Nghiên cứu tổng hợp và xác định các đặc trưng của vật liệu hydroxyapatit đi từ vỏ trứng ứng dụng trong tái tạo xương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

LƯU TRƯỜNG GIANG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ XÁC ĐỊNH CÁC
ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU HYDROXYAPATIT
ĐI TỪ VỎ TRỨNG ỨNG DỤNG TRONG TÁI TẠO XƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HÓA HỌC

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGUYỄN KIM NGÀ

HÀ NỘI - 2016


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS Nguyễn Kim Ngà đã tận tình
hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ, giảng viên của bộ môn Hóa Vô Cơ Đại
Cương, cũng như các thầy giáo, cô giáo đang công tác tại Viện Kỹ Thuật Hóa Học, Đại
Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho em nghiên cứu và hoàn thành
luận văn cũng như trong suốt quá trình học tập.
Xin cảm ơn gia đình, các anh chị em, bạn bè đã động viên tinh thần, giúp đỡ để
tôi có thể hoàn thành cuốn luận văn này!
Học viên

Lưu Trường Giang

2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong luận văn là những kết quả
của riêng tôi, có được sau quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và thí nghiệm lâu dài dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Kim Ngà, Viện Kỹ Thuật Hóa Học –Trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội. Các kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và không trùng
lặp với các đề tài khác.
Học viên

Lưu Trường Giang

3


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA ........................................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................................2
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................................3
MỤC LỤC ....................................................................................................................................4
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT....................................................................................6
DANH MỤC BẢNG .....................................................................................................................7
DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ .................................................................................................8
PHẦN MỞ ĐẦU ...........................................................................................................................9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .............................................................................. 12
1.1

TỔNG QUAN VỀ HYDOXYAPATIT ......................................................................... 12

1.1.1.

Cấu tạo – tính chất ............................................................................................... 12

1.1.2.

Hydroxyapatit – đối tượng nghiên cứu nhiều tiềm năng ứng dụng ....................... 15

1.1.3.

Các phương pháp tổng hợp hydroxyapatit ........................................................... 18

1.1.4.

Phương hướng nghiên cứu hiện tại ....................................................................... 24

1.2.

VỎ TRỨNG – ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO – TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG .......................... 26

1.2.1.

Vỏ trứng – nguồn nguyên liệu lý tưởng tổng hợp hydroxyapatit ........................... 26

1.2.2.

Cấu tạo – thành phần vỏ trứng ............................................................................. 28

1.2.3.

Phương pháp chế tạo HAp từ vỏ trứng ................................................................. 29

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM – NGHIÊN CỨU.......................................... 31
2.1.

ĐIỀU KIỆN TỔNG HỢP VÂT LIỆU .......................................................................... 31

2.1.1.

Dụng cụ, thiết bị ................................................................................................... 31

2.1.2.

Hóa chất ............................................................................................................... 32

2.2.

THỰC NGHIỆM ......................................................................................................... 33

2.2.1.
Xác định điều kiện tổng hợp HAp bằng phương pháp thủy nhiệt có sự hỗ trợ của
chất hoạt động bề mặt ......................................................................................................... 33
2.2.2.

Tổng hợp Hydroxyapatit đi từ vỏ trứng................................................................ 34
4

2.2.3.

Các phương pháp xác định đặc trưng cấu trúc vật liệu ........................................ 36

2.2.4.

Thử nghiệm xác định hoạt tính vật liệu ................................................................ 37

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................................ 41
3.1. ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT VÀ THỜI GIAN
THỦY NHIỆT ĐẾN HÌNH THÁI HỌC VÀ KÍCH THƯỚC CỦA HẠT NANO
HYDROXYAPATIT. .............................................................................................................. 41
3.1.1.

Kết quả phân tích SEM ........................................................................................ 41

3.1.2.

Kết quả phân tích XRD ........................................................................................ 44

3.1.3.

Kết quả IR VÀ EDS.............................................................................................. 45

3.1.4.

Cơ chế quá trình tổng hợp .................................................................................... 48

3.2. CÁC TÍNH CHẤT CỦA HẠT NANO HYDROXYAPATIT TỔNG HỢP TỪ VỎ
TRỨNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT DƯỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA CHẤT HOẠT

ĐỘNG BỀ MẶT CTAB VÀ P123 ........................................................................................... 50
3.2.1.

Kết quả phân tích SEM ........................................................................................ 50

3.2.2.

Kết quả phân tích IR ............................................................................................ 51

3.2.3.

Kết quả phân tích XRD ........................................................................................ 54

3.2.4.

Kết quả phân tích EDX......................................................................................... 55

3.3.

ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA VẬT LIỆU HAP TỪ VỎ TRỨNG .......... 57

3.3.1.

Kết quả phân tích SEM ........................................................................................ 57

3.3.2.

Kết quả phân tích EDX......................................................................................... 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................................... 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................... 62
PHỤ LỤC ................................................................................................................................... 70

5


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
-

HAp: Hydroxyapatit.

-

CTAB: Chất hoạt động bề mặt Cetyl Trimêtyl Amôni Brômua

-

P123: Chất hoạt động bề mặt Pluronic

-

FTIR: Fourier Transform Infrared (Phương pháp phân tích quang phổ hồng
ngoại).

-

SEM: Scanning Electron Microscope (Phương pháp kính hiển vi điện tử quét ).

-

XRD: Xray diffraction (Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X).

-

EDS: Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (Phổ tán sắc năng lượng tia X)

6


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: So sánh Hydroxyapatit từ các nguồn nguyên liệu khác nhau ………...…..…27
Bảng 2: Các thành phần cơ bản có trong vỏ trứng trắng và vỏ trứng xám.................28
Bảng 3: Thành phần ion trong huyết tương và dung dịch SBF ……….………...…..…38
Bảng 4: Thành phần các chất có trong dung dịch SBF ………………………….…..…39
Bảng 5: Sơ đồ nuôi cấy vật liệu màng HAp/PDLLA trong dung dịch SBF …….........39
Bảng 6: Hình thái học và kích thước của HAp …………………………….…….......…42
Bảng 7: Thành phần % theo khối lượng mẫu S1-12……………………….……......….47
Bảng 8: Tỉ lệ Ca/P của mẫu S1-12 theo số mol …………………………….…..….....…47
Bảng 9: Kích thước hạt nano HAp tổng hợp từ vỏ trứng ……………………………...51
Bảng 10: Các nhóm đặc trưng tương ứng số sóng mẫu HAp-CTAB………….…...….52
Bảng 11: các nhóm đặc trưng tương ứng số sóng mẫu HAp-P123…………….……..53
Bảng 12: tỷ lệ thành phần nguyên tố trong mẫu HAp-CTAB tổng hợp từ vỏ trứng...55
Bảng 13: Thành phần trong bông apatit phát triển trên vật liệu nuôi cấy…………..60

7


DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ
Hình 1: Công thức cấu tạo của Hydroxyapatit…………………………………………...12

Hình 2: Cấu trúc mạng tinh thể Hydroxyapatit……………………………………….….13
Hình 3: Các tinh thể HAp kết tinh trong tự nhiên…………………………………….….13
Hình 4: Phương pháp phản ứng pha phắn trong tổng hợp HAp……………………….18
Hình 5: Phương pháp hóa cơ sử dụng bi (bóng) nghiền…………………………….….19
Hình 6: Phương pháp kết tủa cơ bản trong tổng hợp HAp…………………… …… ...21
Hình 7: Phương pháp Sol-Gel…………………………………………………

… ….21

Hình 8: So sánh sự phát triển của các hạt nano HAp trong điều kiện thường và điều
kiện thủy nhiệt…………………………………………………………………………….….22
Hình 9: Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp Hydroxyapatit………………………….….23
Hình 10: Một số nguyên liệu tự nhiên được sử dụng trong tổng hợp HAp……..……25
Hình 11: Sơ đồ tiến hành tổng hợp Hydroxyapatit sử dụng CTAB……………… …..33
Hình 12: Sơ đồ tổng hợp Hydroxyapatit sử dụng P123…………………………..… ..36
Hình 13: Kết quả ảnh chụp SEM các mẫu HAp theo nồng độ CTAB khác nhau… ..41
Hình 14: Kết quả ảnh chụp SEM các mẫu HAp có thời gian thủy nhiệt khác nhau..42
Hình 15: Giản đồ XRD các mẫu HAp với nồng độ CTAB khác nhau………………..44
Hình 16: Giản đồ phổ hồng ngoại IR và giản đồ phân tích thành phần mẫu HAp...46
Hình 17: Cơ chế quá trình tổng hợp HAp sử dụng chất hoạt động bề mặt CTAB…48
Hình 18: Ảnh chụp SEM mẫu HAp tổng hợp từ vỏ trứng………………………….….50
Hình 19: Giản đồ phổ hồng ngoại các mẫu HAp tổng hợp từ vỏ trứng…………..…52
Hình 20: Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu HAp tổng hợp từ vỏ trứng…………….…54
Hình 21: Giản đồ phổ tán sắc năng lượng EDX mẫu HAp tổng hợp từ vỏ trứng….55
Hình 22: Ảnh chụp SEM mẫu HAp-CTAB tổng hợp từ vỏ trứng sau khi nuôi cấy…57
Hình 23: Giản đồ phổ EDX mẫu HAp-CTAB từ vỏ trứng sau nuôi cấy 3 ngày……59
Hình 24: Giản đồ phổ EDX mẫu HAp-CTAB từ vỏ trứng sau nuôi cấy 10 ngày……59

8

PHẦN MỞ ĐẦU
Lĩnh vực y sinh nói chung và kỹ thuật mô xương nói riêng đang ngày càng được
quan tâm nghiên cứu nhằm đáp ứng nhu cầu thay thế, chữa trị các mô cứng bị khiếm
khuyết trong cơ thể do tai nạn hoặc bẩm sinh, lão hóa. Trong nhiều thập kỷ qua, nhiều
loại vật liệu đã được giới khoa học nghiên cứu, tìm hiểu để đưa vào ứng dụng trong kỹ
thuật mô xương, trong số đó, vật liệu hydroxyapatit (HAp) nhận được sự chú ý nhiều
nhất do những tính chất đặc biệt của nó. Hydroxyapatit là một loại canxi phốt phát
được tìm thấy nhiều nhất trong xương và răng của động vật, nó có hoạt tính sinh học và
tính tương hợp sinh học cao, tạo các liên kết sinh hóa với các tế bào, đẩy nhanh quá
trình sinh trưởng và phát triển của các nguyên bào xương, giúp hình thành xương non
nhanh chóng mà không bị cơ thể đào thải. Hiện nay, các nhà khoa học đang tập trung
tìm hiểu các phương pháp để điều chế hydroxyapatit có kích thước nano (có ít nhất 1
chiều < 100 nm) do hoạt tính của chúng cao gấp nhiều lần HAp có kích thước lớn.
Ngoài ra, việc sử dụng các nguồn nguyên liệu thiên nhiên, đặc biệt là các loại chất thải
nông nghiệp vào quá trình điều chế tổng hợp HAp cũng được đẩy mạnh, vừa có thể chế
tạo hạt HAp sinh học, an toàn với cơ thể con người, đồng thời giúp xử lý một lượng
lớn các loại chất thải sinh học, bảo vệ môi trường.
 Lý do chọn đề tài
Ở nước ta, vật liệu hydroxyapatit cũng được nghiên cứu từ lâu, trong đó cũng có
nhiều nghiên cứu hướng đến việc sử dụng một loại chất thải nông nghiệp là vỏ trứng để
tổng hợp hydroxyapatit. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều chưa giành sự quan
tâm đúng mực đến việc phải chế tạo ra HAp có hình thái học phù hợp và có kích thước
nano cho các ứng dụng y sinh, nhất là trong lĩnh vực cấy ghép mô xương. Nhằm bổ
sung và hoàn thiện thêm kiến thức về vấn đề này, tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu
tổng hợp và xác định các đặc trưng của vật liệu Hydroxyapatit đi từ vỏ trứng ứng
dụng trong tái tạo xương”.
9

 Lịch sử nghiên cứu
Tình hình nghiên cứu trên thế giới
-

Năm 2007, Siva Rama D và cộng sự đã điều chế hydroxyapatit từ vỏ trứng bằng
phương pháp kết tủa hóa học cơ bản [50].

-

Năm 2009, Siddharthan đã nghiên cứu các tính chất của hydroxyapatit từ vỏ
trứng ở các tỉ lệ Ca/P khác nhau [49].

-

Năm 2010, Gergrly đã tổng hợp hydroxyapatit từ vỏ trứng bằng phương pháp
hóa cơ, sử dụng máy nghiền bi [18].

-

Năm 2013, Wu Su và cộng sự đã tổng hợp hydroxyapatit từ vỏ trứng và chất
thải từ trái cây bằng phương pháp thủy nhiệt [46].
Tình hình nghiên cứu trong nước

-

Năm 2009, Vũ Thị Dịu đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột
hydroxyapatite kích thước nano điều chế từ canxi hydroxit [1].

-

Năm 2011, Nguyễn Văn Hưởng đã khảo sát quá trình tách và một số đặc trưng
của canxi hydroxyapatit từ xương động vật [2].

-

Năm 2012, Phạm Thi Sao đã nghiên cứu chế tạo Hydroxyapatit dạng gốm xốp
từ nguyên liệu vỏ trứng và đá vôi [3].

 Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo và xác định các tính chất của Hydroxyapatit kích thước nano
từ nguồn nguyên liệu vỏ trứng gà bằng phương pháp thủy nhiệt có sự hỗ trợ của các
chất hoạt động bề mặt, định hướng ứng dụng trong lĩnh vực tái tạo xương.

10


 Nội dung nghiên cứu
-

Khảo sát sự ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt CTAB và thời gian thủy nhiệt
đến hình thái học và kích thước của hạt nano hydroxyapatit tổng hợp bằng
phương pháp thủy nhiệt, từ đó đưa ra quy trình tổng hợp tối ưu.

-

Áp dụng quy trình vừa nghiên cứu được, đồng thời sử dụng quy trình đã có từ
nghiên cứu trước vào để tổn hợp hydroxyapatit từ nguồn nguyên liệu vỏ trứng
gà xám bằng phương pháp thủy nhiệt, dưới sự hỗ trợ của chất hoạt động bề mặt
CTAB và P123.

-

Thử nghiệm đánh giá khả năng dẫn tạo xương thông qua khả năng dẫn tạo apatit
trong môi trường nuôi cấy SBF của vật liệu hydroxyapatit tổng hợp từ vỏ trứng
theo quy trình đưa ra.

 Phương pháp nghiên cứu
-

Xác định cấu trúc, thành phần vật liệu bằng các phương pháp SEM, XRD,
FTIR, EDX.

-

Xác định hoạt tính vật liệu bằng phương pháp nuôi cấy dẫn tạo apatit trong môi
trường giả dịch thể người SBF.

11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1 TỔNG QUAN VỀ HYDOXYAPATIT
1.1.1. Cấu tạo – tính chất
Trong tự nhiên, apatit là tên chung của một nhóm khoáng chất, chủ yếu chứa
canxi florua photphat Ca5F(PO4)3 và một lượng nhỏ các khoáng khác, trong đó Fđược thay thế một phần hay hoàn toàn bởi Cl- , Br- hoặc OH-. Canxi hydroxyapatit (hay
còn được gọi là Hydroxyapatit, viết tắt là HAp) là một dạng apatit trong đó chứa nhóm
OH- với công thức Ca5(PO4)5OH nhưng thường được viết là Ca10(PO4)6(OH)2 để thể
hiện ở dạng tinh thế HAp tồn tại với 2 phân tử liên kết . Hydroxyapatit tồn tại ở trong
cơ thể người và động vật, là thành phần chính trong xương (chiếm đến 65 – 70 % khối
lượng) và răng (chiếm 96% khối lượng). Ngoài ra, HAp cũng được tìm thấy ở vỏ của

một số loại động vật biển như ốc, sò, hay trong san hô…

Hình 1:Công thức cấu tạo của Hydroxyapatit
1.1.1.1.

Tính chất vật lý

 Khối lượng phân tử:

1004,62 g/mol

 Nhiệt độ nóng chảy:

17600C

 Nhiệt độ sôi:

28500C

 Khối lượng riêng:

3,156g/cm3

 Tích số tan:

2,12.10-118

 Độ cứng theo thang Mod: 5
12

Hình 2: Cấu trúc mạng tinh thể Hydroxyapatit
Hydroxyapatit có cấu trúc mạng tinh thể lưỡng tháp lục phương (P6/m) thuộc hệ
tinh thể lục phương. Các thông số mạng: a = 9,423

c = 6,875

Z = 2.

Tùy vào các điều kiện hình thành, tinh thể HAp tồn tại ở nhiều dạng khác nhau
như hình cầu, hình kim, hình trụ. Chỉ số khúc xạ nω = 1.651 , nɛ = 1.644, HAp thường
có màu trắng hoặc trắng ngà, ngoài ra, khi hình thành ngoài tự nhiên, HAp cũng có thể
có các màu khác như xanh, vàng, nâu…

Hình 3: Các tinh thể HAp kết tinh trong tự nhiên
13


1.1.1.2.

Tính chất hóa học

Về mặt công thức hóa học, HAp có cấu trúc gồm 3 vòng canxi phốt phát
Ca2(PO4)2 liên kết với nhau thông qua cầu Canxi, hai nhóm OH- nằm ở hai đầu mạch
và liên kết trực tiếp với nguyên tử P. Một số tính chất hóa học của khác của HAp như
sau:
HAp không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với các axit tạo thành muối
canxi và nước:
HAp tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800oC đến
1200oC tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng:

Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HAp bị phân huỷ thành β-Ca3(PO4)2 và Ca4P2O9
hoặc CaO:

1.1.1.3.

Hydroxyapatit và các đặc tính sinh học

Do có cùng bản chất hoá học và cấu trúc, HAp là dạng canxi phốt phát có tỷ lệ
Ca/P đúng như tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng. Vì vậy, HAp 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.… Ở dạng bột mịn kích thước nano, HAp được cơ thể người hấp thụ rất nhanh
qua niêm mạc lưỡi và thực quản…

14


HAp đã được chứng mình là có những tính chất sinh học tuyệt vời, bao gồm khả
năng kết hợp với các loại polymer sinh học

[10,43]

, khả năng dẫn tạo, thúc đẩy mọc

xương mới mà không gây độc hoặc tạo ra các phản ứng miễn dịch đặc hiệu [20,42].
HAp có thành phần hoá học và các 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 và mô, có tính dẫn
xương tốt.

Ngoài ra, HAp là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người
và có tính sát khuẩn cao. Hợp chất HAp cũng tương đối bền với dịch men tiêu hoá, ít
chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày. Mặt khác, do khá trơ về mặt hóa học,
lại có tính hấp phụ khá tốt nên HAp có thể tạo liên kết và lưu giữ các loại hợp chất hữu
cơ mà không làm biến tính chúng. Các tính chất trên của hydroxyapatit ảnh hưởng rất
lớn tới các ứng dụng của chúng trong thực tế.
1.1.2. Hydroxyapatit – đối tượng nghiên cứu nhiều tiềm năng ứng dụng
Hydroxyapatit là đối tượng nghiên cứu quan trọng của các nhà khoa học, đã có rất
nhiều các công trình nghiên cứu được thực hiện để tìm hiểu các đặc tính cơ sở cũng
như đưa ra những ứng dụng của HAp vào trong đời sống, trong đó một số ứng dụng đã
được khám phá và đạt được một số thành tựu quan trọng. Các ứng dụng cơ bản của
HAp có thể chia ra làm hai loại: ứng dụng y tế và ứng dụng phi y tế.
Trong các lĩnh vực phi y tế, HAp có khả năng ứng dụng như: làm chất xúc tác cho
các phản ứng hóa học đặc trưng

[11,52,59]

, vật liệu huỳnh quang

[34]

, cảm biến khí

[38]

.

Bột HAp cũng có thể làm vật liệu hấp phụ dùng trong sắc ký cột để phân tách nhanh
các protein và axit nucleic [27,44] . HAp cũng có hiệu quả cao trong quá trình xử lý nước
[35]

, và khắc phục đất bị nhiễm kim loại nặng

[21]

. Tuy nhiên, lĩnh vực y tế hiện vẫn là

lĩnh vực quan trọng nhất, nhận được sự quan tâm nghiên cứu của đông đảo của các nhà
khoa học để tìm tòi và phát triển các ứng dụng của HAp trong lĩnh vực này.
15


Việc sử dụng các muối canxi phốt phát để thay thế và cải thiện mô xương đã được
nghiên cứu trong nhiều năm kể từ khi các nhà khoa học phát hiện ra rằng canxi phốt
phát đóng một vai trò quan trọng trong pha vô cơ của các mô cứng, xương và răng.
Điều này đòi hỏi các nhà nghiên cứu cần nhanh chóng tìm cách ứng dụng muối này
vào các quá trình chữa bệnh

[28]

. Trong đó, việc kiểm soát các thông số cơ bản như

kích thước hạt, diện tích bề mặt, kích thước lỗ, độ tinh khiết và hình thái học đều là các
thông số quan trọng cần phải nghiên cứu. Trong các nghiên cứu cấu trúc HAp khác
nhau, HAp có kích thước nano với hình thái học, hàm lượng và độ tinh khiết phù hợp
là đối tượng nhận được sự quan tâm lớn trong các nghiên cứu khoa học cơ bản.
Nano HAp được định nghĩa là có kích thước nhỏ hơn 100nm ở ít nhất 1 chiều, có
hoạt tính bề mặt cao. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng nano HAp có kích thước
nhỏ có hoạt tính sinh học và khả năng tái hấp thu tốt hơn các hạt HAp có kích thước
lớn[8,12,13,55] , chúng cũng có khả năng giải phóng các ion Ca nhanh hơn đáng kể so với

từ các tinh thể thô cơ bản. Ngoài ra, ở kích thước nano, HAp cho thấy khả năng chịu
nén ép và chịu thiêu kết cao hơn hẳn do năng lượng bề mặt cao[4,5,6,16] , nhờ đó, có thể
tránh được sự hình thành của các vết rạn nứt, khuyết tật siêu nhỏ khi chế tạo vật liệu.
Các báo cáo cũng cho thấy rằng nano HAp giúp giảm thiểu rõ rệt sự tự phân hủy, từ đó
cải thiện mức tăng sinh và biệt hóa tế bào, giúp các tế bào sinh trưởng và phát triển,
nhất là trong quá trình phát triển xương

[8,32]

. Điều này có thể được giải thích thông

qua các đặc tính bề mặt vượt trội của nano HAp so với HAp kích thước lớn. Nano HAp
có diện tích bề mặt cao hơn và độ nhám tốt hơn, kết quả là bám dính tốt hơn với tế bào
vào tăng tính tương tác với chúng

[8,32,54]

. Vì vậy, trong những năm gần đây, Nano

HAp trở thành vật liệu có nhiều tiềm năng trong một loạt các ứng dụng y sinh.
Các loại HAp dạng bột nano đang được ứng dụng rộng rãi trong việc bổ sung
canxi cho cơ thể. Với kích thước cỡ 20 – 100 nm, HA được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể
mà không cần phải chuyển hoá thêm[2] . Để chữa trị căn bệnh loãng xương, Cục Quản
lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (FDA) đã cho phép sử dụng HAp trong sản xuất
16


thuốc và thực phẩm chức năng. Nhiều loại thuốc và thực phẩm bổ sung canxi có sử
dụng HAp đã được lưu hành trên thị trường. Trong số đó có thể kể đến Ossopan của
Pháp, Bone Booster Complex, Bone Dense Calcium của Mỹ, Calcium Complex của

Anh, SuperCal của New Zealand. Ở Việt Nam, sản phẩm cũng đã được phòng Hóa Vô
Cơ - Viện Hóa Học, Viện Khoa Học Và Công Nghệ nghiên cứu và đưa ra thị trường
dưới dạng thực phẩm chức năng.
Nhiều nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng HAp và các dẫn xuất của nó có thể được
khai thác như một chất đại diện để nghiên cứu các thành phần khoáng sinh học trong
cơ thể[24,26] , mới đây nhất, một vài nghiên cứu cho thấy các hạt HAp có khả năng ức
chế một số tế bào ung thư[22,33] . Hiện nay, HAp thường là vật liệu được lựa chọn cho
các ứng dụng sinh học khác nhau như thay thế xương hoặc sửa chữa các khuyết tật về
răng[17,53] , mô ghép tai giữa[56] , hệ thống kỹ thuật mô[36,48] , chất phân phối nhả chậm
thuốc[25] , hoặc lớp phủ sinh học cho các vật liệu kim loại dùng trong cấy ghép [52,58] .
Sự phát triển của vật liệu sinh học thay thế mô xương đã tăng lên và thu hút rất
nhiều sự quan tâm do sự gia tăng số lượng bệnh nhân đòi hỏi xương thay thế, đặc biệt
là người mắc bệnh ung thư xương, chấn thương và lão hóa xương. Yêu cầu đối với các
vật liệu sinh học này là phải tương thích sinh học, có độ bền cơ học tốt đủ để chống đỡ
được sức nặng của cơ thể[29] . Xương tự nhiên được tạo thành từ sự kết hợp của vật liệu
vô cơ và hữu cơ tạo thành một loại compozit, trong đó thành phần vô cơ chủ yếu là
hydroxyapatit có cấu trúc nano phân tán trong môi trường hữu cơ là các sợi
collagen[47]. Chính vì vậy, HAp là một loại vật liệu quan trong cho việc phát triển ghép
mô xương[40] . HAp đã được chứng minh là vừa có hoạt tính sinh học, vừa có tính
tương thích sinh học, đồng thời có bản chất thành phần hóa học và ái lực sinh học đối
với thành phần vô cơ trong xương tự nhiên[19] .
Khoáng xương bao gồm các loại muối canxi phốt phát trong đó tỉ lệ thành phần
giữa canxi và photphat (Ca/P) là 1,5 – 1,7, trong đó thành phần chủ yếu là HAp với tỉ
lệ Ca/P được giả định là 1,67 với sự biến động không đáng kể[28] . HAp cũng đã thể
17


hiện khả năng tương thích sinh học tuyệt vời đối với hầu hết các loại mô mềm trong cơ
thể như da, cơ bắp, và nướu răng, khả năng tương thích sinh học này làm cho HAp trở
nên vượt trội so với các loại vật liệu nhân tạo khác để trở thành một loại vật liệu cấy

ghép lý tưởng trong phẫu thuật chỉnh hình răng và mô xương .
1.1.3. Các phương pháp tổng hợp hydroxyapatit
Có rất nhiều phương pháp tổng hợp hydroxyapatit dưới các dạng khác nhau tùy
thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng. Trong đó, dựa vào điều kiện thực hiện các
phản ứng tổng hợp, thường chia các phương pháp tổng hợp HAp thành hai nhóm: các
phương pháp khô và các phương pháp ướt.
1.1.3.1.
Phương pháp khô
a. Phản ứng pha rắn
Phương pháp này tổng hợp HAp trên cơ sở thực hiện các phản ứng trong pha rắn.
Các nguyên liệu ban đầu có chứa các nguyên tố Canxi và Photpho (thường là
Ca3(PO4)2 và Ca4P2O9, Ca3(PO4)2 và CaO) ở dạng bột mịn, được trộn đều với nhau
theo tỉ lệ Ca/P=1,67 và nén chặt vào khuôn định dạng. Phản ứng tổng hợp diễn ra trong
hệ kín ở nhiệt độ khoảng 10000C.

Hình 4: Phương pháp phản ứng pha phắn trong tổng hợp HAp
18


Ưu điểm của phương pháp này là sản phẩm tạo ra giữ nguyên được hình dạng của
khuôn định dạng nên có thể chế tạo thành HAp dạng khối xốp với các chi tiết phức tạp
theo mong muốn. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là nhiệt độ phản ứng rất cao, ở
khoảng nhiệt độ này, HAp có khả năng bị chuyển hóa một phần thành các dạng canxi
phốt phát khác. Ngoài ra, do sự tiếp xúc pha bị hạn chế nên sản phẩm chứa nhiều tạp
chất là các nguyên liệu ban đầu chưa phản ứng hoàn toàn.
b. Phản ứng hóa-cơ
Phản ứng hóa-cơ thực chất là phản ứng pha rắn dưới sự khuấy trộn của máy
nghiền bi (bóng), nhờ đó khắc phục được hạn chế của phản ứng pha rắn là sự tiếp xúc
pha kém, làm tăng hiệu suất phản ứng, giảm các loại tạp chất là nguyên liệu ban đầu ở
sản phẩm. Ngoài ra, không cần các bước như nghiền mịn và trộn đều nguyên liệu ban

đầu.

Hình 5: Phương pháp hóa cơ sử dụng bi (bóng) nghiền
Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm cố hữu của phản ứng pha rắn là
nhiệt độ phản ứng vẫn rất cao, các tạp chất là nguyên liệu ban đầu không được loại bỏ
hết, có khả năng nhiễm tạp kim loại do bi và má nghiền bị mài mòn.
19


Nhìn chung, các phương pháp khô để tổng hợp HAp đều thực hiện trên nguyên lý
sử dụng nhiệt độ cao trong hệ kín không có dung môi, ưu điểm của phương pháp này là
có thể thực hiện lượng lớn, tuy nhiên sản phẩm tạo ra thường không đồng nhất về hình
dạng và kích thước hạt, hạt thường rất lớn, nhiều tạp chất, rất khó để ứng dụng trong
các lĩnh vực đòi hỏi các sản phẩm sạch, tinh khiết như lĩnh vực y sinh.
1.1.3.2.

Phương pháp ướt

a. Phương pháp kết tủa
Phương pháp kết tủa thường được sử dụng để chế tạo HAp dạng bột hoặc dạng
màng từ các dung dịch chứa các tiền chất ban đầu là các ion Ca2+ và PO43-, có thể chia
ra làm 2 nhóm chính:
 Kết tủa từ các muối chứa ion Ca2+ và PO43- dễ tan trong nước: Các loại muối
thường được sử dụng trong nhóm này bao gồm Ca(NO3)2, CaCl2, Na2HPO4,
NaH2PO4…
 Kết tủa từ các chất chứa Ca2+ khó tan trong nước, phản ứng trực tiếp với axit
photphoric.
Trong đó, các dung dịch Ca2+ và PO42- ở cùng nồng độ, được trộn với nhau một
cách từ từ theo thể tích phù hợp, sao cho tỉ lệ Ca/P = 1,67. Yêu cầu giữ pH = 9 ÷ 11
trong quá trình phản ứng.

Phương trình phản ứng cơ bản phương pháp kết tủa này như sau:
10Ca2+ + 6PO43- + 2OH-



20

Ca10(PO4)6(OH)2


Hình 6: Phương pháp kết tủa cơ bản trong tổng hợp HAp
Ưu điểm của phương pháp này là cực kỳ đơn giản, dễ thực hiện, kiểm soát được tỉ
lệ nguyên liệu, hiệu suất phản ứng cao nên sản phẩm tạo ra có độ tinh khiết cao. Tuy
nhiên, hình dạng hạt tạo ra là vô định hình, kích thước hạt thay đổi mạnh. Ảnh hưởng
lớn tới hoạt tính sinh học của vật liệu. Ngoài các yếu tố như tỉ lệ nguyên liệu, độ pH,
các yếu tố như nhiệt độ phản ứng, tốc độ khuấy… cũng ảnh hưởng rất lớn tới hình thái
học của sản phẩm.
b. Phương pháp sol-gel

Hình 7: Phương pháp Sol-Gel
21


HAp cũng có thể được chế tạo bằng phương pháp Sol-Gel bằng cách hòa tan các
nguyên liệu chứa Canxi và Phốt pho vào trong dung dịch cùng với các chất trợ tạo gel
theo tỉ lệ nhất định. Ban đầu, một hỗn hợp sol được tạo ra, khuấy và gia nhiệt hỗn hợp
sol này đến nhiệt độ khoảng 60 – 70 0C, trong quá trình này, dung môi sẽ bay hơi làm
tăng khả năng va chạm của các hạt phân tán, tạo các kết nối chéo. Đến một điểm nhất
định sẽ tạo thành gel, sấy gel này ở nhiệt độ 1200C trong 24 giờ, sau đó nung ở nhiệt
độ khoảng 700-9000C trong 1 giờ. Sản phẩn tạo ra thường là một khối xốp, màng mỏng

hay hạt nano HAp tùy vào nồng độ sử dụng ban đầu và cách tạo hình gel.
Phương pháp sol-gel tuy có thể tạo được HAp có độ đồng nhất khá tốt, tuy nhiên
độ lặp không cao do có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tạo gel.
c. Phương pháp thủy nhiệt
Thủy nhiệt là một phương pháp được sử dụng phổ biến để tổng hợp các loại vật
liệu vô cơ có kích thước nano. Nguyên lý chủ yếu của phương pháp là sử dụng áp suất
và nhiệt độ cao trong môi trường dung dịch để cung cấp năng lượng giúp các mầm tinh
thể có sẵn trong dung dịch có thể “lớn lên” về mặt kích thước.

Hình 8: So sánh sự phát triển của các hạt nano HAp trong điều kiện thường và điều
kiện thủy nhiệt
22


Trong tổng hợp hạt nano Hydroxyapatit, phương pháp thủy nhiệt cũng được quan
tâm nghiên cứu khá nhiều và tỏ ra hiệu quả. Các bước thực hiện tương đối đơn giản
như sau: đầu tiên, phản ứng tạo mầm tinh thể được thực hiện bằng cách hòa tan một
chất phụ trợ ( thường là các chất hoạt động bề mặt ) vào một dung dịch chứa Ca2+ hoặc
PO43- với nồng độ phù hợp. Sau đó cho dung dịch còn lại vào để tiến hành tạo mầm.
Hỗn hợp được mang đi thủy nhiệt trong nhiều giờ để nuôi tinh thể. Sản phẩm bột tạo ra
cần rửa nhiều lần trước khi nung ở nhiệt độ khoảng 5000C để ra kết quả cuối cùng là
hydroxyapatit dạng bột mịn.

Hình 9: Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp Hydroxyapatit
Ưu điểm của phương pháp thủy nhiệt là đơn giản, dễ thực hiện và cho kết quả khả
quan trong việc tổng hợp HAp kích thước nano. Đặc biệt, phương pháp này có thể chủ
động trong việc định hình hình dạng của hạt nano HAp bằng các sử dụng các chất phụ
trợ ban đầu khác nhau, ở các nồng độ khác nhau. Yếu tố khác ảnh hưởng tới quá trình
tổng hợp này cần phải quan tâm nghiên cứu đó là thời gian tiến hành thủy nhiệt.
Ngoài những phương pháp đã nêu ở trên, còn rất nhiều các phương pháp khác đã

được nghiên cứu, sử dụng như phương pháp siêu âm, phương pháp phun sấy… Mỗi
phương pháp đều có những hiệu quả nhất định, phụ thuộc vào điều kiện thực hiện hay
mục đích hướng tới khác nhau của các nhà nghiên cứu.

23


1.1.4. Phương hướng nghiên cứu hiện tại
Như đã nói, trong hầu hết các ứng dụng hiện tại, hạt nano hydroxyapatit đều có
hiệu quả tốt hơn các hạt HAp có kích thước lớn nhờ các đặc tính bề mặt đặc biệt, chính
vì vậy, mục tiêu nghiên cứu của các nhà khoa học hiện tại trong việc tổng hợp HAp đó
là thu nhỏ được kích thước hạt hơn nữa. Đối với các ứng dụng trong y tế, các nghiên
cứu cũng cho thấy, hình dạng hạt HAp cũng có ảnh hưởng lớn tới hoạt tính sinh học
của hydroxyapatit, các hạt có hình dạng như hình thanh, kình kim, hình cầu gai… tỏ ra
có hoạt tính mạnh hơn đáng kể so với các dạng vô định hình hoặc hình cầu thông
thường ở cùng kích thước. Vì vậy, việc tạo hình các hạt nano HAp thành các hình dạng
đặc biệt sao cho diện tích bề mặt lớn hơn, làm tăng hoạt tính của vật liệu cũng được
quan tâm nghiên cứu.
Hiện tại, việc sử dụng các nguồn nguyên liệu đi từ thiên nhiên tham gia vào quá
trình tổng hợp hydroxyapatit thay thế cho các loại hóa chất nhân tạo đang mở ra một
hướng nghiên cứu mới nhiều tiềm năng. Các sản phẩm đi từ thiên nhiên thường có hoạt
tính sinh học cao, đồng thời an toàn với sức khỏe con người nên phù hợp để sử dụng
với mục đích y tế. Phương pháp tiếp cận với các hướng nghiên cứu này được mô tả
trên hình 10.

24


Hình 10: Một số nguyên liệu tự nhiên được sử dụng trong tổng hợp HAp
Hình 10.a hướng đến việc chiết tách trực tiếp HAp có trong xương của các loài

động vật như lợn, bò, cá bằng các phương pháp xử lý khác nhau. Các hình 10.b, 10.c,
10.e thì mô tả việc tận dụng các nguồn canxi rất sẵn có trong tự nhiên như từ san hô,
vỏ sò, vỏ trứng... Hoặc hình 10.d lại hướng đến việc đưa các loại hoạt chất sinh học
25