Đồ án công nghệ nghiên cứu phương pháp tổng hợp bột HA

Đồ án công nghệ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................

i


Đồ án công nghệ

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................
.............................................................................................................................

.............................................................................................................................

ii


Đồ án công nghệ

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT...................................................................vii
MỞ ĐẦU........................................................................................................................1
Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT.................................................................................3
1.1 Khái quát về calcium phosphate.....................................................................................3
1.2 Ứng dụng của bột HA.....................................................................................................4
1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu sinh học HA trong và ngoài nước ......................5
1.3.1 Tình hình nghiên cứu vật liệu sinh học HA ngoài nước hiện nay....................................................5
1.3.2 Tình hình nghiên cứu vật liệu sinh học HA trong nước hiện nay....................................................7

1.4 Tính chất của hyđroxyapatit...........................................................................................7
1.4.1 Tính chất vật lý................................................................................................................................7
1.4.2 Tính chất hoá học............................................................................................................................9
1.4.3 Tính chất sinh học [16]..................................................................................................................10

1.5 Các phương pháp tổng hợp hydroxyapatite..................................................................11
1.5.1 Phương pháp ướt .........................................................................................................................11
1.5.2 Phương pháp khô..........................................................................................................................16

1.6 Một số phương pháp nghiên cứu bột HA......................................................................18
1.6.1 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD)................................................................................18
1.6.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)......................................................................................19
1.6.3 Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại (FTIR).................................................................21

Chương 2 XÂY DỰNG QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM.........................................................23
2.1 Tổng hợp bột HA..........................................................................................................23
2.2 Nguyên liệu sử dụng cho nghiên cứu.............................................................................23
2.3 Hệ thống thiết bị nghiên cứu........................................................................................24
2.3.1 Thiết bị tổng hợp HA.....................................................................................................................24
2.3.2 Máy ly tâm siêu tốc TZ24...............................................................................................................25
2.3.3 Máy sấy lạnh ALPHA 2-4 LSC.........................................................................................................25

2.4 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bột và thiết bị phân tích..............................................25
2.4.1 Thành phần pha.............................................................................................................................25

iii


Đồ án công nghệ
2.4.2 Tỷ số mole Ca/P.............................................................................................................................26
2.4.3 Diện tích bề mặt riêng...................................................................................................................27

2.5 Quy trình thực nghiệm tổng hợp bột HA.......................................................................27
2.5.1 Cơ sở lý thuyết tổng hợp HA.........................................................................................................27
2.5.2 Các phương pháp phân tích..........................................................................................................29
2.5.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng tinh thể.....................................................30
2.5.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ nhỏ giọt đến độ tinh khiết của sản phẩm.............................30
2.5.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH kết thúc phản ứng.......................................................................30
2.5.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian hóa già...............................................................................31

KẾT LUẬN.....................................................................................................................32
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................................34

iv


Đồ án công nghệ

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể..................................5
Hình 1.2 Ảnh của các tỉnh thể HA qua hiển vi điệu tử [3].......................................................8
Hình 1.3 Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể của các dạng HA...............................................9
Hình 1.4 Công thức cấu tạo của phân tử HA..........................................................................9
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa [4].......................................................13
Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy.........................................................14
Hình 1.7 Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm [1]..................................16
Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học..............................................16
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X [1].............................................19
Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý của SEM [1]...............................................................................20
Hình 2.1 Thiết bị tổng hợp bột HA......................................................................................25
Hình 2.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hỗn hợp HA và TCP......................................................26
Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ nghiên cứu tổng hợp bột HA.......................................................28

v


Đồ án công nghệ

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Bước sóng đặc trưng của các nhóm chức [3].........................................................22
Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật của bột Ca(OH)2........................................................................24
Bảng 2.2 Đặc tính kỹ thuật của axit H3PO4..........................................................................24

vi


Đồ án công nghệ

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
EDS

Energy dispersive spectrometer – quang phổ tán xạ năng lượng

FTIR Fourier Transform Infrared - Phương pháp phân tích quang phổ
hồng ngoại
HA

Hydroxyapatite - Ca10(PO4)6(OH)2

SEM Scanning electron microscope - Kính hiển vi điện tử quét
TCP

Tricanxiphotphat - Ca3(PO4)2

XRD X-ray diffractometer - nhiễu xạ Rơn-ghen

vii


Đồ án công nghệ

MỞ ĐẦU
•

Đặt vấn đề
Trong thời đại công nghệ cao phát triển, tạo điều kiện cho vật liệu y

sinh 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. Hiện nay, trên đà tiến bộ đáng kể của 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. Nhiều loại vật liệu dùng trong cấy ghép và thay thế
xương khác cũng ngày càng được chú trọng trong lĩnh vực phát triển vật liệu
dùng cho xương. Theo đó, các phẫu thuật ghép xương, chỉnh hình xương đã
đạt đến giới hạn của sự hoàn thiện nhờ ứng dụng các loại chi tiết ghép là gốm
y sinh, composit thuộc họ Hydroxyapatit. Đặc biệt là gốm y sinh. Bột
hydroxyapatite (HA) là loại vật liệu có hoạt tính sinh học, có tính 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; nó là nguyên
liệu tổng hợp nên các vật liệu y sinh có tính ưu việt trên.
•

Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu quy trình để tổng hợp bột HA có hàm lượng tinh thể

>70%.
•

Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về bột HA.
- Nghiên cứu các phương pháp tổng hợp bột HA.

- Lựa chọn các thiết bị phục vụ cho việc nghiên cứu tổng hợp.

1


Đồ án công nghệ

- Lựa chọn nguyên, vật liệu để tổng hợp bột HA.
- Phương pháp xác định bột HA.
- Kết luận và kiến nghị việc phát triển tổng hợp bột HA trong tương lai.

2


Đồ án công nghệ

Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
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 thích 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.
Mặt khác, 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 có thể từ từ hòa tan bên trong cơ thể để giải phóng ion calcium và
phosphate có lợi trong việc hình thành xương. Chúng giúp hình thành nên
hợp chất có thành phần và cấu trúc hóa học giống với pha khoáng trong
xương hơn và có hoạt tính sinh học tốt hơn.

Đặc biệt, 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.
Calcium phosphate dùng trong lĩnh vực y sinh được biết đến như [3]:
- Hydroxyapatite (HA)
- β-tricalcium phosphate (β-TCP)
- Biphasic calcium phosphate (BCP)
Riêng HA cũng được chia: Bột HA, gốm xốp HA, Composit. Trong
đồ án công nghệ này, bột HA sẽ được chú trọng tìm hiểu.

3


Đồ án công nghệ

1.2 Ứng dụng của bột HA
Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp
nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi.
Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hoà tan nên
khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với
vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hoá canxi thành HA. Có
thể bổ sung canxi cho cơ thể người bằng cách dùng thức ăn. Một phương
pháp hữu hiệu là sử dụng HA ở dạng bột mịn, kích thước nano để bổ sung
canxi [2], [8].
Đối với bột HA có kích thước hạt khoảng 150 nm trở lên, quá trình
thiêu kết để tạo gốm HA rất khó khăn. Quá trình kết khối diễn ra ở nhiệt độ
khá cao (1000 ÷ 12000C) trong thời gian dài (2 ÷ 3 giờ), làm cho gốm HA bị
phân huỷ thành các hợp chất không mong muốn, có hại cho cơ thể. Với kích
thước nano (từ 20 ÷ 100 nm), nhiệt độ kết khối của HA bột giảm xuống chỉ
còn khoảng 800 ÷ 1000°C trong thời gian từ 1/2 giờ đến 1 giờ. Điều này làm

cho việc chế tạo gốm y sinh học từ HA có chất lượng cao, thuận lợi và dễ
dàng hơn [2].
Hình 1.1 là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ
sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể đang được lưu hành
trên thị trường [2], [8].

4


Đồ án công nghệ

Hình 1.1 Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể

Bột HA còn được dùng làm nguyên liệu tổng hợp nên gốm xốp HA.
Vật liệu này 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, nó
được ứng dụng đặc biệt rộng rãi y sinh học.
Ngày nay, để cải tiến tính năng của vật liệu y sinh HA. Vật liệu
composit HA được tạo ra bằng cách phân tán HA 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. Và đây là ưu điểm vượt trội mong muốn.
1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu vật liệu sinh học HA trong và
ngoài nước
1.3.1

Tình hình nghiên cứu vật liệu sinh học HA ngoài nước hiện nay

Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học đã
nghiên cứu nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo HA như: dạng bột được
5


Đồ án công nghệ

điều chế bằng phương pháp sol - gel, kết tủa, phun sấy, siêu âm...; dạng màng
- bằng phương pháp vật lý hoặc điện hoá...; dạng khối rắn, khối xốp, vật liệu
tố hợp (composit) - bằng phương pháp nén ép - thiêu kết HA bột, phản ứng
pha rắn, phản ứng thuỷ nhiệt... [1].
Hiện nay, đã có rất nhiều chế phẩm được sản xuất từ nguyên liệu HA:
Năm 1983, Klein và các đồng nghiệp lần đầu tiên tạo ra chi tiết ghép
xương bằng gốm chứa 100% HA [21]. Do sự phát triển chậm của xương trong
miếng ghép này nên chất lượng của xương ở nơi cấy ghép được tạo nên là rất
tốt, nhưng thời gian điều trị kéo dài. Bằng những thí nghiệm khác, họ đã cấy
ghép các chi tiết gốm chứa 100% β-TCP. Và kết quả là tốc độ phát triển của
xương non trong miếng ghép rất nhanh, do vậy lại làm cho chất lượng của
xương ở nơi cấy ghép không tốt cho quá trình phát triển của xương.
Năm 1986, Moore và Chapman đã chế tạo được miếng ghép tố hợp
giữa hai pha HA và β-TCP. Trong thực tế, gốm HA tốt bao gồm khoảng 93 94% HA và 6 - 7% TCP. TCP có hai dạng thù hình là α và β-TCP, thành phần
α-TCP có tác dụng làm tăng tốc độ tái sinh xương, nó đóng vai trò là nguồn
khoáng cung cấp trực tiếp cho chỗ phát triển xương mới. β-TCP thì sẽ tiêu
biến dần như là nguồn cung cấp khoáng cho xương non phát triển vào chỗ
khuyết xương. Do đó, tổ hợp HA - β-TCP là vật liệu y sinh chính cho các
phẫu thuật ghép xương, nối xương, chỉnh hình hoặc sửa chữa xương.
Để chữa trị căn bệnh loãng xương, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược
phấm Mỹ (FDA) đã cho phép sử dụng HA trong sản xuất thuốc và thực phẩm

chức năng. Nhiều loại thuốc và thực phẩm bổ sung canxi có sử dụng HA đã
được lưu hành trên thị trường. Trong số đó có thế kể đến Ossopan của Pháp,
Bone Booster Complex, Bone Dense Calcium của Mỹ, Calcium Complex của
Anh, SuperCal của New Zealand [22].
6


Đồ án công nghệ

Bên cạnh đó, HA dạng màng đã được các nhà khoa học Nhật Bản chế
tạo thành vật liệu chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng.
1.3.2

Tình hình nghiên cứu vật liệu sinh học HA trong nước hiện nay

Năm 2005, Đỗ Ngọc Liên đã nghiên cứu quy trình tổng hợp bột và
chế thử gốm xốp HA từ Ca(OH)2 và H3PO4 bằng phương pháp ướt theo công
nghệ của Italia và đã bước đầu thử nghiệm thành công trên động vật.
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:
Hydroxy apatite Ca10(PO4)6(OH)2 (HA) và Tricalicium phosphate Ca3(P04)2
(TCP), ứng dụng thay thế một số bộ phận xương, khớp trong cơ thể con
người”.
Năm 2009, Vũ Thị Dịu đã tổng hợp bột HA và tiến hành nghiên cứu
các yếu tố ảnh hưởng đến bột HA kích thước nano điều chế từ Ca(OH) 2 và
H3PO4.
Năm 2011, Nguyễn Văn Hưởng đã khảo sát quá trình tách và một số
đặc trưng của bột HA từ xương động vật.
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 HA bằng phương pháp sol-gel.
1.4 Tính chất của hyđroxyapatit
1.4.1

Tính chất vật lý

Hydroxyapatit (HA), có công thức phân tử là Ca10(PO ) (OH)2, có màu
4

6

trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích
thước hạt và trạng thái tập hợp. HA có nhiệt độ nóng chảy 1760°C và nhiệt độ
sôi 2850°C, độ tan trong nước 0,7g/l, khối lượng mol phân tử 1004,60g, khối
lượng riêng là 3,156g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5.
7


Đồ án công nghệ

Các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo thường tồn tại ở dạng hình que,
hình kim, hình vảy... Sử dụng phương pháp hiển vi điện tử SEM hoặc TEM
có thể nhận biết được các dạng tồn tại của tinh thể HA (Hình 1.2) [13].

Hình 1.2 Ảnh của các tỉnh thể HA qua hiển vi điệu tử [3]
(a) - Dạng hình que

(b) - Dạng hình trụ

(c) - Dạng hình cầu

(d) - Dạng hình sợi

(e) - Dạng hình vảy (f) - Dạng hình kim

HA tồn tại ở hai dạng cấu trúc là dạng lục phương (hexagonal) và
dạng đơn tà (monoclinic). HA dạng lục phương thường được tạo thành trong
quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 ÷ 100°C, còn dạng đơn tà chủ yếu được
sinh ra khi nung dạng lục phương ở 850°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 lượng và vị trí của các vạch nhiễu xạ. Chúng chỉ khác nhau về
cường độ của peak, dạng đơn tà cho các peak có cường độ yếu hơn các peak
của dạng lục phương khoảng 1 % [12].
Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA gồm các ion Ca 2+, PO

34

được sắp xếp như hình 1 .3 a.

Ô

và OH-

mạng này có dạng hình lục phương, thuộc

nhóm không gian P6 /m với các hằng số mạng a = 0,9417 nm, b = 0,9417 nm
3

và c = 0,6875 nm, α = β = 90° và γ = 120° [30]. Đây là cấu trúc thường gặp

8


Đồ án công nghệ

của HA tổng hợp, trong thành phần của xương và ngà răng [14].

Hình 1.3 Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể của các dạng HA

Ở men răng, các tinh thể HA sắp xếp rất đặc khít với nhau bởi các ô
mạng cơ sở thuộc hệ đơn tà, nhóm không gian P21/b (hình 1.3b). Các hằng
số mạng lần lượt có giá trị: a = 0,9421 nm, b = 1,8843 nm và c = 0,6881
nm, α = β = 90° v à γ = 120° [15].
Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện trên hình 1.4, 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 được gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu
mạch [16]:

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của phân tử HA

1.4.2

Tính chất hoá học

HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành các
muối canxi và nước:
Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl = 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O
Bột HA tương đối bền nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng từ 800

9

÷

1200°C tạo thành oxy-


Đồ án công nghệ

hydroxyapatit:
Ca10(PO4)6(OH)2 = Ca10(PO4)6(OH)2.2xOx + xH2O (0Ở nhiệt độ lớn hơn 1200°C, HA bị phân huỷ thành β-Ca3(PO4)2 (βTCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO:
Ca10(PO4)6(OH)2 = 2β-Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O
Ca10(PO4)6(OH)2 = 3β-Ca3(PO4)2 + CaO + H2O
1.4.3

Tính chất sinh học [16]

Vì có cùng bản chất và thành phần hoá học nên HA tự nhiên và nhân
tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao. Ở dạng bột mịn với
kích thước nano, HA là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với
tỷ lệ Ca/P trong phân tử tương ứng với tỷ lệ trong xương và răng. Ở dạng
màng và dạng xốp, HA có thành phần hoá học và các đặc tính giống xương tự
nhiên, các lỗ xốp thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm
nhập. Chính vì thế mà vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế
bào và 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 thế 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.
Hợp chất HA tương đối bền với dịch men tiêu hoá nên ít chịu ảnh
hưởng của dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn với kích thước nano,

HA được cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản.
Đây là cơ sở ứng dụng chúng để làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao.
Để chế tạo vật liệu HA có tính tương thích sinh học một cách tối ưu
nhất thì cần phải nghiên cứu chuyên sâu với công nghê hiện đại ứng với từng
loại ứng dụng thực tiễn khác nhau.
10


Đồ án công nghệ

1.5 Các phương pháp tổng hợp hydroxyapatite
Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở các dạng khác nhau có thể
được tổng hợp bằng nhiều phương pháp và từ các nguyên liệu khác nhau.
Dựa vào điều kiện tiến hành phản ứng, có thể phân chia các phương pháp
thành:
1.5.1

Phương pháp ướt

Đây là phương pháp chế tạo HA ở dạng bột hoặc dạng màng từ dung
dịch chứa các nguyên liệu ban đầu khác nhau, bao gồm: phương pháp kết tủa,
phương pháp sol - gel, phương pháp phun sấy… Ưu điểm của phương pháp
ướt là có thể điều chỉnh được kích thước của hạt HA theo mong muốn [1].
a)

Phương pháp kết tủa

Việc tổng hợp HA bằng cách kết tủa từ các ion Ca và PO có thể thực
2+

34

hiện theo nhiều cách khác nhau, có thể phân ra thành hai nhóm chính [4]:
•

Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca 2+ và PO dễ tan trong
34

nước:

Các muối hay được dùng là Ca(NO ) , CaCl , (NH ) HPO , NH H PO …
3

2

2

4

2

4

4

2

4

Phản ứng diễn ra theo phương trình (*) được coi là phương pháp cơ bản để

tổng hợp HA [4]:
10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH = Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 +
6H2O (*)
Lượng Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 được chuẩn bị theo tỷ lệ Ca/P =
1.67, pha trong nước cất với nồng độ tương ứng 0,2M và 0,1M. Sau đó, nhỏ
từ từ (tốc độ 2ml/phút) dung dịch (NH 4)2HPO4 vào cốc đựng Ca(NO3)2 trên
máy khuấy từ (tốc độ 300 ÷ 400 vòng/phút). Bổ sung dung dịch NH 4OH để
đảm bảo phản ứng diễn ra trong môi trường pH = 10 ÷ 12 [4].
11


Đồ án công nghệ

Sau khi nhỏ hết lượng dung dịch (NH ) HPO tiếp tục khuấy hỗn hợp
4 2

4

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 C và bảo
0

quản tránh tiếp xúc với không khí [4].
•

Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan
trong nước:
Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3. với axit H3PO4 trong

môi trường kiềm. Ví dụ:
10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O
Trong quá trình điều chế, yếu tố pH cũng đóng vai trò quan trọng. Độ
pH 11 ÷ 12 được điều chỉnh bằng cách thêm từ từ H PO vào Ca(OH) . Các
3

4

2

yếu tố như nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ, môi trường phản ứng. Thường ảnh
hưởng đến chất lượng và hình dạng của tinh thể HA. Để nhận được sản phẩm
HA bột có kích thước mong muốn thì ngoài các yếu tố trên, cần quan tâm đến
sự kết tinh của HA trong suốt quá trình tổng hợp [4].
Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa được thể hiện qua hình 1.5:

12


Đồ án công nghệ

Dung dịch
PO42-

Dung dịch điều
chỉnh pH

Dung dịch
Ca2-

Khuấy, gia
nhiệt

Kết tủa HA

Ly tâm, sấy

Sản phẩm
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa [4]

b)

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], [11].
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,
13


Đồ án công nghệ

dung dịch cao phân tử có thể 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], [11].
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], [11].
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], [11].
c)

Phương pháp phun sấy

Dung dịch chứa các ion Ca2+ và PO43- (tỷ lệ Ca/P = 1.67) được phun
vào thiết bị cùng với khí nén (hình 1.6).

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy

14


Đồ án công nghệ

Tốc độ phun dung dịch được điều chỉnh bằng áp suất khí nén và dòng
khí khô sao cho phản ứng tạo HA xảy ra hoàn toàn, bột HA được sấy khô khi

rơi đến đáy của cột thuỷ tinh gia nhiệt. Sản phẩm HA dạng bột được lấy ra
định kỳ qua bộ phận lắng tĩnh điện. Đây là phương pháp chế tạo bột HA dạng
liên tục, năng suất cao, phù hợp với quy mô sản xuất vừa và lớn [1], [9].
d)

Phương pháp siêu âm hoá học

Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thước “siêu mịn”, có thể tiến
hành phản ứng hoá học trong môi trường sóng có cường độ lớn như vi sóng
hay sóng siêu âm [7].
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 1.7). 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].

15


Đồ án công nghệ

Hình 1.7 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 chia 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].
Hình 1.8 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học. Đầu
phát siêu âm được ngâm vào trong dung dịch để truyền năng lượng cho phản
ứng hoá học. Phương pháp này thường được kết hợp với phương pháp kết tủa
để tạo HA bột có kích thước nanomet [1], [11].

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học

1.5.2
a)

Phương pháp khô
Phương pháp phản ứng pha rắn

Đây là phương pháp tổng hợp HA trên cơ sở thực hiện các phản ứng
16


Đồ án công nghệ

pha rắn. Nguyên liệu ban đầu có thể là: Ca (PO ) và Ca P O , Ca (PO ) và CaO,
3

4

2

4

2

9

3

4

2

được trộn đều theo tỷ lệ Ca/P = 1.7; sau đó tiến hành phản ứng ở nhiệt độ
khoảng 1000 C, trong hệ kín. Phản ứng tạo HA diễn ra như sau [4], [10]:
0

2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O = Ca10(PO4)6(OH)2
2Ca3(PO4)2 + CaO + H2O = Ca10(PO4)6(OH)2
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 bột HA bằng phản ứng pha rắn giữa Ca 3(PO4)2 và
Ca(OH)2 ở nhiệt độ thấp (250 - 300oC) trong áp suất khí quyển:
Ca3(PO4)2 + Ca(OH)2 = Ca10(PO4)6(OH)2
Các phản ứng pha rắn này thường được áp dụng để chế tạo HA 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 [4], [10].
b)

Phương pháp hoá - cơ

Bằng phương pháp hoá - cơ, có thể chế tạo HA bột bằng phản ứng
giữa hai pha rắn CaCO và CaHPO .2H O [4]:
3

4

2

4CaCO3 + 6CaHPO4.2H2O = Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H2CO3
Hoặc bằng các phản ứng [4]:
2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O = Ca10(PO4)6(OH)2
2Ca3(PO4)2 + CaO + H2O = Ca10(PO4)6(OH)2
Nguyên lý của phương pháp này là tác động một lực ma sát lớn giữa
17


Đồ án công nghệ

bi và má nghiền của bi đến các cấu tử của hai pha rắn. Lực này cần phải đủ
mạnh để tạo ra sự khuếch tán nội, tiến tới phản ứng hoá học giữa hai pha rắn
tạo ra pha rắn thứ ba [4], [10].
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 HA nhận được dễ bị
lẫn tạp chất do sự mài mòn của bi và má nghiền [4], [10].
Ngoài những phương pháp đã trình bày ở trên, người ta còn tổng hợp

các màng HA trên các vật liệu trơ sinh học bằng các phương pháp khác:
- Phương pháp kết tủa catốt [4], phương pháp anot hóa vật liệu Titan

trong dung dịch β-glycerophotphat và canxi axetat tại điện áp một chiều 250
÷ 350 von [5], có thể tạo được gốm HA sau khi thực hiện quá trình xử lý
nhiệt ở nhiệt độ từ 300°C đến 800°C.
- Các phương pháp vật lý như bay hơi plasma, cộng hưởng từ hạt

nhân cũng được áp dụng để tạo màng gốm HA trên các vật liệu trơ sinh
học [6].
1.6 Một số phương pháp nghiên cứu bột HA
1.6.1

Phương 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 với độ chính xác cao.
Nguyên lý của phương pháp này là xác định cấu trúc tinh thể dựa vào
những 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 (A0), xấp
xỉ với bước sóng của tia Rơnghen [1].
Một chùm electron đã được gia tốc, có năng lượng cao, đang chuyển
18