là
một axit có độ mạnh trung bình, phân ly theo 3 giai đoạn:
H
3
PO
4
↔ H
2
PO
4
-
+ H
+
pKa
1
= 2,2 (1.7)
H

2
PO
4
-
↔ HPO
4
2-
+ H
+
pKa
1
= 7,2 (1.8)
HPO
4
2-
↔ PO
4
3-
+ H
+
pKa
1
= 12,3 (1.9)
Khi 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 HPO
4
2-
và H
2
PO

4
-
ảnh hưởng đến độ
đơn pha của sản phẩm HA. Sơ đồ của phương pháp được trình bày trên hình 1.7.



Hình 1.7: S
ơ đồ nguyên lý
của phương pháp kết tủa


11

1.1.3.2. Phương pháp siêu âm hóa học
Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thước nano, có thể tiến hành phản
ứng hóa học trong môi trường sóng có tần số lớn như sóng siêu âm.
Nguyên lí của phương pháp siêu âm là dưới tác dụng của sóng siêu âm với
cường độ cao, trong môi trường lỏng xảy ra hiện tượng tạo và vỡ bọt (cavitation).
Sóng siêu âm tạo ra một chu trình giãn nở, nó gây ra áp suất chân không trong môi
trường lỏng. Hiện tượng tạo bọt - vỡ bọt xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so
với độ bền kéo của chất lỏng. Khi bọt phát triển đến một 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 1.8). Hiện tượng này gọi là sự tỏa nhiệt điểm và nó sẽ sinh ra một lượng
nhiệt tại ngay thời điểm đó. Tuy nhiên, môi trường lỏng xung quanh có nhiệt độ
thấp nên sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt. 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 hóa học lên nhiều lần.

Hình 1.8: 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. Các tinh thể
bị vỡ thành những hạt nhỏ hơn tùy thuộc vào tần số và công suất của thiết bị siêu
âm [12].

12

1.1.3.3. Các phương pháp khác
Ngoài 2 phương pháp cơ bản nêu trên, có nhiều phương pháp khác để tổng
hợp HA dạng bột như [1, 3]:
· Phương pháp sol - gel;
· Phương pháp phun sấy;
· Phương pháp compozit;
· Phương pháp điện hóa;
· Phương pháp thủy nhiệt;
· Phương pháp phản ứng pha rắn;
· Phương pháp hóa - cơ;
· Một số phương pháp vật lý: Ngoài các phương pháp trên, còn có một số
phương pháp vật lý như phương pháp plasma, bốc bay chân không, phun xạ
magenetron, hồ quang,… để chế tạo màng gốm HA trên các vật liệu trơ về mặt sinh
học [21].
1.2. GIỚI THIỆU VỀ POLYSACCARIT VÀ ALGINAT
1.2.1. Polysaccarit
Polysaccarit là một loại cacbohidrat cao phân tử, khi thủy phân đến cùng tạo
thành các phân tử monosaccarit. Trong polysaccarit, các gốc monosaccarit được nối
với nhau bằng cầu nối oxi theo liên kết glicozit tạo thành mạch thẳng hoặc mạch
nhánh. Khi tạo thành mạch, nhóm hydroxyl glicozit của phân tử này thường tương
tác với nhóm hydroxyl ancol của phân tử kia, thường ở vị trí nguyên tử C
4

, hiếm
hơn là ở vị trí nguyên tử C
6
và rất hiếm là ở vị trí C
3
.
Với các muối của các kim loại chuyển tiếp như: Fe
3+
, Mn
2+
, Co
2+
,… các
polysaccarit có khả năng tạo thành các phức bền vững dễ hấp thụ trong cơ thể động
vật. Từ những năm 1960 đến nay, các loại phức giữa polysaccarit có khối lượng
phân tử 3000 - 7000 đvC với một số kim loại đã được nghiên cứu tổng hợp và đưa
ra sản xuất làm thuốc sử dụng trong chăn nuôi và sau này dùng cả cho người [5,
56].

13

- Đặc điểm của polisaccarit:
+ Là những polime được tạo ra từ thiên nhiên;
+ Là sản phẩm của phản ứng trùng ngưng các anđozơ hoặc xentozơ;
+ Mạch là mạch hở, không nhánh hoặc có nhánh, mạch vòng hay uốn
khúc.
- Polisaccarit được chia thành 2 loại: homopolisaccarit và heteropolisaccrit.
+ Homopolisaccarit khi bị thủy phân hoàn toàn cho nhiều hơn 10
monosaccarit cùng loại ví dụ tinh bột, xenlulozơ, glycogen ;
+ Heteropolisaccarit khi bị thủy phân đến cùng cho 2 hay nhiều loại

monosaccarit khác nhau ví dụ alginat, pectit…
- Chức năng của polysaccarit:
+ Tạo hình;
+ Dự trữ;
+ Giữ nước.
Polisaccarit có khả năng tương tác với nhiệt và nước làm thay đổi tính chất
và trạng thái với độ đặc, độ dẻo, độ dai, độ dính, độ xốp, độ trong và khả năng tạo
màng khác nhau.
- Ứng dụng của polysaccarit:
Chúng được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, ở các dạng tự nhiên và biến
tính như các chất tạo độ đặc hay tạo gel, chất làm bền nhũ tương và các hệ phân tán.
Ngoài ra chúng còn được dùng làm chất tạo màng, bảo vệ bề mặt các loại thực
phẩm nhạy cảm khỏi những thay đổi không mong muốn, thành phần thêm vào trong
các thực phẩm ăn kiêng…
1.2.2. Alginat
1.2.2.1. Nguồn gốc
Alginat là loại polyme sinh học có nguồn gốc từ biển phong phú nhất thế
giới, là loại polyme sinh học nhiều thứ hai sau cellulose. Theo tài liệu [14], alginat
được nhà hóa học người Anh E.C.C Stanford tìm ra năm 1881, là một polysaccarit
có mặt trong rong nâu với hàm lượng cao nhất, lên đến 40% khối lượng chất khô.

14

Alginat nằm trong hệ thống gian bào ở dạng gel chứa các ion natri, canxi, magie,
stronti và bari. Chức năng chính của chúng được cho là bộ khung, tạo nên cả độ bền
vững lẫn độ mềm dẻo của mô rong [19].
1.2.2.2. Đặc điểm cấu trúc của alginat
Alginat là tên gọi chung các muối của axit alginic. Trong thuật ngữ phân tử,
alginat là một họ của copolyme nhị phân không phân nhánh gồm các gốc β-D-
mannuronic (M) và α-L-guluronic (G) liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucozid.

Cấu trúc khác nhau phụ thuộc vào vị trí của các monome trong chuỗi mạch, tạo nên
các đoạn homopolyme (MM hoặc GG) lẫn các heteropolyme (MG hoặc GM). Khối
lượng phân tử của alginat thường trong khoảng 50 - 1000kDa [19, 20].

Hình1.9: Đặc trưng cấu trúc của alginat: a) Các monome của alginat;
b) Cấu trúc chuỗi, cấu dạng ghế; c) Các kiểu phân bố các khối trong mạch alginat
1.2.3.3. Tính chất của alginat
- Độ tan
Có ba yếu tố quan trọng quyết định độ tan của alginat trong nước đó là: độ
cứng của nước, độ pH và lực ion tổng của các chất tan.
Độ cứng của nước (ví dụ như hàm lượng ion Ca
2+
) được xem là yếu tố chính
ảnh hưởng đến độ tan. Độ pH của dung môi là yếu tố quan trọng bởi vì nó xác định

15

điện tích trên các gốc uronic. Lực ion của môi trường cũng đóng vai trò quan trọng
(hiệu ứng muối kết của các cation không tạo gel). Hàm lượng của các ion tạo gel
trong dung môi cũng hạn chế sự hòa tan của alginat [14, 41].
- Độ nhớt
Khi nằm trong vách tế bào, alginat có độ nhớt cao nhưng khi tách chiết bằng
phương pháp khác nhau, alginat bị giảm độ nhớt. Alginat có khối lượng phân tử
trung bình lớn thì độ nhớt càng lớn. Tỷ lệ mannuronic/guluronic (M/G) cũng ảnh
hưởng đến độ nhớt của sản phẩm. Tuy nhiên, tỷ lệ M/G và trọng lượng phân tử lại
phụ thuộc nhiều vào nhiều yếu tố: Loài rong, độ trưởng thành, khu vực sinh trưởng,
kỹ thuật chiết xuất, thời gian bảo quản Độ nhớt dung dich alginat biến thiên trong
dải rộng từ 10 mPa.s đến 1000 mPa.s (dung dịch 1%). Với một chút muối canxi sẽ
làm tăng độ nhớt cho sản phẩm hay độ cứng của gel canxi alginat tạo ra. Các alginat
mà có tỷ lệ G cao hay M/G thấp sẽ cho gel rắn hơn [42].

- Độ ổn định
Giống như các polysaccarit tự nhiên khác, alginat không bền với nhiệt và ion
kim loại… Độ ổn định của alginat sắp xếp theo thứ tự: natri alginat > amoni alginat
> axit alginic. Alginat có độ nhớt cao kém ổn định hơn alginat có độ nhớt trung
bình hoặc thấp.
Bột alginat rất dễ bị giảm độ nhớt nếu không được bảo quản ở nhiệt độ thấp.
Khi lưu trữ alginat có độ nhớt khoảng 50 mPa.s ở 10 - 20
o
C, trong thời gian 3 năm,
độ nhớt thay đổi rất ít so với ban đầu. Còn với alginat có độ nhớt cao (khoảng 4000
mPa.s), khi bảo quản ở 25
o
C sau một năm độ nhớt bị giảm 10% và ở 33
o
C thì bị
giảm 45%. Dung dịch alginat ổn định ở pH từ 5,5 - 10 tại nhiệt độ phòng một thời
gian dài, nhưng sẽ chuyển sang dạng gel ở pH nhỏ hơn 5,5 [43].
- Tính chất tạo gel
Dung dịch natri alginat có khả năng tạo gel với sự tham gia của những ion
hóa trị II, III. Khi nhỏ một giọt dung dịch natri alginat vào dung dịch CaCl
2
sự tạo
gel xảy ra gần như tức thời trên bề mặt của giọt và cho ta hạt gel có dạng hình cầu.

16

Các gel được tạo thành ở bất kỳ nhiệt độ nào (dưới 100
o
C) và không bị chảy ra khi
đun nóng.

Khả năng tạo gel này được giải thích bằng mô hình cấu trúc “hộp trứng” của
phân tử canxi alginat. Khi có mặt các ion hóa trị II, III ở nồng độ thích hợp thì sự
tạo gel xảy ra, các phân tử sắp xếp song song, các phần gấp nếp của đoạn GGGG
tạo thành khoảng không gian như chỗ đặt trứng. Các ion canxi chui vào khoảng
trống này, liên kết với các nhóm carboxyl và các nguyên tử oxy vòng trong của mỗi
đoạn song song. Lúc này, các phân đoạn GGGG nối với nhau qua các ion Ca
2+
làm
cho các phân tử gần nhau hơn và ép nước thoát ra ngoài, khi đó gel alginat được
hình thành.

Hình1.10: Các mô hình liên kết giữa ion Ca
2+
và alginat
a) Mô hình hạt gel canxi alginat; b) Liên kết của block G với ion canxi
Gel được tạo ra do tương tác tĩnh điện qua ion canxi nên gel này không thuận
nghịch với nhiệt và ít đàn hồi. Khả năng tạo gel và độ bền phụ thuộc vào hàm lượng
các đoạn guluronic (G). Phản ứng tạo liên kết gel sẽ không xảy ra ở những đoạn
poly - mannuronic và những đoạn MG (mannuronic - guluronic). Tỷ lệ G lớn hơn
so với M thì khả năng tạo gel của alginat sẽ tốt hơn.
Khả năng tạo gel của các muối alginat còn phụ thuộc vào kích thước của ion
kim loại. Ái lực của alginat đối với các ion kim loại hóa trị II khác nhau giảm theo
trình từ: Pb
2+
> Cu
2+
> Cd
2+
> Ba
2+

> Sr
2+
> Ca
2+
> Co
2+
. Tùy thuộc vào loại ion liên
kết và loại alginat mà gel tạo thành có tính chất khác nhau [14, 40].