Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng vật liệu nanocomposit giữa hydroxyapatit và một số polyme tự nhiên (TT)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HÓA HỌC


NGUYỄN THỊ LAN HƢƠNG

NGHI£N CøU TæNG HîP Vµ §ÆC TR¦NG
VËT LIÖU NanoCOMPOSIT GI÷A HYDROXYAPATIT
Vµ MéT Sè POLYME Tù NHI£N

Chuyên ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 62.44.01.13

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hóa học

HÀ NỘI – 2016


Công trình được hoàn thành tại: Phòng Vô cơ
Viện Hóa học -Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Đào Quốc Hƣơng
2. PGS.TS. Phan Thị Ngọc Bích

Phản biện 1: GS.TS. Nguyễn Trọng Uyển
Trường Đại học KHTN - ĐHQG Hà Nội

Phản biện 2: PGS.TS. Lê Xuân Thành
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Phản biện 3: GS.TS. Triệu Thị Nguyệt
Trường Đại học KHTN - ĐHQG Hà Nội
(Theo Quyết định thành lập Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Viện
số 623/QĐ-VHH, ngày 18 tháng 12 năm 2015)
Luận án sẽ đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện,
họp tại:
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
vào hồi …….. giờ, ngày …….., tháng ………, năm ……………

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Tư liệu, Viện HLKH & CN Việt Nam


MỞ ĐẦU
Hydroxyapatit (HA) là thành phần chính trong chất khoáng của
xương, răng và các mô cứng của động vật có xương sống. HA tự nhiên
và tổng hợp đều có tính tương thích sinh học, gần gũi với các polyme
sinh học và có khả năng tạo xương tốt. Hơn nữa, vật liệu HA kích
thước nanomet có tính tương thích, tái hấp thu và hoạt tính sinh học
cao hơn nhiều so với vật liệu có kích thước micromet. Vì vậy, trong
những năm gần đây, gốm sinh học và composit sinh học chứa HA kích
thước nanomet rất được quan tâm nghiên cứu.
Một xu hướng mới hiện nay là chế tạo các nanocomposit mô phỏng
sinh học, vật liệu lai vô cơ-hữu cơ với chất điền vào là HA và chất nền
là các polyme. Trong các vật liệu nanocomposit HA/polyme, polyme
đóng vai trò là chất nền cung cấp các vị trí tạo mầm, điều chỉnh sự phát

triển và hình thái học của tinh thể nano HA. Sự hình thành liên kết hóa
học giữa HA và polyme, như liên kết hydro, lực Van der Waals, hoặc
phức chất cacboxyl-Ca-cacboxyl,… cho phép phân tán đồng đều HA
trong pha hữu cơ. Nhiều polyme tổng hợp đã được sử dụng. Tuy nhiên,
polyme tự nhiên thường được ưa chuộng hơn do chúng sẵn có, không
độc, một số còn tương thích và phân hủy sinh học. Chúng có thể là các
protein như: collagen, gelatin,…hoặc các polysaccarit như: chitosan,
tinh bột, alginat, dextran, chondroitin sunfat và các dẫn xuất.
Ở nước ta, từ năm 2005, đã có những công bố bước đầu nghiên cứu
tổng hợp HA đơn chất dạng bột, xốp, màng định hướng ứng dụng
trong dược học và y sinh học. Riêng vật liệu composit HA/polyme mới
chỉ có một số ít nghiên cứu chế tạo composit chứa HA và chitosan,
collagen, PLA...
Mặt khác, là một nước nhiệt đới, chúng ta có nguồn tinh bột từ ngũ
cốc và alginat từ rong biển rất phong phú. Để tận dụng nguồn nguyên
liệu sẵn có trong nước và góp phần tạo ra một loại vật liệu có nhiều ưu


điểm và khả năng ứng dụng trong dược học và y sinh học, chúng tôi
chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng vật liệu
nanocomposit giữa hydroxyapatit và một số polyme tự nhiên”.
 Mục tiêu của luận án
Nghiên cứu tổng hợp được các composit chứa HA với một số
polysaccarit từ ngũ cốc và rong biển Việt Nam:
- HA/tinh bột, HA/tinh bột sắn;
- HA/maltodextrin với các DE khác nhau;
- HA/alginat và HA/oligoalginat.
Xác định các đặc trưng và đưa ra được mối liên hệ giữa đặc trưng
của composit HA/polyme và các thông số cấu trúc của polyme.
 Nội dung của luận án

1. Tổng hợp HA ở vùng nhiệt độ thấp (-15, -10, 0oC), nhằm làm
giảm kích thước, độ tinh thể của HA và để so sánh với pha HA trong
các vật liệu composit HA/polyme.
2. Nghiên cứu chế tạo composit HA/tinh bột bằng hai phương pháp:
phương pháp trộn và phương pháp kết tủa trực tiếp. Khảo sát các yếu
tố ảnh hưởng đến đặc trưng của sản phẩm như tỉ lệ thành phần, nhiệt
độ, dung môi, tốc độ cấp axit, sóng siêu âm, kỹ thuật làm khô. Từ đó,
lựa chọn phương pháp và điều kiện thích hợp để tổng hợp các
composit tiếp theo.
3. Tổng hợp các composit HA/tinh bột sắn, HA/maltodextrin với
DE khác nhau bằng phương pháp đã lựa chọn. Khảo sát ảnh hưởng của
giá trị DE đến đặc trưng của các composit.
4. Điều chế oligome của alginat, tổng hợp và khảo sát các đặc trưng
của composit HA/alginat, HA/oligoalginat.
 Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 142 trang với 23 bảng và 86 hình, được trình bày
trong các phần: Mở đầu: 3 trang, Chương 1. Tổng quan: 34 trang,


Chương 2: Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu: 12 trang,
Chương 3: Kết quả và thảo luận: 72 trang, Kết luận và kiến nghị: 2
trang, Danh mục các công trình khoa học đã công bố: 1 trang và 194
Tài liệu tham khảo: 19 trang.
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
 Tổng quan về tình hình nghiên cứu, tính chất, phương pháp điều chế
và ứng dụng của hydroxyapatit (HA).
 Tổng quan về cấu trúc, tính chất và ứng dụng của các polyme tự
nhiên sử dụng trong luận án như: tinh bột (TB), maltodextrin (MD) và
alginat (alg).
 Tổng quan về sự tạo thành, các phương pháp tổng hợp, đặc trưng và

ứng dụng của vật liệu composit HA/polyme.
Chƣơng 2.
THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Hóa chất và các nguyên liệu đầu
Các polyme ban đầu được xác định một số đặc trưng:
- Xác định đương lượng đường khử (DE) của tinh bột và các
maltodextrin;
- Thủy phân cắt mạch alginat tạo thành các oligoalginat;
- Xác định khối lượng phân tử trung bình của các polyme.
2.2. Tổng hợp HA ở vùng nhiệt độ thấp
Phản ứng tổng hợp HA từ Ca(OH)2 và H3PO4 được thực hiện ở các
nhiệt độ -15, -10 và 0oC theo phương pháp kết tủa hóa học.
2.3. Nghiên cứu tổng hợp các composit HA/polyme
2.3.1. Composit HA/tinh bột (HA/TB)
 Phương pháp trộn HA bột: một mẫu composit HA/TB được tổng
hợp bằng cách trộn hai thành phần HA bột và dung dịch tinh bột theo tỉ
lệ 1:1 về khối lượng.
 Phương pháp trộn HA huyền phù:
Phương pháp thực nghiệm tổng hợp composit HA/TB theo phương
pháp trộn huyền phù được tóm tắt theo sơ đồ sau:


Dung dịch
tinh bột

Etanol

Huyền

Khuấy

Hỗn hợp

Ly tâm,

Làm

Composit

phù HA

5 giờ

HA/TB

rửa

khô

HA/TB

 Phương pháp kết tủa trực tiếp:
Phương pháp thực nghiệm tổng hợp composit HA/TB theo phương
pháp kết tủa trực tiếp được tóm tắt theo sơ đồ sau:
Dung dịch H3PO4

Dung dịch tinh bột

Dung dịch Ca(OH)2

Khuấy
2 giờ

Etanol

Hỗn hợp Ca(OH)2và tinh bột

Composit HA/TB

Làm khô

Khuấy
5 giờ

Kết tủa

Ly tâm, rửa

Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của sản phẩm như: tỉ lệ thành
phần, nhiệt độ, dung môi, tốc độ cấp axit, sóng siêu âm, kỹ thuật làm
khô được khảo sát ở phương pháp trộn HA huyền phù và phương pháp
kết tủa trực tiếp.
2.3.2. Composit HA/tinh bột sắn (HA/TBS)
Các mẫu composit HA/TBS được chế tạo theo phương pháp kết tủa
trực tiếp như với composit HA/TB và khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ
thành phần.
2.3.3. Composit HA/maltodextrin (HA/MD) với các DE khác nhau
Các composit HA/MD với DE 12, 16, 20 và 25 được tổng hợp theo
phương pháp kết tủa trực tiếp. Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần được
khảo sát đối với composit HA/MD với DE 12.

2.3.4. Composit HA/alginat (HA/alg) và HA/oligoalginat (HA/olg)
Các composit HA/alg và HA/olig được chế tạo theo phương pháp
kết tủa trực tiếp.


2.4. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng
Để xác định các đặc trưng của composit HA/polyme, luận án đã sử
dụng các phương pháp nghiên cứu: nhiễu xạ tia X trên máy SIEMENS
D5000 (Đức), phổ hồng ngoại trên máy Impact 410-Nicolet FT-IR
(Mỹ), hiển vi điện tử quét trên máy S-4800 Hitachi (Nhật), hiển vi điện
tử truyền qua trên máy JEM 1010 (Nhật Bản), phân tích nhiệt trên máy
TA–60 Shimadzu (Nhật Bản) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân trên máy
Bruker AVANCE 500MHz (Đức).
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Tổng hợp HA bằng phƣơng pháp kết tủa ở vùng nhiệt độ thấp
HA được điều chế từ Ca(OH)2 và H3PO4 theo phương pháp kết tủa
ở vùng nhiệt độ thấp (-15, -10, 0oC) và khảo sát các đặc trưng.
Kết quả phân tích giản đồ XRD (Hình 3.1) cho biết, sản phẩm HA
tổng hợp ở các nhiệt độ trên đều đơn pha, kích thước trung bình và độ
tinh thể giảm nhẹ khi nhiệt độ phản ứng giảm.

Hình 3.1. Giản
đồ XRD của các
mẫu HA tổng hợp
ở -15, -10 và 0oC

Ảnh SEM (Hình 3.2) của các mẫu đều cho thấy, các hạt HA có kích
thước nanomet, chúng kết tập thành từng khối.

0o C

-10oC

-15oC

Hình 3.2. Ảnh SEM của các mẫu HA tổng hợp ở vùng nhiệt độ thấp
Phổ FT-IR của mẫu HA tổng hợp ở 0oC (Hình 3.3) xuất hiện các dải
phổ đặc trưng cho cấu trúc HA. Các dải phổ ở 1034, 607 và 567cm-1 đặc
trưng cho các dao động của nhóm PO43-. Dải đặc trưng của H2O tự do nằm
ở vùng 3448 và 1632 cm-1.

Hình 3.3.
Phổ FT-IR
của mẫu
HA tổng
hợp ở 0oC

Hình 3.4 trình bày đường DTA-TGA của mẫu HA tổng hợp ở 0oC.
Hình
Giản
phân
nhiệt
mẫu
tổng
ở 0oC

3.4.
đồ
tích

của
HA
hợp

Đường TGA cho thấy, quá trình giảm khối lượng của mẫu thể hiện qua
hai giai đoạn; giai đoạn thứ nhất, từ nhiệt độ phòng đến 200oC tương ứng
với sự mất nước vật lý và hóa học (giảm 3,769%). Giai đoạn thứ hai (từ 200
đến 900oC), khối lượng mẫu giảm 3,627% tương ứng với quá trình bay hơi


nước hóa học, nước tinh thể và phân hủy cacbonat.
3.2. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/tinh bột (HA/TB)
3.2.1. Phương pháp trộn HA bột
Mẫu trộn HA bột với dung dịch tinh bột, tỉ lệ khối lượng HA/TB là
1:1 (kí hiệu HT) và được khảo sát các đặc trưng.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA, TB và HT (Hình 3.5) cho thấy, mẫu
composit HT chứa cả hai thành phần HA và TB, với kích thước và độ
tinh thể của HA không thay đổi so với trước khi trộn.
HA
HT
TB

Hình
3.5.
Giản
đồ
XRD
của
HA, tinh bột
(TB)

và
composit
HA/TB (HT)

Ảnh SEM của mẫu composit HT (Hình 3.6) có bề mặt không đồng
đều, có vùng chứa các hạt hình trụ là HA, có vùng chỉ chứa các khối
tinh bột. Chứng tỏ các hạt HA chưa được phân tán vào nền TB, giữa
hai pha còn có bề mặt tách biệt.
TB

HA

HT

Hình 3.6. Ảnh SEM của các mẫu TB, HA và composit HT
Từ phân tích phổ FT-IR và giản đồ DTA-TGA cho thấy, trong mẫu
composit HT có cả hai thành phần HA và TB, tuy nhiên hai thành phần
này tương tác không đáng kể. Từ giản đồ DTA-TGA, có thể tính được
hàm lượng TB trong composit là 52,4%.
3.2.2. Phương pháp trộn HA huyền phù
Composit HA/TB được chế tạo bằng cách trộn huyền phù HA với


dung dịch tinh bột, tiếp đó khảo sát các yếu tố ảnh hưởng.
Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần:
Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/TB với tỉ lệ thành phần
khác nhau đều chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng cho HA,
chứng tỏ chỉ có HA đơn pha trong các composit. Kích thước trung bình
và độ tinh thể của HA (Bảng 3.3) giảm khi hàm lượng tinh bột tăng (từ
mẫu HT70 đến HT10). Như vậy, mạng lưới cấu trúc của tinh bột đã

hạn chế sự phát triển về kích thước và độ tinh thể của HA.
Mẫu
D (nm)
Xc
Bảng 3.3. Kích
HT70
24
0,33
thước trung bình và
độ tinh thể của HA
HT50
22
0,28
trong các mẫu
HT30
19
0,23
composit HA/TB
HT10
18
0,19
Phổ FT-IR của HA, TB và các composit HA/TB (Hình 3.11) cho
thấy, các dải ở vùng từ 3700 đến 3400 cm-1 được gán cho dao động của
nhóm OH trong tinh bột, HA và nước nhưng do tạo liên kết hydro nội
và ngoại phân tử nên dải này trải rộng ra và không có các đỉnh sắc nét.
Những thay đổi về vị trí các dải phổ đã chứng minh có tương tác giữa
các nhóm chức của HA và TB trong vật liệu composit tạo thành.
Hình 3.11.
Phổ FT-IR
của HA,

tinh bột và
các
composit
HA/TB

Ảnh SEM của các mẫu composit HA/TB cho thấy, các hạt HA hình
trụ, phân tán trên nền TB. Hàm lượng TB càng cao, kích thước hạt HA


càng giảm và sự phân tán HA vào nền TB càng đồng đều. Kích thước
của các hạt HA được quan sát trên ảnh TEM (Hình 3.13), HA nguyên
chất có chiều dài 110 nm và đường kính 20 nm đã giảm xuống tương
ứng 80 nm và 16 nm ở mẫu HT50, 45 nm và 12 nm ở mẫu HT10.
HT10

Hình 3.13. Ảnh TEM của các composit HA/TB tổng hợp
theo phương pháp trộn huyền phù
Ảnh hưởng của nhiệt độ: Các mẫu composit HA/TB được chế tạo ở
0, 10, 30 và 50oC. Qua kết quả phân tích XRD và SEM thấy rằng, chỉ
có HA đơn pha được tạo thành trong composit, kích thước và độ tinh
thể của HA tăng nhẹ khi nhiệt độ phản ứng tăng.
Ảnh hưởng của dung môi: Dung môi phản ứng là nước hay etanol
không ảnh hưởng đến tính đơn pha cũng như kích thước và độ tinh thể
của HA trong composit. Tuy nhiên, sự phân tán HA trên nền TB trong
dung môi nước là tốt hơn.
Ảnh hưởng do tác động hỗ trợ của sóng siêu âm: Tác động của
sóng siêu âm với tần số 46 kHz, công suất 200 W đã làm tăng nhẹ kích
thước và độ tinh thể của HA, đồng thời giúp phân tán HA vào nền TB
tốt hơn.
Ảnh hưởng của kỹ thuật làm khô: Mẫu sấy nhiệt có HA với kích

thước và độ tinh thể cao hơn so với mẫu đông khô. Hơn nữa, kỹ thuật
đông khô còn tạo thành các lỗ xốp trong vật liệu composit.
Nhận xét chung về phương pháp trộn:
Phương pháp trộn HA bột không đảm bảo phân bố đều HA trong
nền tinh bột, kích thước và độ tinh thể của HA trong composit không
thay đổi so với HA ban đầu.
Ở phương pháp trộn HA huyền phù, với điều kiện tổng hợp như


sau: tỉ lệ HA/TB là 1/9, tại nhiệt độ phòng, trong dung môi nước, vật
liệu composit HA/polyme tạo thành chứa HA với kích thước chiều dài
45 nm, đường kính 12 nm, phân tán khá tốt và có tương tác với nền
tinh bột. Ngoài ra, dưới tác động của sóng siêu âm và kỹ thuật đông
khô, sự phân tán của HA được cải thiện tốt hơn.
Như vậy, phương pháp trộn HA bột tuy đơn giản, nhưng do HA đã
hình thành dạng tinh thể bền nên hầu như không có tương tác giữa HA
và tinh bột. Còn ở phương pháp trộn huyền phù, HA chỉ vừa mới hình
thành, hạt tinh thể chưa bền nên sẽ xảy ra tương tác tốt hơn. Giữa tinh
thể HA “mới sinh” ở trong huyền phù và dung dịch tinh bột có thể hình
thành liên kết bởi lực Van der Waals hoặc liên kết hydro giữa các
nhóm OH trong phân tử HA và tinh bột.
3.2.3. Phương pháp kết tủa trực tiếp
Composit HA/TB được chế tạo theo phương pháp kết tủa trực tiếp,
các yếu tố ảnh hưởng được khảo sát tương tự như với phương pháp
trộn huyền phù.
Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần:
Giản đồ XRD của các mẫu cho thấy, chỉ có HA đơn pha được hình
thành trong composit. Đáng chú ý, các vạch nhiễu xạ mở rộng và
chồng chập lên nhau ở các mẫu composit, chứng tỏ HA tạo thành có
kích thước nhỏ và độ tinh thể thấp tương tự như pha khoáng HA sinh

học.

HT-7
HT-5
HT-3
HT-1

Hình 3.23.
Giản đồ
XRD của các
mẫu
composit
HA/TB tổng
hợp theo
phương
pháp kết tủa

trực tiếp


Kích thước và độ tinh thể của HA tính từ giản đồ XRD là khá nhỏ
và giảm khi hàm lượng tinh bột tăng lên.
Hình thái học bề mặt của các mẫu composit được xác định qua ảnh
SEM là khá đồng đều, với sự phân bố các hạt HA trên nền TB. Ảnh
TEM (Hình 3.25) cho thấy, sự biến đổi kích thước của các hạt HA khi
hàm lượng TB thay đổi.
HT-7

HT-1

HT-5

HT-3

TB

Hình 3.25. Ảnh TEM
của các mẫu composit
HA/TB với tỉ lệ thành
phần khác nhau

Mẫu HT-7 có các hạt HA hình que, dài 60 nm, đường kính 15 nm,
có hạt kết dính với nhau bởi nền tinh bột. Mẫu HT-5 cho thấy các hạt
HA phân tán khá đồng đều trong chất nền tinh bột với kích thước giảm
xuống, dài 40 nm, đường kính 12 nm. Mẫu HT-3 có sự phân tán hạt
HA trên nền tinh bột là đồng đều nhất, kích thước hạt HA tiếp tục giảm
(dài 18 nm, đường kính 7 nm). Ở mẫu HT-1, với hàm lượng tinh bột
cao nhất, hạt HA có kích thước rất nhỏ, dài khoảng 12 nm, đường kính
2-4 nm.
Trên phổ FT-IR (Hình 3.26) của các mẫu composit HA/TB xuất
hiện các dải phổ đặc trưng cho cấu trúc của HA và tinh bột.


Hình 3.26.
Phổ FT-IR
của
các
composit
HA/TB tổng
hợp

theo
phương
pháp kết tủa
trực tiếp

Tuy nhiên, vị trí của các dải có nhiều thay đổi so với các mẫu
nguyên chất. Bảng 3.9 trình bày sự thay đổi số sóng các dải đặc trưng
của các nhóm chức trong HA, TB và composit HA/TB.
Bảng 3.9. Số sóng của các nhóm chức trong HA, TB
và các composit HA/TB
Số sóng (cm-1)
Dao động
HA
TB
HT-7 HT-5 HT-3 HT-1
3543
3427
3426
3428
3425
(H-O-H)
OH

3571
631

CH

-

4PO43-

567
1025

-

631

2929

2935

2934

2933

2925

-

564
1025

564
1028

565
1030

566
1032

Không xuất hiện

1154
1109
1113
1158
1154
(C-O); (C-C)
Như vậy, phổ hồng ngoại đã cho thấy, có nhiều sự thay đổi về vị trí
các dải phổ, chứng tỏ sự tương tác giữa HA và TB trong composit chế
tạo bằng phương pháp kết tủa trực tiếp khá tốt. Hơn nữa, HA tồn tại ở
dạng apatit-cacbonat tương tự như HA trong xương của cơ thể sinh vật.
Ảnh hưởng của nhiệt độ: Kích thước và độ tinh thể của HA tăng
theo chiều tăng của nhiệt độ. Tuy nhiên, do có mặt TB nên xu hướng


tăng không nhiều so với HA nguyên chất.
Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit: Ở tốc độ cấp axit lớn sẽ tạo thành
các pha CaP khác ngoài HA. Tốc độ 2 ml/phút là thích hợp, đảm bảo
thời gian phản ứng tạo thành và phân tán HA đồng đều trên nền TB.
Ảnh hưởng của dung môi phản ứng: Trong vật liệu composit, HA
được tạo thành đơn pha và phân bố tốt ở dung môi nước và kém thuận
lợi khi có mặt etanol.
Ảnh hưởng do tác động hỗ trợ của sóng siêu âm: HA tăng nhẹ kích
thước, độ tinh thể và được phân tán tốt hơn trên nền TB khi có tác
động của sóng siêu âm.
Ảnh hưởng của kỹ thuật làm khô: Composit được đông khô tơi xốp

và chứa HA có kích thước và độ tinh thể thấp hơn so với sấy nhiệt.
3.2.4. So sánh hai phương pháp tổng hợp vật liệu composit HA/tinh
bột (HA/TB)
Cả hai phương pháp đều tổng hợp được các composit chứa HA đơn
pha, kích thước nanomet, phân tán trong chất nền TB. Bảng 3.14 trình
bày kích thước và độ tinh thể của HA tổng hợp ở -15oC, ở nhiệt độ
phòng và trong composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp trộn
huyền phù và kết tủa trực tiếp.
Bảng 3.14. Kích thước và độ tinh thể của HA tổng hợp theo các
phương pháp khác nhau

Xc
D (nm) theo
XRD
D (nm) theo
SEM, TEM

HA (ở
-15oC)

HA (nhiệt
độ phòng)
0,78

HA (trộn
huyền phù,
HT10)
0,19

HA (kết tủa

trực tiếp,
HT-1)
0,10

0,27
23

31

18

13

Dài: 100
Dài: 45
Dài: 19
20-50 Đường kính: Đường kính:
Đường kính:
20
12
4-6
Từ Bảng 3.14 cho thấy, kích thước và độ tinh thể của HA tổng hợp


theo phương pháp kết tủa trực tiếp giảm mạnh so với các phương pháp
khác. Hơn nữa, khi có mặt tinh bột, HA được phân tán đồng đều trên
nền polyme và không còn hiện tượng kết tập như HA nguyên chất.
Ngoài ra, hình thái học của HA biến đổi mạnh bởi tác dụng của tinh
bột trong phương pháp kết tủa trực tiếp. Khi hàm lượng tinh bột tăng
lên, hạt HA từ hình trụ chuyển sang hình cầu trong nanocomposit

HA/TB. Theo phổ FT-IR, sự thay đổi số sóng của các dải đặc trưng
của HA và tinh bột trong composit chế tạo theo phương pháp kết tủa là
rõ rệt hơn, chứng tỏ tương tác giữa hai pha ở phương pháp kết tủa trực
tiếp là tốt hơn so với phương pháp trộn. Hơn nữa, việc tạo ra HA dạng
apatit-cacbonat có kích thước nhỏ, độ tinh thể thấp tương tác tốt với
polyme là tương tự với cấu trúc của HA sinh học.
Như vậy, tuy khá đơn giản nhưng ở phương pháp trộn, khả năng
hạn chế sự phát triển về kích thước và độ tinh thể cũng như sự tương
tác giữa pha vô cơ và pha hữu cơ là kém hơn so với phương pháp kết
tủa trực tiếp. Ở phương pháp kết tủa trực tiếp, sự tạo thành tinh thể HA
xảy ra ngay trong môi trường có sẵn TB. Có thể mô tả sự hình thành
vật liệu composit HA/TB theo sơ đồ sau đây (Hình 3.39).

PO43Ca2+
-OH
OHHA
Tinh bột

Hình 3.39. Sơ đồ sự hình thành HA trên chất nền tinh bột
theo phương pháp kết tủa trực tiếp
Nhóm hydroxyl (OH) của phân tử polyme là một trong các nhóm
chức đóng vai trò quan trọng trong sự tạo mầm và điều chỉnh sự phát
triển kích thước và hình thái học của tinh thể HA. Phân tử tinh bột


chứa các đơn vị glucozơ nối với nhau bởi các liên kết α-glycozit, mỗi
mắt xích glucozơ có ba nhóm OH tự do. Ban đầu, các nhóm OH của
tinh bột tương tác với các ion Ca2+, tiếp đến các nhóm PO43- và OH- sẽ
được gắn vào các ion Ca2+ hấp thụ. Tiếp theo, sự phát triển tinh thể HA
sẽ được định hướng bởi những vị trí tạo mầm này. Hơn nữa, chất nền

tinh bột có vai trò như mạng lưới 3-D, giới hạn mầm tinh thể HA trong
những lỗ có kích thước nanomet của nó. Ngoài ra, tinh bột còn hạn chế
các ion Ca2+, PO43-, OH- chuyển đến bề mặt mầm tinh thể HA. Do đó,
kìm hãm sự lớn lên và kết tập của các tinh thể HA trong vật liệu
composit.
3.3. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/tinh bột sắn (HA/TBS)
Các mẫu composit HA/TBS với tỉ lệ thành phần khác nhau được
tổng hợp theo phương pháp kết tủa trực tiếp tại nhiệt độ phòng. Để so
sánh, mẫu composit được tổng hợp theo phương pháp trộn HA bột và
dung dịch TBS, kí hiệu mẫu là HS.
Giản đồ XRD xác nhận chỉ có HA đơn pha được tạo thành trong
các composit. Kích thước ở cấp độ nanomet và độ tinh thể của HA tính
từ giản đồ XRD có xu hướng giảm khi hàm lượng TBS tăng lên.

HS

Hình 3.40.
Giản
đồ
XRD
của
các
composit
HA/TBS

Ảnh SEM (Hình 3.41) và ảnh TEM của các composit cho thấy, các
hạt HA hình trụ, kích thước nanomet, phân bố trên nền TB. Hình thái
học của mẫu biến đổi và kích thước các hạt HA giảm khi hàm lượng
TBS tăng lên. Tuy nhiên, vẫn còn hiện tượng kết tập xảy ra ở những
mẫu có hàm lượng HA cao (HS50, HS70).

HS70

HS30

HS50

HS10

Hình 3.41.
Ảnh SEM
của
các
composit
HA/TBS

3.4. Nghiên cứu tổng hợp các composit HA/maltodextrin (HA/MD)
với DE khác nhau
3.4.1. Nghiên cứu tổng hợp các composit HA/MD với DE 12, 16, 20
và 25
Các mẫu composit HA/MD với DE bằng 12, 16, 20 và 25 (kí hiệu
mẫu lần lượt HM12, HM16, HM20 và HM25) được tổng hợp bằng
phương pháp kết tủa trực tiếp. Ảnh hưởng của DE cũng chính là ảnh
hưởng của mạch phân tử MD đến các đặc trưng của composit HA/MD
được khảo sát.
Giản đồ XRD (Hình 3.45) của các mẫu đều là đặc trưng cho HA với
các vạch nhiễu xạ mở rộng và chồng chập lẫn nhau.

HM12

HM16
HM20
HM25

Hình 3.45.
Giản
đồ
XRD của
các
composit
HA/MD với
DE
khác
nhau

Đặc biệt ở mẫu HM25, các vạch nhiễu xạ chồng chập tạo thành


vùng, không có các đỉnh riêng biệt. Kích thước trung bình và độ tinh
thể của HA giảm dần khi giá trị DE của MD tăng. Điều này chứng tỏ,
khối lượng phân tử trung bình càng thấp, mạch phân tử MD càng ngắn
thì HA tạo thành có kích thước và độ tinh thể càng thấp.
Ảnh TEM của các composit HA/MD được thể hiện trên Hình 3.47.
HM12

HM25

HM16

HM20

MD

Hình

3.47.

Ảnh

TEM của MD và
các
composit
HA/MD

Trong các mẫu HM12, HM16 và HM20, nổi bật lên là các hạt HA
hình que màu đậm hơn được gắn hoàn toàn trong phần nền màu nhạt
hơn là MD. Kích thước các hạt là rất nhỏ, khoảng 25 nm (HM12), 20
nm (HM16) và 17 nm (HM20) chiều dài, đường kính 5-10 nm. HA
trong xương động vật cũng có cấu trúc hình que, độ tinh thể thấp với
chiều dài 40-60 nm, rộng 10-20 nm, dày 1-3 nm. Đặc biệt, ở mẫu
HM25, toàn bộ mẫu là các hạt composit hình cầu có kích thước 8-15
nm, không quan sát thấy hạt HA hình que và nền MD riêng rẽ. Điều
này chứng tỏ, HA và MD25 đã tương tác rất tốt, tạo ra vật liệu lai vô
cơ-hữu cơ ở cấp độ phân tử.
3.4.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần đến các đặc trưng của
composit HA/MD với DE 12
Với MD có DE 12, các composit HA/MD có tỉ lệ thành phần khác
nhau được chế tạo theo phương pháp kết tủa trực tiếp và khảo sát các
đặc trưng. Qua các kết quả phân tích XRD, FT-IR, SEM, TEM và
DTA-TGA cho thấy, HA và MD đã hình thành nên vật liệu composit

đồng nhất về cấu trúc. Việc tăng hàm lượng MD đã làm cho hình thái
học của composit thay đổi và sự phân tán HA vào nền MD tốt hơn.
Kích thước và độ tinh thể của HA tạo thành rất nhỏ, ở mẫu có hàm
lượng MD cao nhất (90%), HA có chiều dài 8-12 nm, đường kính 3-5
nm. Tương tác giữa các nhóm chức của HA và MD khá tốt.
3.4.3. So sánh các composit HA/MD với DE khác nhau
Các hệ composit HA/polyme ở trên đều chứa HA và các
polysaccarit xuất phát từ tinh bột và có sự biến đổi về khối lượng phân
tử trung bình tương ứng với chiều dài mạch phân tử và được đặc trưng
bằng giá trị DE. Tinh bột sắn có DE 0 chưa bị thủy phân, có mạch
phân tử dài nhất, mức độ thủy phân của các dẫn xuất của nó ngày càng
tăng, đến MD25 (DE 25) là polysaccarit có khối lượng phân tử trung
bình nhỏ nhất và mạch phân tử là ngắn nhất. Tương tác giữa HA với
tinh bột và các dẫn xuất của nó là giống nhau, chủ yếu thông qua
nguyên tử canxi và nhóm chức OH. Tuy nhiên, sự khác nhau về DE
tương ứng với chiều dài và cấu trúc mạch phân tử polyme đã làm biến
đổi các đặc trưng của composit tạo thành.
Với tinh bột sắn, composit HA/TBS chứa các hạt tinh thể HA hình
trụ, khá giống với HA nguyên chất, hiện tượng kết tập giữa các hạt
được hạn chế một phần nhưng vẫn còn xảy ra. Điều này là do, nguyên
liệu tinh bột sắn chưa qua quá trình xử lý, vẫn giữ nguyên cấu trúc
dạng hạt được bao gói chặt chẽ và ít tan trong nước. Do đó, tương tác
giữa HA và TBS trong composit là chưa nhiều.
Composit chứa HA và tinh bột cho thấy các hạt HA có cấu trúc
hình trụ, phân tán đồng đều trong nền tinh bột, tương tác giữa hai pha
là khá tốt. Dung dịch tinh bột có tác dụng như là mạng lưới 3-D hạn
chế sự lớn lên và kết tập của HA. Hơn nữa, các mạch xoắn kép của
amylozơ và mạch nhánh amylopectin trong tinh bột tạo thành những lỗ

có kích cỡ nanomet có thể “giam cầm” các hạt tinh thể HA. Do đó, các
tinh thể HA có thể bị “đúc khuôn hình học” trong những lỗ đó tạo nên
cấu trúc HA nanomet.


Các composit HA/MD với giá trị DE tăng lên từ 12, 16 đến 20 có
các hạt tinh thể HA hình que, dài hơn so với HA trong composit
HA/TB. Có thể là do, qua quá trình thủy phân, mạch phân tử tinh bột
bị cắt ngắn, các mạch nhánh và xoắn kép ít đi, nên không còn tạo ra
các khoảng không gian để giới hạn mầm tinh thể HA. Do đó, các tinh
thể phát triển định hướng theo mạch dài phân tử polyme, tạo nên dạng
hình que dài. Mặt khác, khi giá trị DE tăng lên 25, chiều dài mạch tinh
bột ngắn đi, số lượng các vị trí nhóm OH phân cực đóng vai trò tạo
mầm và định hướng cho HA tăng lên. Điều này dẫn đến hình thành
một số lượng lớn các mầm tinh thể HA. Do sự giới hạn về nồng độ các
ion Ca2+, PO43-, OH- trong dung dịch, quá trình phát triển mầm tinh thể
HA không tiếp tục xảy ra. Vì thế, tinh thể HA hình thành trong
composit HA/MD25 có độ tinh thể rất thấp và kết hợp hoàn toàn với
MD tạo nên vật liệu lai vô cơ-hữu cơ.
3.5. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/alginat (HA/alg) và
HA/oligoalginat (HA/olig)
3.5.1. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/alginat (HA/alg)
Composit HA/alg được chế tạo theo phương pháp kết tủa trực tiếp
với tỉ lệ thành phần khác nhau và khảo sát các đặc trưng.
Giản đồ XRD (Hình 3.53) của các mẫu xác nhận chỉ có HA đơn
pha, kích thước nanomet được tạo thành trong các composit. Kích
thước và độ tinh thể của HA giảm xuống rất thấp khi hàm lượng alg
tăng lên.
HG7
HG5

HG3
HG1

Hình 3.53.
Giản
đồ
XRD của
các
composit
HA/alg

Phổ FT-IR của các mẫu composit HA/alg (Hình 3.56) cho thấy,
alginat trong composit đã có sự thay đổi đáng chú ý, dải phổ tại 1644


và 1438 cm-1 ban đầu đặc trưng cho dao động hóa trị bất đối xứng và
đối xứng của nhóm COO- chuyển mạnh về số sóng thấp hơn (16121619, 1416-1419 cm-1). Điều này chứng tỏ, sự tương tác giữa HA và
alginat đã xảy ra ở mức độ phân tử và chủ yếu là ở nguyên tử Ca với
nhóm COO-.
Hình
3.56. Phổ
FT-IR
của alg
và
các
composit
HA/alg

Kết hợp các phân tích từ XRD, SEM, TEM và FT-IR chứng tỏ hai
pha (HA và alginat) trong vật liệu composit đã kết hợp hoàn toàn tạo

nên vật liệu lai vô cơ-hữu cơ.
3.5.2. Đặc trưng các oligome của alginat
Để khảo sát ảnh hưởng của các khối polyme khác nhau của alginat
đến sự tạo thành composit HA/olig. Alginat được thủy phân bằng
H3PO4 tạo thành các oligoalginat giàu các khối GG (kí hiệu A1) và
khối MM (kí hiệu A2). Bằng các phương pháp XRD, FT-IR và NMR
chứng tỏ các oligoalginat đã được tách với độ sạch cao.
3.5.3. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/olig
Sau khi được tách, hai oligoalginat được sử dụng để tổng hợp các
composit HA/olig (kí hiệu HA1 và HA2) theo phương pháp kết tủa
trực tiếp và khảo sát các đặc trưng.
Giản đồ XRD của các mẫu HA/olig (Hình 3.65) đều có các vạch
nhiễu xạ đặc trưng cho pha tinh thể HA, tuy nhiên các vạch mở rộng
và chồng lấp lên nhau. Mặt khác, ở mẫu HA2 còn có thể quan sát rõ


các vạch nhiễu xạ đặc trưng pha HA, còn mẫu HA1 cho thấy, các vạch
không tách biệt mà mở rộng tạo nên các vùng nhiễu xạ. Điều này
chứng tỏ, tinh thể HA tạo thành khi có mặt oligome A1 có kích thước
và độ tinh thể thấp hơn so với oligome A2.

HA2
HA1

Hình 3.65.
Giản
đồ
XRD của
các
mẫu

HA/olig

Sự thay đổi trong phổ hồng ngoại của hai mẫu chứng tỏ tương tác
giữa oligome A1 và A2 với HA là có sự khác biệt. Tương tác giữa HA
và alginat đã được xác nhận là do các nhóm cacboxyl tương tác tĩnh
điện với ion canxi. Tuy nhiên, do cấu trúc gấp nếp của các khối GG
mới tạo thành khoảng không gian để các ion canxi đi vào, tạo ra phức
–OOC-Ca-COO- dạng “hộp trứng”, còn với các khối MM thì chỉ là
tương tác tĩnh điện. Vì thế, tương tác giữa HA với oligome A1 (giàu
các khối GG) sẽ khác với oligome A2 (giàu các khối MM) trong các
composit HA/olig.

Hình 3.66. Phổ FT-IR của các mẫu HA/oligoalginat
Ảnh TEM các mẫu composit (Hình 3.68) cho biết, mẫu HA1 có cấu
trúc hoàn toàn đồng nhất, không quan sát thấy hạt HA và nền
oligoalginat riêng biệt.


HA1

HA2

Hình 3.68.
Ảnh TEM
của các
mẫu
HA/olig

Ở mẫu HA2, các tinh thể HA hình kim, dài khoảng 20-40 nm,
đường kính 5-7 nm, phân tán đồng đều trên nền oligoalginat.

Nhận xét:
Như vậy, bằng việc thay đổi hàm lượng và cấu trúc alginat có thể
điều chỉnh cấu trúc, hình thái học, sự phân tán và tương tác giữa tinh
thể HA với pha hữu cơ trong composit. Các composit HA/alg và
HA/olig tạo thành bằng phương pháp kết tủa trực tiếp đều mang đặc
điểm, HA có kích thước nanomet, độ tinh thể thấp, tương tác với
polyme tương tự như HA sinh học.
Điểm khác nhau giữa các hệ composit chứa HA và alginat,
oligoalginat và các dẫn xuất từ tinh bột chính là tương tác giữa HA và
polyme. Các composit chứa HA và dẫn xuất từ tinh bột tương tác chủ
yếu qua nguyên tử canxi và nhóm –OH. Còn trong composit
HA/alginat là tương tác giữa nguyên tử canxi và nhóm –COOH. Với
các điều kiện tổng hợp đã đưa ra ở mỗi hệ, các composit HA/polyme
đều chứa HA đơn pha, kích thước nanomet. Ở vật liệu composit
HA/tinh bột sắn, khả năng phân tán HA trên nền tinh bột sắn chưa cao,
vẫn còn hiện tượng kết tập. Với composit HA/tinh bột, hạt HA hình trụ
phân tán khá tốt trên nền tinh bột. Các composit HA/maltodextrin,
HA/alginat và HA/oligoalginat chứa HA có kích thước nhỏ nhất, phân
tán đồng đều và tương tác tốt với polyme. Riêng với MD25 và
oligoalginat giàu khối G đã tạo ra vật liệu lai vô cơ-hữu cơ HA/polyme
có những ứng dụng đặc biệt trong y sinh học.


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
1. Đã thành công trong việc tổng hợp nano HA bằng phương pháp
kết tủa ở vùng nhiệt độ thấp (0oC và dưới 0oC), sản phẩm bột HA thu
được đều đơn pha, kích thước nanomet và độ tinh thể thấp. Hiện tượng
kết tập giữa các hạt xảy ra mạnh. Kích thước hạt giảm xuống theo
nhiệt độ nhưng sự thay đổi không lớn so với vùng nhiệt độ cao.

2. Đã tổng hợp thành công và khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng
trong quá trình chế tạo các nanocomposit HA/TB theo hai phương
pháp: phương pháp trộn và phương pháp kết tủa trực tiếp. Tác dụng
làm giảm kích thước, độ tinh thể, điều chỉnh hình thái học và phân tán
HA của tinh bột trong composit chế tạo bằng phương pháp kết tủa trực
tiếp là vượt trội hơn so với phương pháp trộn. So với HA được chế tạo
ở vùng nhiệt độ thấp khi không có mặt tinh bột, HA trong các composit
có kích thước nhỏ và độ tinh thể thấp hơn nhiều, phân tán đồng đều và
tương tác tốt với tinh bột.
3. Đã tổng hợp thành công các nanocomposit HA/TBS, HA/MD với
DE 12, 16, 20, 25 bằng phương pháp kết tủa trực tiếp và xác định được
mối quan hệ giữa DE của MD đến các đặc trưng của sản phẩm. DE
càng cao, kích thước và độ tinh thể của HA trong composit càng nhỏ.
Riêng đối với nanocomposit HA/MD với DE 25, đã chế tạo được vật
liệu lai vô cơ-hữu cơ ở cấp độ phân tử với cấu trúc đồng nhất chứa HA
tương tự HA sinh học. Đây là điểm mới của luận án.
4. Đã tổng hợp thành công các nanocomposit HA/alginat và
HA/oligoalginat theo phương pháp kết tủa trực tiếp và xác định được
mối quan hệ giữa cấu trúc alginat đến các đặc trưng của composit. Từ
những kết quả đặc trưng như XRD, FT-IR, SEM, TEM và TGA-DTA
đã khẳng định thành công trong việc tạo ra hệ vật liệu lai vô cơ-hữu cơ.
Đây cũng là điểm mới của luận án.
5. Từ kết quả nghiên cứu hai hệ nanocomposit HA/polyme với
polyme từ tinh bột và từ alginat, đã phân biệt được tương tác giữa HA