Phân tích xác định thành phần và các đặc trưng của composite canxi hydroxyapatite với alginate (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐÀO THỊ THANH TÂM

PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG
CỦA COMPOSITE CANXI HYDROXYAPATITE
VỚI ALGINATE

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Thái Nguyên-2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐÀO THỊ THANH TÂM

PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG
CỦA COMPOSITE CANXI HYDROXYAPATITE
VỚI ALGINATE
Chuyên ngành: Hóa phân tích
Mã số: 8440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Phan Thị Ngọc Bích

Thái Nguyên-2018

i

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận của luận văn chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

ĐÀO THỊ THANH TÂM


ii

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Thị Ngọc Bích đã hướng dẫn em tận
tình, chu đáo trong suốt quá trình làm luận văn, giúp em hoàn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong tổ bộ môn Hoá Phân Tích, Ban
chủ nhiệm khoa Hoá học, trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã giúp em hoàn
thành luận văn này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới ban lãnh đạo viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam, đặc biệt là phòng Hóa vô cơ đã đã tạo điều kiện cho tôi về mặt
thời gian cũng như cơ sở vật chất để tôi hoàn thiện đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã quan tâm, giúp
đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2018

Học viên

Đào Thị Thanh Tâm


iii

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................ 1
1.1. Canxi hydroxyapatite............................................................................................. 2
1.1.1. Đặc điểm, tính chất ............................................................................................. 2
1.1.2. Ứng dụng ............................................................................................................ 4
1.1.3. Các phương pháp tổng hợp................................................................................. 7
1.2. Alginate.................................................................................................................. 9
1.2.1. Đặc điểm, tính chất ............................................................................................. 9
1.2.2. Ứng dụng của alginate ...................................................................................... 12
1.3. Composite canxi hydroxyapatite với alginate .................................................... 14
1.3.1. Đặc điểm, tính chất và ứng dụng ...................................................................... 15
1.3.2. Kỹ thuật và phương pháp chế tạo ..................................................................... 16
1.3.3. Ứng dụng của composite HA/polyme .............................................................. 17
1.4. Tình hình nghiên cứu về HA và composite HA/ Alginate ở nước ta .................. 19
1.5. Các phương pháp phân tích xác định cấu trúc, thành phần
và các đặc trưng của vật liệu....................................................................................... 20
1.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X.............................................................................. 20
1.5.2. Phương pháp phổ hồng ngoại ........................................................................... 21
1.5.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét ..................................................................... 21
1.5.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua........................................................... 21

1.5.5. Phương pháp phân tích nhiệt............................................................................. 22
1.5.6. Phương pháp sắc ký tẩm thấu gel (GPC).......................................................... 22
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .................................................................................. 24
2.1. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất ................................................................................... 24
2.1.1. Dụng cụ............................................................................................................. 24
2.1.2. Thiết bị .............................................................................................................. 24
2.1.3. Hóa chất ............................................................................................................ 24
2.2. Alginate và các oligoalginate............................................................................... 25
2.2.1. Chuẩn bị alginate và các oligoalginate ............................................................. 25


iv

2.2.2. Xác định các thành phần đặc trưng của alginate và các oligoalginate ............. 25
2.3. Tổng hợp composite HA/Alg .............................................................................. 25
2.3.1. Tiến trình tổng hợp ........................................................................................... 25
2.3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu....................... 26
2.4. Phân tích, xác định thành phần và các đặc trưng của HA/Alg ............................ 27
2.4.1. Xác định thành phần pha và đặc trưng cấu trúc vật liệu................................... 27
2.4.2. Phân tích, đánh giá hình thái học và kích thước hạt của vật liệu ..................... 27
2.4.3. Phân tích, đánh giá đặc trưng nhiệt tính chất nhiệt của vật liệu ....................... 28
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 29
3.1. Chuẩn bị alginate và các oligoalginate ................................................................ 29
3.1.1. Phân tích các đặc trưng cấu trúc của alginate ban đầu ..................................... 29
3.1.2. Tách và xác định các đặc trưng của các oligoalginate giàu khối M và khối G 34
3.2. Nghiên cứu quá trình tổng hợp composite HA/Alg............................................. 36
3.2.1. Phân tích hàm lượng alginate cần thiết............................................................. 37
3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng.................................................................... 40
3.2.3. Ảnh hưởng của dung môi rửa ........................................................................... 42
3.2.4. Vai trò của cấu trúc polyme của alginate.......................................................... 42

3.3. Phân tích xác định thành phần và một số đặc trưng tính chất
của composite hướng đến ứng dụng trong dược phẩm............................................... 46
3.3.1.Thành phần HA và alginate ............................................................................... 46
3.3.2. Hàm lượng kim loại nặng và vi sinh vật........................................................... 47
3.3.3. Độ nhiễm khuẩn................................................................................................ 47
KẾT LUẬN................................................................................................................. 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 49
Tiếng Việt ................................................................................................................... 49
Tiếng Anh ................................................................................................................... 50


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HA

Canxi hydroxyapatit

HA/Alg

Composite của HA và alginate

XRD

Phương pháp nhiễu xạ tia X

FTIR

Phương pháp phổ hồng ngoại

SEM

Phương pháp hiển vi điện tử quyét

TEM

Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua

DTA-TGA

Phương pháp phân tích nhiệt vi sai - nhiệt trọng lượng

GPC

Phương pháp sắc ký thẩm thấu gel


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Các mẫu thực nghiệm với tỷ lệ HA/Alg khác nhau ....................................26
Bảng 3.1. Kết quả phân tích phổ 13C-NMR của mẫu alginate.....................................32
Bảng 3.2. Kết quả phân tích phổ 1H-NMR của mẫu alginate......................................33
Bảng 3.3. Hàm lượng alginate thực tế trong các mẫu composite...............................38
Bảng 3.4. Các mẫu alginate .........................................................................................43
Bảng 3.5. Hàm lượng kim loại nặng trong mẫu composite.........................................47


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Ảnh SEM các dạng tồn tại của tinh thể HA. ................................................ 2
Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA ........................................................ 3
Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA. .............................................................. 3
Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể. ........... 5
Hình 1.5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau........................ 6
Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA
dạng khối xốp hoặc dạng hạt......................................................................................... 6
Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa. ................................................... 8
Hình 1.8: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm. ............................. 9
Hình 1.9: Đặc trưng cấu trúc của alginate: a) Các monome của alginate; b) Cấu trúc
chuỗi, cấu dạng ghế; c) Các kiểu phân bố các khối trong mạch alginate................... 10
Hình 1.10: Các mô hình liên kết giữa ion Ca2+ và alginate ....................................... 11
Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp composite HA/Alg ....................................... 25
Hình 3.1. Giản đồ XRD mẫu alginate......................................................................... 29
Hình 3.2. Phân bố trọng lượng phân tử mẫu alginate................................................. 30
Hình 3.3. Phổ FTIR mẫu alginate ............................................................................... 31
Hình 3.4. Phổ 13C NMR mẫu alginate ........................................................................ 32
Hình 3.5. Phổ 1H NMR mẫu alginate ......................................................................... 33
Hình 3.6. Phân bố trọng lượng phân tử mẫu G(a) và M(b) tạo thành ........................ 35
Hình 3.7. Phổ 13C NMR mẫu G (a) và M (b) ............................................................. 36
Hình 3.8. Giản đồ TG-DTA của mẫu HA, mẫu alginate ban đầu
và các mẫu composite với hàm lượng alginate khác nhau ......................................... 38
Hình 3.9. Giản đồ XRD các mẫu composite với hàm lượng alginate khác nhau....... 39
Hình 3.10 là ảnh SEM của các mẫu composite với hàm lượng alginate
thay đổi so sánh với mẫu HA không có alginate. ....................................................... 39
Hình 3.10. Ảnh SEM của các mẫu HA/Alg................................................................ 40
Hình 3.11. Giản đồ XRD của các mẫu composite HA/Alg ........................................ 41
Hình 3.12. Ảnh TEM của các mẫu HA/Alg

viii

tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau: a. 10oC, b. 30oC và c. 60o.................................. 41
Hình 3.13. Ảnh SEM của các mẫu composite .............................................................. 42
Hình 3.14. Ảnh SEM của mẫu HA và các mẫu composite............................................ 43
Hình 3.15. Ảnh TEM của các mẫu composite với các alginate
khác nhau a-HA, b-HAA1, c-HAG, d-HAM, e-HAA2.............................................. 44
Hình 3.16. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu composite HA/alginate............................... 46


1

MỞ ĐẦU
Cùng với các dược phẩm truyền thống, thực phẩm chức năng hiện nay đang
trở thành một vấn đề thu hút sự quan tâm của xã hội trong việc chăm sóc và bảo vệ
sức khỏe con người.
Đối với cơ thể người, canxi đóng vai trò rất quan trọng, được cung cấp cho cơ
thể từ nguồn thức ăn hàng ngày, tuy vậy thường không đầy đủ và cân đối. Khi thiếu
quá nhiều canxi mà không được bổ sung kịp thời, cơ thể sẽ bị loãng xương, còi
xương. Trên thế giới cũng như ở nước ta, đây là những bệnh phổ biến và có ảnh
hưởng lớn đến sức khỏe và chất lượng cuộc sống con người. Do vậy nhu cầu về
thuốc và thực phẩm chức năng bổ sung canxi, chống loãng xương, là rất lớn.
Trong số các chất được sử dụng để bổ sung canxi phải kể đến canxi
hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2 -HA). HA hợp chất chứa đồng thời canxi và
photpho, cũng là thành phần khoáng của xương và răng người. Đây là hợp chất rất
được quan tâm nghiên cứu do các đặc tính quý giá của chúng: có hoạt tính và độ
tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực
tiếp với xương non dẫn đến tái sinh xương nhanh, không bị cơ thể đào thải...

Để cải thiện các đặc tính của HA trong các ứng dụng dược học và y sinh học
và nâng cao hơn nữa khả năng hấp thụ của cơ thể, một xu hướng mới là tổng hợp
HA nhân tạo ở các dạng và gắn chúng lên các polyme, đặc biệt là các polyme có
hoạt tính sinh học cao dưới dạng vật liệu phức hợp bằng các phương pháp hóa học.
Các polyme đang được tập trung theo hướng này là các polyme tự nhiên như
chitosan, collagen, gelatin và các polysaccarit biến tính từ tinh bột.
Các nghiên cứu về những lĩnh vực này ở nước ta còn chưa được quan tâm
nhiều. Nghiên cứu về chế tạo bột HA ở dạng phức hợp hướng đến ứng dụng trong y
sinh học và dược học còn khá hạn chế. Trong khi đó nguồn polyme thiên nhiên ở
nước ta lại rất dồi dào. Đặc biệt với bờ biển dài hơn 3.260 km, nước ta có một nguồn
cung cấp các loài rong biển rất lớn, các sản phẩm thu được từ rong biển vô cùng
phong phú trong đó có nguồn alginate.
Để tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước, với mong muốn góp phần
tạo ra một loại vật liệu có nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng trong y sinh học và
dược học, chúng tôi đã lựa chọn đề tài:“Phân tích xác định thành phần và các đặc
trưng của composite canxi hydroxyapatite với alginate”.


2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Canxi hydroxyapatite
1.1.1. Đặc điểm, tính chất
Canxi hydroxyapatite (HA), có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh
lơ, tùy theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp. HA nóng
chảy ở nhiệt độ 1760oC; sôi ở 2850oC; độ tan trong nước: 0,7 g/l; khối lượng
phân tử: 1004,60; khối lượng riêng: 3,156 g/cm3; độ cứng theo thang Mohs: 5.
HA là hợp chất bền nhiệt, chỉ bị phân hủy ở khoảng 800 - 1200oC tùy thuộc vào
phương pháp điều chế và dạng tồn tại.
Tùy theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa,

phương pháp sol - gel, phương pháp điện hóa) cũng như các điều kiện tổng hợp
khác nhau (như nhiệt độ phản ứng, nồng độ, thời gian già hóa sản phẩm…) mà các
tinh thể có hình dạng khác nhau [10].
Các tinh thể HA thường tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình
cầu và có thể nhận biết các dạng tồn tại của tinh thể HA nhờ sử dụng phương
pháp hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc hiển vi điện tử truyền qua (TEM) (Hình
1.1).

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


3

Cấu trúc tinh thể của HA được tìm ra bởi Naray - Szabo và Meheml [...].
Cấu trúc mạng của HA bao gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- được sắp xếp trong
các ô đơn vị như hình 1.2.

Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA
Trong tổng số 14 ion Ca2+ thì có 6 ion thuộc về HA và nằm trọn vẹn trong ô
mạng đơn vị, còn lại 8 ion nằm trên chu vi hai mặt đáy được dùng chung với các ô
đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ô là 4 ion. Trong 10 nhóm PO43- thì 2 nhóm
nằm ở bên trong ô đơn vị còn 8 nhóm thì nằm trên chu vi của hai mặt đáy nhưng chỉ
có 6 nhóm thuộc về ô đơn vị, 6 nhóm này gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng
với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của 2 mặt đáy. Tương tự, chỉ có 2 trong số 8
nhóm OH- chỉ ra trong hình là thuộc về ô đơn vị. Số lượng các ion xuất hiện trong ô
đơn vị có thể không đúng với công thức phân tử của HA. Điều này có thể giải thích
do sự lặp lại của các ô đơn vị trong hệ đối xứng ba chiều. Với cách giải thích như
trên, trong một phân tử HA bao gồm có 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH-,
từ đó có thể khẳng định HA có công thức hóa học tỷ lượng là Ca10(PO4)6(OH)2.
Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện trên hình 1.3. Phân tử HA có

cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca - O là liên kết cộng hóa trị. Hai nhóm OH được gắn
với nguyên tử P ở hai đầu mạch [11].

Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA.


4

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

HA tương đối bền nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800 đến
1200oC tạo thành oxy - hydroxyapatit theo phản ứng:
Ca10(PO4)6(OH)2

Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 ≤ x ≤ 1)

Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HA bị phân hủy thành β-Ca3(PO4)2 (β-TCP) và
Ca4P2O9 hoặc CaO:
Ca10(PO4)6(OH)2

2β-Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + 2H2O

Ca10(PO4)6(OH)2

2β-Ca3(PO4)2 + CaO + 2H2O

Do có cùng bản chất và thành phần hóa học, HA tự nhiên và nhân tạo đều là
những vật liệu có tính tương thích sinh học cao. Ở dạng bột mịn kích thước nano,
HA là dạng canxi photphate dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử
đúng như tỷ lệ trong xương và răng. Ở dạng màng và dạng xốp, HA có thành phần
hóa học và đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho
các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập. Chính vì vậy mà vật liệu này có tính
tương thích sinh học cao với các tế bào mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực
tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải.
Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có
tính sát khuẩn cao.
1.1.2. Ứng dụng
Vật liệu HA tồn tại ở nhiều dạng: Dạng màng, dạng bột, dạng khối xốp, dạng
composite... Với các đặc tính nổi trội của nó, HA đã được ứng dụng đa dạng, phong
phú trong y học và dược học.
Ở dạng bột: Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối
thấp nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi.
Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hòa tan nên khả
năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm
tăng cường việc hấp thụ và chuyển hóa canxi thành HA. HA ở dạng bột mịn, kích


5

thước nano được cơ thể người hấp thụ nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản, do
vậy nó ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit có trong dạ dày. Vì những đặc tính này,
HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao [12].

Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể.
Ở dạng màng: Lớp màng HA chiều dày cỡ nanomet (màng n-HA) được phủ
lên bề mặt vật liệu bằng kim loại và hợp kim bằng các phương pháp điện hóa và

phương pháp điện di trên gốm nhân tạo có thể tăng cường khả năng liên kết giữa
xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên. Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng
n - HA, người ta không chỉ làm tăng tuổi thọ các chi tiết ghép mà còn mở rộng phạm
vi ứng dụng của màng n - HA từ chỗ chỉ áp dụng cho ghép xương hông tiến đến có
thể sử dụng ghép xương đùi, xương khớp gối và các vị trí khác [13].
Ở dạng khối xốp: Gốm xốp HA được ứng dụng rất rộng rãi trong y sinh học:
- Chế tạo răng giả và sửa chữa khuyết tật của răng: Các nhà khoa học Nhật
Bản đã thành công trong việc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thước nano
và polyme sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy,
nghĩa là tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng cứng chắc, “bắt chước” theo đúng
tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên ở dưới [14].
- Chế tạo mắt giả: HA tổng hợp từ san hô có cấu trúc bền vững, nhẹ và đặc
biệt có khả năng thích ứng cao với cơ thể [15].
- Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa khuyết tật của xương [16].


6

Hình 1.5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau.
Tùy thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra các sản
phẩm gốm HA (hình 1.5) có kích thước và độ xốp khác nhau. Sau đó, gia công sản phẩm
này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HA ở dạng hạt để điền đầy những
chỗ khuyết tật của xương [5].

Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA
dạng khối xốp hoặc dạng hạt
Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HA như:
- Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [18];
- Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [8];

7

Gần đây, người ta phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân
tán isulin trong ruột [8].
1.1.3. Các phương pháp tổng hợp
Trên thế giới, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu HA ở các dạng đã được triển
khai từ lâu và đạt được những thành tựu đáng kể. Ứng dụng loại vật liệu tiên tiến
này đã tạo ra các bước tiến mới trong lĩnh vực xét nghiệm, điều trị y học cũng như
trong dược phẩm và vật liệu y sinh học. Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở
các dạng khác nhau có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác. Dưới đây
là các phương pháp cơ bản thường được sử dụng để tổng hợp vật liệu HA kích
thước nano.
1.1.3.1. Phương pháp kết tủa
Việc tổng hợp HA bằng cách kết tủa từ các ion Ca2+ và PO43- có thể thực
hiện theo nhiều cách khác nhau, được phân ra thành hai nhóm chính:
* Phương pháp kết tủa tử các muối chứa ion Ca2+ và PO43- dễ tan trong
nước: Các muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4…
10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH → Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O
Để phản ứng xảy ra theo chiều thuận (chiều tạo HA), cần duy trì pH của hỗn
hợp phản ứng ở pH từ 10 - 12.
Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa 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. Phương trình phản ứng đặc trưng:
10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O
Trong quá trình điều chế, độ pH của hỗn hợp phản ứng giảm dần. H3PO4 là
một axit có độ mạnh trung bình, phân ly theo 3 giai đoạn:
H3PO4 ↔ H2PO4- + H+

pKa1 = 2,2

2-

H2PO4- ↔ HPO4 + H+
2
3
HPO4 - ↔ PO4 - + H+

pKa2 = 7,2
pKa3 = 12,3

Khi thêm axit với tốc độ cao, pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột, dẫn đến sự
2
phân ly axit không hoàn toàn, tạo ra các ion HPO4 - và H2PO4 ảnh hưởng đến độ

đơn pha của sản phẩm HA. Sơ đồ của phương pháp được trình bày trên hình 1.7.


8

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa.
1.1.3.2. Phương pháp siêu âm hóa học
Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thước nano, có thể tiến hành phản
ứng hóa học trong môi trường sóng có tần số lớn như sóng siêu âm.
Nguyên lí của phương pháp siêu âm là dưới tác dụng của sóng siêu âm với
cường độ cao, trong môi trường lỏng xảy ra hiện tượng tạo và vỡ bọt (cavitation).
Sóng siêu âm tạo ra một chu trình giãn nở, nó gây ra áp suất chân không trong môi
trường lỏng. Hiện tượng tạo bọt - vỡ bọt xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so
với độ bền kéo của chất lỏng. Khi bọt phát triển đến một kích thước nào đó, không
hấp thu năng lượng được nữa thì dưới áp lực từ chất lỏng bên ngoài, bọt sẽ vỡ vào

trong (hình 1.8). Hiện tượng này gọi là sự tỏa nhiệt điểm và nó sẽ sinh ra một lượng
nhiệt tại ngay thời điểm đó. Tuy nhiên, môi trường lỏng xung quanh có nhiệt độ
thấp nên sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt. Quá trình tạo và vỡ bọt đóng vai trò
nhận và tập trung năng lượng của sóng siêu âm, chuyển năng lượng này thành năng
lượng cần thiết làm tăng tốc độ phản ứng hóa học lên nhiều lần.


9

Hình 1.8: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm.
Năng lượng được tạo ra ở dạng xung với cường độ rất lớn cũng làm tăng tốc độ
tạo mầm tinh thể. Quá trình tạo - vỡ bọt tiếp tục xảy ra gần bề mặt phân pha lỏng rắn,
lúc này chất lỏng tác động lên bề mặt chất rắn với tốc độ rất cao. Các tinh thể bị vỡ
thành những hạt nhỏ hơn tùy thuộc vào tần số và công suất của thiết bị siêu âm [5].
1.1.3.3. Các phương pháp khác
Ngoài 2 phương pháp cơ bản nêu trên, có nhiều phương pháp khác để tổng
hợp HA dạng bột như [18] [19]: Phương pháp sol - gel, Phương pháp phun sấy,
Phương pháp composite, Phương pháp điện hóa, Phương pháp thủy nhiệt, Phương
pháp phản ứng pha rắn, Phương pháp hóa - cơ và một số phương pháp vật lý như
phương pháp plasma, bốc bay chân không, phun xạ magenetron, hồ quang,… để chế
tạo màng gốm HA trên các vật liệu trơ về mặt sinh học [7].
1.2. Alginate
1.2.1. Đặc điểm, tính chất
Alginate là loại polyme sinh học có nguồn gốc từ biển phong phú nhất thế
giới, là loại polyme sinh học nhiều thứ hai sau cellulose. Theo tài liệu [20], alginate
được nhà hóa học người Anh E.C.C Stanford tìm ra năm 1881, là một polysaccarit có
mặt trong rong nâu với hàm lượng cao nhất, lên đến 40% khối lượng chất khô.
Alginate nằm trong hệ thống gian bào ở dạng gel chứa các ion natri, canxi,
magie, stronti và bari. Chức năng chính của chúng được cho là bộ khung, tạo nên cả
độ bền vững lẫn độ mềm dẻo của mô rong [21].

Alginate là tên gọi chung các muối của axit alginic. Trong thuật ngữ phân tử,
alginat là một họ của copolyme nhị phân không phân nhánh gồm các gốc β-Dmannuronic (M) và α-L-guluronic (G) liên kết với nhau bằng liên kết 1-4 glucozid.


10

Cấu trúc khác nhau phụ thuộc vào vị trí của các monome trong chuỗi mạch, tạo nên
các đoạn homopolyme (MM hoặc GG) lẫn các heteropolyme (MG hoặc GM). Khối
lượng phân tử của alginate thường trong khoảng 50 - 1000kDa [21-22].

Hình 1.9: Đặc trưng cấu trúc của alginate: a) Các monome của alginate; b) Cấu
trúc chuỗi, cấu dạng ghế; c) Các kiểu phân bố các khối trong mạch alginate
- Độ tan: Có ba yếu tố quan trọng quyết định độ tan của alginate trong nước
đó là: độ cứng của nước, độ pH và lực ion tổng của các chất tan. Độ cứng của nước
(ví dụ như hàm lượng ion Ca2+) được xem là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ tan. Độ
pH của dung môi là yếu tố quan trọng bởi vì nó xác định điện tích trên các gốc
uronic. Lực ion của môi trường cũng đóng vai trò quan trọng (hiệu ứng muối kết của
các cation không tạo gel). Hàm lượng của các ion tạo gel trong dung môi cũng hạn
chế sự hòa tan của alginate [20,23].
- Độ nhớt: Khi nằm trong vách tế bào, alginate có độ nhớt cao nhưng khi tách
chiết bằng phương pháp khác nhau, alginate bị giảm độ nhớt. Alginate có khối lượng
phân tử trung bình lớn thì độ nhớt càng lớn. Tỷ lệ mannuronic/guluronic (M/G) cũng
ảnh hưởng đến độ nhớt của sản phẩm. Tuy nhiên, tỷ lệ M/G và trọng lượng phân tử
lại phụ thuộc nhiều vào nhiều yếu tố: Loài rong, độ trưởng thành, khu vực sinh
trưởng, kỹ thuật chiết xuất, thời gian bảo quản... Độ nhớt dung dịch alginate biến
thiên trong dải rộng từ 10 mPa.s đến 1000 mPa.s (dung dịch 1%). Với một chút muối
canxi sẽ làm tăng độ nhớt cho sản phẩm hay độ cứng của gel canxi alginate tạo ra.
Các alginate mà có tỷ lệ G cao hay M/G thấp sẽ cho gel rắn hơn [24].

11

- Độ ổn định: Giống như các polysaccarit tự nhiên khác, alginate không bền
với nhiệt và ion kim loại… Độ ổn định của alginate sắp xếp theo thứ tự: natri
alginate > amoni alginate > axit alginic. Alginate có độ nhớt cao kém ổn định hơn
alginate có độ nhớt trung bình hoặc thấp. Bột alginate rất dễ bị giảm độ nhớt nếu
không được bảo quản ở nhiệt độ thấp. Khi lưu trữ alginate có độ nhớt khoảng 50
mPa.s ở 10 - 20oC, trong thời gian 3 năm, độ nhớt thay đổi rất ít so với ban đầu. Còn
với alginate có độ nhớt cao (khoảng 4000 mPa.s), khi bảo quản ở 25oC sau một năm
độ nhớt bị giảm 10% và ở 33oC thì bị giảm 45%. Dung dịch alginate ổn định ở pH từ
5,5 - 10 tại nhiệt độ phòng một thời gian dài, nhưng sẽ chuyển sang dạng gel ở pH
nhỏ hơn 5,5[25].
- Tính chất tạo gel: Dung dịch natri alginate có khả năng tạo gel với sự tham
gia của những ion hóa trị II, III. Khi nhỏ một giọt dung dịch natri alginate vào
dung dịch CaCl2 sự tạo gel xảy ra gần như tức thời trên bề mặt của giọt và cho ta
hạt gel có dạng hình cầu. Các gel được tạo thành ở bất kỳ nhiệt độ nào (dưới
100oC) và không bị chảy ra khi đun nóng. Khả năng tạo gel này được giải thích
bằng mô hình cấu trúc “hộp trứng” của phân tử canxi alginate. Khi có mặt các ion
hóa trị II, III ở nồng độ thích hợp thì sự tạo gel xảy ra, các phân tử sắp xếp song
song, các phần gấp nếp của đoạn GGGG tạo thành khoảng không gian như chỗ
đặt trứng. Các ion canxi chui vào khoảng trống này, liên kết với các nhóm
carboxyl và các nguyên tử oxy vòng trong của mỗi đoạn song song. Lúc này, các
phân đoạn GGGG nối với nhau qua các ion Ca2+ làm cho các phân tử gần nhau
hơn và ép nước thoát ra ngoài, khi đó gel alginate được hình thành.

Hình 1.10: Các mô hình liên kết giữa ion Ca2+ và alginate
a) Mô hình hạt gel canxi alginate; b) Liên kết của block G với ion canxi


12

Gel được tạo ra do tương tác tĩnh điện qua ion canxi nên gel này không thuận
nghịch với nhiệt và ít đàn hồi. Khả năng tạo gel và độ bền phụ thuộc vào hàm lượng các
đoạn guluronic (G). Phản ứng tạo liên kết gel sẽ không xảy ra ở những đoạn poly mannuronic và những đoạn MG (mannuronic - guluronic). Tỷ lệ G lớn hơn so với M thì
khả năng tạo gel của alginat sẽ tốt hơn.
Khả năng tạo gel của các muối alginate còn phụ thuộc vào kích thước của ion
kim loại. Ái lực của alginate đối với các ion kim loại hóa trị II khác nhau giảm theo
trình từ: Pb2+ > Cu2+ > Cd2+ > Ba2+ > Sr2+ > Ca2+ > Co2+. Tùy thuộc vào loại
ion liên kết và loại alginate mà gel tạo thành có tính chất khác nhau [20,26].
- Oligosaccarite từ alginate
Oligoalginate được dùng để chỉ các oligosaccarite xuất phát từ alginate. Sự đa
dạng về cấu trúc và tính chất của alginate là do sự sắp xếp khác nhau về tỉ lệ và trình
tự của các gốc M và G trong phân tử. Các phân đoạn polyme ở dạng các chuỗi
homopolyme của axit mannuronic, được gọi là các khối M, các chuỗi homopolyme
của axit guluronic, được gọi là các khối G, và các chuỗi hỗn hợp của cả hai axit này,
được gọi là các khối MG hoặc các khối xen kẽ. Thường alginate bao gồm 3 loại khối
và mỗi khối thường chứa 3 đến 30 đơn vị monome. Gần đây, các oligome của
alginate thu được bằng việc cắt mạch alginate nhờ enzym với những tính năng đặc
biệt như kích thích tăng trưởng vi khuẩn đường ruột bifidobacteria [66, 67], thúc đẩy
quá trình nảy mầm hạt giống và phát triển rễ, thân, lá của cây, có khả năng kháng
virut [68]. Các oligoalginate với thành phần và trật tự monome thích hợp có những
ứng dụng quan trọng như oligoalginate giàu các khối G được dùng để loại bỏ các ion
kim loại độc hại như chì, stronti và bari. Trong khi đó, các oligoalginate giàu các
khối M có tác dụng kích thích các tế bào trong cơ chế bảo vệ bằng miễn dịch chống
lại sự nhiễm trùng và các tổn thương do phóng xạ… [69,70]. Hiện nay, để điều chế
các oligoalginate có thể dùng các enzym đặc hiệu hoặc dùng axit thủy phân .
1.2.2. Ứng dụng của alginate
Do có nhiều ứng dụng khác nhau, alginate được xem là một trong những
polysaccarite có nhiều ứng dụng nhất. Các ứng dụng này trải rộng từ các ứng dụng
có tính chất kỹ thuật truyền thống, đến thực phẩm và y sinh học.

13

Các ứng dụng của alginate đều dựa trên ba đặc điểm chính. Thứ nhất là khả
năng tạo dung dịch có độ nhớt cao. Thứ hai là khả năng tạo gel khi thêm muối canxi
vào dung dịch natri alginate trong nước. Sự tạo gel đó xảy ra phản ứng hóa học, khi
đó canxi thay thế natri trong alginate, giữ lấy các phân tử alginate dài với nhau và
kết quả là tạo gel. Quá trình tạo gel không cần đun nóng và gel thu được không bị
chảy khi đun nóng. Đặc điểm thứ ba của alginat là khả năng tạo màng và sợi
canxi alginate [27 ].
- Trong một số ngành kỹ thuật: Ứng dụng kỹ thuật quan trọng phổ biến nhất
là tạo một chất tạo màng trong in vải sợi, ở đó alginate thu hút được sự chú ý cao
nhờ mang lại sự thẫm màu, độ rực rỡ và độ đồng nhất. Nhu cầu alginate dùng trong
in vải sợi chiếm khoảng 50% tổng lượng alginate sản xuất trên toàn thế giới[ 27] [28
]. Alginate cũng dùng để tráng bề mặt giấy để đạt sự đồng nhất và làm tác nhân gắn
kết trong việc sản xuất que hàn[29].
- Trong y - dược: Alginate đã được sử dụng trong hàng thập kỷ làm chất trợ
giúp trong các ứng dụng khác nhau trong y tế. Một số ví dụ bao gồm việc sử dụng
làm vải băng bó vết thương truyền thống [ 3 0 ] , làm vật liệu lấy dấu răng và trong
một số dược phẩm chảy máu dạ dày. Việc sử dụng alginate làm chất ổn định ngày
càng phổ biến trong nhiều quá trình công nghệ sinh học khác nhau. Sự bắt giữ tế
bào bên trong các hạt cầu Ca - alginate đã trở thành kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi
nhất để cố định tế bào sống [26]. Triển vọng lớn nhất với các tế bào được cố định
bằng gel alginate là việc ứng dụng khả năng của chúng trong việc cấy ghép tế bào. Ở
đây, mục đích chính của sự tạo gel là tác dụng như một hàng rào giữa bộ phận ghép
và hệ thống miễn dịch của vật chủ. Các tế bào khác nhau đã được đề nghị cho việc
cố định gel bao gồm các tế bào tuyến cận giáp để điều trị bệnh canxi huyết và tế bào
sản xuất dopamine nhuộm màu tuyến thượng thận để điều trị bệnh Parkinso[20].
Alginate hiện nay được tập trung nghiên cứu cho các tế bào sản xuất insulin để điều

trị bệnh tiểu đường tuyp I [31].
- Trong thực phẩm: Alginate được sử dụng làm chất phụ gia để cải thiện, bổ
sung và ổn định kết cấu bên ngoài của thực phẩm. Các ứng dụng này dựa trên các
tính chất như làm tăng độ nhớt, khả năng tạo gel và làm ổn định hỗn hợp với nước
chống đông và nhũ hóa. Trong sản xuất kem, axit alginic và muối của nó có thể


14

dùng làm chất ổn định trong kem ly, làm kem có mùi thơm, chịu nóng tốt, thời
gian khuấy trộn lúc sản xuất ngắn. Một sản phẩm chứa axit alginic có tên là
Lamizell là muối kép của natri và canxi với một tỷ lệ nhất định. Lamizell tạo ra
một độ nhớt đặc biệt và có khả năng kích thích ngon miệng, do đó rất được quan
tâm trong thực phẩm. Trong ứng dụng làm mứt, thạch, thực phẩm mùi hoa quả…,
khả năng đồng tạo gel giữa alginate giàu G và pectin este hóa cao có vai trò
rất hữu ích. Hệ alginat/pectin có thể tạo ra gel thuận nghịch, ngược với gel alginate
có liên kết ngang ion thuần túy [20,27].
1.3. Composite canxi hydroxyapatite với alginate
Xương tự nhiên được biết đến là một mô phức tạp gồm 70% HA và 30%
mạng lưới collagen loại I về khối lượng. Trong đó, các hạt HA phân bố có tổ chức và
đều đặn trong nền collagen. Trong xương tự nhiên, có mối liên kết giữa xương với
các mô sống xung quanh, chúng hoạt động như một khung xương có đủ độ bền cơ
học và kích thích phát triển hình thành mô xương mới. Điều này đòi hỏi một vật liệu
sinh học tiên tiến có chức năng như một mạng lưới tế bào tạm thời và có khả năng
xúc tác cho sự phát triển của tế bào gốc [46]. Vật liệu nano composite HA/polyme
sinh học được coi là một vật liệu tiềm năng cho kỹ thuật mô. Do vậy, sự quan tâm
tập trung phát triển vật liệu sinh học composite HA/polyme tạo ra vật liệu có khả
năng tái tạo cấu trúc phân cấp phức tạp của xương.
Năm 1993, Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (FDA) đã phê
duyệt sản phẩm Collagraft được chế tạo trên cơ sở composite HA/tricanxi phosphate

và collagen chiết xuất từ xương bò phối hợp với tủy xương bệnh nhân. Các nghiên
cứu cho thấy, khi kết hợp HA với các polyme, tính tương thích sinh học giữ nguyên
và tính chất cơ học được tăng lên. Nhiều nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào
tổng hợp composite này cho thấy đã đạt được những cải thiện đáng kể về tính chất cơ
học. Một nhóm nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley công
bố đã phát triển được một sản phẩm composite trên cơ sở HA và poly 2-hydroethyl
methacrylat. Dự kiến sản phẩm này sẽ có vai trò quan trọng trong các bộ phận xương
và răng cấy ghép, phát triển xương, liệu pháp chữa khuyết tật xương. Trên cơ sở HA
và collagen, một nhóm các nhà khoa học Nhật Bản đã nghiên cứu thành công một
loại xương nhân tạo có tính năng như vật liệu dạng khối xốp, rất mềm và có thể dùng
kéo cắt để định dạng theo ý muốn, dễ dàng cấy ghép vào cơ thể.


15

1.3.1. Đặc điểm, tính chất và ứng dụng
Bản chất của gốm xốp và màng HA có độ bền cơ học thấp. Một giải pháp để
tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm composite bằng cách phân tán HA bột
vào các polyme sinh học như alginate, maltodextrin, tinh bột, collagen, chitosan,
xenlulo… Bên cạnh đó, sự có mặt của các polyme sẽ làm chất nền để các hạt HA
phân bố đồng đều hơn, giảm hiện tượng kết tập giữa các hạt. Mạng lưới cấu trúc của
các polyme hạn chế sự phát triển của tinh thể HA nên sản phẩm thu được có kích
thước hạt nhỏ hơn HA tinh khiết. Vật liệu ở dạng này có tính tương thích sinh học
cao hơn so với HA đơn thuần nên 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 nó. Đây cũng là ưu
điểm vượt trội của vật liệu composite chứa HA [37].
Các loại composite từ các polyme phân hủy sinh học kết hợp với HA được

quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều để chể tạo xương thay thế với tính chất sinh
học và cơ học tốt hơn. Vật liệu sinh học tự nhiên gồm collagen, gelatin, chitosan,
alginate, tơ sợi… đã được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong y sinh học. Trong số
đó, alginate được chú ý do là polyme ưa nước, không độc tính, có tương thích sinh
học và giá thành phù hợp. Với những đặc tính đó, alginate được sử dụng rộng rãi làm
chất nền trong công nghệ mô, xương, sụn, da… [46,24].
Gần đây, vật liệu composite sinh học trên cơ sở HA được phát triển như một
hệ thống truyền dẫn thuốc, kháng sinh và kháng nấm, phẫu thuật chỉnh hình, nha
khoa… [55]. Sự có mặt HA cùng với alginate làm tăng sự gắn kết tế bào bên trong
và cung cấp sự lựa chọn thích hợp khung xương cho kỹ thuật mô. Một số nghiên cứu
đã chế tạo composite HA/Alg làm chất độn xương thông qua các kỹ thuật khác nhau
như tách pha, phun giọt, hoặc phân tán trong polyme [29].
Composite HA/Alg hình thành là kết quả sự phân tán trực tiếp hạt HA vào
chuỗi polyme alginate, nó được sử dụng như một khung đỡ cho sự phát triển của
xương và mô. composite HA/Alg có cơ tính tốt được phát triển bằng cách kết hợp
bột HA với alginate liên kết ngang ion với canxi. Các đặc tính cơ học có thể tăng