NGHIÊN cứu TÍNH CHẤT NANO BIOCOMPOSITE HYDROGEL TRÊN cơ sở MMT NA+ và ỨNG DỤNG TRONG tái tạo XƯƠNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
1

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT NANOBIOCOMPOSITE HYDROGEL TRÊN CƠ
SỞ MMT/NA+ VÀ ỨNG DỤNG TRONG
TÁI TẠO XƯƠNG

1


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
2

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

LỜI MỞ ĐẦU
Thuật ngữ hydrogel đã được biết đến cách đây hơn 100 năm. Tuy nhiên,
nghiên cứu ứng dụng hydrogel trong lĩnh vực sinh học thì chỉ mới được bắt đầu từ năm
1960 và kể từ đó đến nay rất nhiều các bài báo khoa học đã được công bố trên các tậ
chí khoa học. Trong những năm đầu thế kỷ XXI, các nhà khoa học tạo ra các loại
“Hydrogel thông minh” như là công cụ cho sự tiến bộ trong ngành khoa học và đặc biệt
là mở ra con đường mới cho việc nghiên cứu cho ngàng y học. Hydrogel trên cơ sở các
vật liệu thiên nhiên ngày càng nhận được sự phân phối các hoạt chất mang tính sinh
học trong lĩnh vực tái tạo mô, da và xương,…
Vật liệu y sinh đã và đang được quan tâm nghiên cứu để đáp ứng nhu cầu

thay thế các bộ phận cơ thể, cấy ghép mô, xương của con người, hứa hẹn cho việc chữa
trị và tái tạo các mô và cơ quan bị mất hoặc bị tổn thương do chấn thương, bệnh tất
hoặc lão hóa.
Trong lĩnh vực vật liệu dùng cho xương, nhiều loại vật liệu dùng trong cấy
ghép và thay thế xương đã phát triển trong những thập kỷ qua như kim loại và hợp kim
(titan, hợp kim của titan, thép không rỉ,…). Những vật liệu này tuy tương hợp sinh học
nhưng tính chất cơ lý của kim loại, hợp kim khác biệt nhiều so với xương dẫn đến nguy
cơ gãy xương do kém tương thích giữa thành xương tiếp xúc với kim loại ghép.
Vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới hiện nay quan tâm đến vật liệu có thể
tạo ra được Hydroxyapatite (HA). HA có tính tương hợp sinh học, hoạt tính sinh học
cao và khả năng chữa lành xương do thành phần tương tự thành phần khoáng trong
xương. Mặt khác, HA có thể từ từ hóa tan trong cơ thể giải phóng in Calcium và
Phosphate có lợi trong việc hình thành và phát triển xương.
Các công trình nghiên cứu vật liệu Hydrogel Composite có khả năng tái tạo
xương trên cở sở các Polymer tự nhiên như gelatin, chitosan, hyaluronic acid, collagen,
…Tuy nhiên vẫn chưa sử dụng MMT/Na + trong vật liệu Hydrogel Composite để tái tạo
xương. Chính vì lẽ đó, chúng tôi chọn đề tài : “Nghiên cứu tính chất NanoBiocomposite Hydrogel trên cơ sở MMT/Na + và ứng dụng trong tái tạo xương” .
Cấu trúc xốp 3D của hydrogel tạo điều kiện cho tế bào phát triển bên trong vật liệu
giúp xương phát triển bên trong vật liệu. Vật liệu trên tương tự các thành phần của
xương. Algiante là một polysaccharide phân hủy sinh học, tương thích với extracellular
2


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
3

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

matrix của tế bào. Hydrogel Composite này tạo môi trường phỏng theo môi trường sinh

học của xương với sự tương hợp sinh học cao, khi Hydrogel Composite phân hủy sinh
học sẽ thúc đẩy quá trình tái tạo mô xương, xương mới hình thành thay thế dần
Hydrogel Composite được cấy ghép.
Mục tiêu của luận văn
Tạo hệ Nano-Bicomposite Hydrogel dựa trên cở sở Na-MMT/Alginate có
khả năng thích ứng với cơ thể và từ đó kích thích tạo thành khoáng xương
Hydroxyapatite (HA).
Nội dung thực hiện
-

Quá trình xử lý và biến tính Bentonite bằng dung dich muối Natri Clorua.
Khảo sát thời gian gel hóa của hệ Hydrogel với từng nồng độ cation khác nhau.
Khảo sát thời gian phân hủy của hệ Hydrogel trong in vivo
Khảo sát khả năng hình thành khoáng xương HA từ hệ Hydrogel NaMMT/Alginate

3


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
4

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT
1.1.

Hydrogel

1.1.1.

Khái quát về Hydrogel
Hydrogel là Polymer mạng không gian ba chiều có khả năng hấp thụ một
lượng nước hoặc chất lỏng sinh học [35].
Hydrogel được hình thành thông qua quá trình trùng hợp sol-gel, trong đó
chúng chuyển từ trạng thái lỏng, chảy (sol) sang trạng thái rắn (gel) [29]. Hydrogel có
những tính chất đặc trưng quan trọng như tính cơ tính, tính chất gần giống với các tế
bào tự nhiên, có khả năng thích nghi với các điều kiện bên trong cơ thể của con người
và động vật, độ linh động của Hydrogel cao. Ngoài ra, còn có thêm một số Hydrogel có
thể thích nghi với các sự thay đổi của điều kiện môi trường lý hóa,… Sự trương nở và
độ co rút lại của Hydrogel phụ thuộc vào môi trường pH, từ trường, nhiệt độ và ánh
sáng,… [31].

Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạng lưới Hydrogel
1.1.2.

Phân loại Hydrogel
 Phân loại Hydrogel theo nguồn gốc.
Nguồn gốc của Hydrogel bao gồm: Tự nhiên, tổng hợp hay bán tổng hợp.
4


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
5

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

Hydrogel tự nhiên: Alginic Acid, Pectin, Polymysine, Chistosan,…
Hydrogel tổng hợp: PEG, Polyhydroxyethyl Methacrylate (PHEMA),

Polyvinyl Alchohol (PVA),… [10].
Hydrogel bán tổng hợp: Collagel-Acrylate, Alginate-Acrylate,…
 Phân loại Hydrogel theo cấu trúc
Hydrogel vô định hình là các Hydrogel mà mạch của chúng được sắp xếp
một cách ngẫu nhiên không có trật tự.
Hydrogel bán kết tinh là các Hydrogel có những phân tử lớn có cấu trúc tồn
tại ở những vùng tập trung.
Hydrogel liên kết hydro: Trong Hydrogel, cấu trúc và độ ổn định của các
phân tử nước bị ảnh hưởng bởi các liên kết. Các nhóm có cực trong Polymer liên kết
chặt chẽ với các phân tử nước và từ đó hình thành liên kết hydro gây ra các hiệu ứng
kỵ nước xảy ra [36]. Nhứng hiệu ứng kỵ nước này được khai thác làm các Hydrogel có
mối nối hóa học ngang có khả năng chữa bệnh.
 Phân loại Hydrogel theo khả năng dẫn thuốc
Dựa vào sự trương nở và khả năng thích ứng sinh học mà Hydrogel có thể
kiểm soát được môi trường chất lỏng mà chúng nhận được khi đưa vào cơ thể [11], với
nhứng đặc tính ưu việt này mà chúng được sử dụng là vật liệu dẫn thuốc có kiểm soát.
Vị trí Hydrogel bám chặt vào cơ thể sẽ được xác định bởi các phản ứng hóa học của nó
với các mô xung quanh trong cơ thể.
Ngoài ra, còn có Hydrogel thông minh được ứng trong việc dẫn truyền
thuốc. Hydrogel thông minh nhạy cảm với các kích thích thay đổi của môi trường như
nhiệt độ và pH. Những thay đổi của môi trường sẽ làm thay đổi tính trương nở của
Hydrogel và có thể làm tăng hoặc giảm khả năng giải phóng thuốc. Ví dụ điển hình là
Hydrogel giải phóng Insulin trong máu cho những người bệnh tiểu đường khi có lượng
đường máu cao [46]. Những Hydrogel Glucose nhạy cảm này được thay đổi bằng
enzym Oxidase Glucose. Trong sự hiện diện của Glucose, Glucose Oxidase sẽ xúc tác
phản ứng kết thúc ở mức tăng H+ này làm tăng độ pH của môi trường xung quanh và
do đó gây sự thay đổi trong Hydrogel thông minh từ đó bắt đầu giải phóng insulin.
5

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
6

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

 Phân loại Hydrogel theo mạng tải điện
Hydrogel được phân chia làm 4 loại dựa vào việc có tồn tại hay không của
các điện tích nằm trên các chuỗi mối nối liên kết ngang.
- Cation và Anion
- Nonionic
- Amphoteric electrolyte (Ampholytic)
- Zwitterionic (Polybetaines)
 Phân loại Hydrogel theo từng loại tính chất
Dựa vào các tính chất chủ yếu của Hydrogel ta phân Hydrogel theo những
loại chính như sau:
- Hydrogel nhạy cảm về pH, điện, áp suất, đường, ánh sáng, enzym
•

 Phân loại Hydrogel theo khả năng hấp thụ nước
Cơ chế hóa học:

Các Polymer Hydrogel có khả năng hấp thụ nước theo cơ chế hóa học là
do các liên kết hóa học gây ra. Điển hình là liên kết cộng hóa trị. Ví dụ như khi có sự
tác dụng của các chất tạo cầu nối trong mạng thì Polymer Vinyl sẽ tạo thành các mạng
không gian ba chiều.
•

Cơ chế vật lý:

Những liên kết Hydro, liên kết Vander Waals, liên kết cầu (cross-link) tạo
nên khả năng hấp thụ nước theo cơ chế vật lý của Hydrogel, ngoài ra nó còn là sự
tương tác vật lý giữa các chuỗi trong mạch Polymer.

1.1.3.

Tính chất của Hydrogel
Một Hydrogel là một hỗn hợp của một chất rắn (một Polymer) và một chất
lỏng (nước). Các tính chất của Hydrogel cũng được xác định bởi thành phần của hỗn
hợp đó (tỷ lệ Polymer-nước). Theo hình 1.2, một Hydrogel có độ trương thấp hoặc cao
được đặc trưng bởi tỷ lệ Polymer-nước thấp cao tương ứng. Hàm lượng chất rắn/lỏng
6


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
7

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

của Hydrogel được xác định bởi tỷ lệ liên kết ngang/Monomer trong quá trình tổng hợp
Hydrogel hoắc sau quá trình tổng hợp Hydrogel [44].

Hình 1.2: Tính chất Composite của Hydrogel
 Khả năng trương nở
Sự hấp thụ nước trong Hydrogel phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thông số
mạng lưới, bản chất dung dịch, cấu trúc Hydrogel (xốp hay không xốp) và kỹ thuật sấy.
Yếu tố quan trọng nhất là mật độ liên kết chéo, ở khoảng cách càng ngắn mật độ liên
kết chéo càng cao. Tuy nhiên, độ lớn của mật độ liên kết chéo xác định tính năng
trương nở của một Hydrogel nhất định. Cơ chế hấp thụ nước trong Hydrogel liên kết

ngang có khả năng thay đổi theo một quá trính khuếch tán duy nhất khi chuyển động
chuỗi Polymer là giới hạn bởi mật độ liên kết chéo cao. Nói cách khác, một Hydrogel
liên kết ngang hoạt động giống như một lưới kim loại cho phép một lượng nước liên
tục đi qua [44].

 Nước chứa trong Hydrogel
Nước tồn tại trong cấu trúc của Hydrogel có thể phân làm 4 loại như hình
1.3. Nước ở lớp ngoài cùng là nước tự do và có thể dễ dàng được loại bỏ khỏi
7


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
8

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

Hydrogel trong điều kiện nhẹ. Nước xen kẽ là loại nước không được gắn vào mạng
Hydrogel, nhưng bị kẹt lại giữa các chuỗi Polymer hydrat hóa. Nước liên kết được gắn
trực tiếp chuỗi Polymer thông qua quá trình hydrat hóa các nhóm chức hoặc ion. Nước
bị ràng buộc vẫn là một phần không thể thiếu trong cấu trúc Hydrogel và chỉ được tách
ra ở nhiệt độ rất cao. Nước bán ràng buộc là một loại nước có tính chất trung gian giữa
nước bị ràng buộc và nước tự do. Mặc dù các lớp nước khác có thể được cung cấp cho
cấu trúc Hydrogel, nhưng chúng có tương tác yếu hơn nhiều với các nhóm chức và ion
khi chúng ở xa các lõi chức năng. Nước tự do và nước xen kẽ có thể được loại bỏ khỏi
Hydrogel bằng cách ly tâm và nén cơ học [44].

Hình 1.3: Những loại nước khác trong cấu trúc Hydrogel
 Tính tương thích sinh học của Hydrogel
Các vật liệu Polymer Hydrogel có khả năng tương thích đặc biệt với cơ thể

sẽ được sử dụng làm vật liệu y sinh, để làm được điều đó chúng đều phải trải qua các
quá trình thử nghiệm về độc tế bào và độc tính trong môi trường in vivo. Các Monomer
chưa phản ứng, các Oligomer và chất khơi mào giải phóng trong quá trình ứng dụng sẽ
gây các vấn đề về độc tính. Sử dụng các bức xạ γ trong kỹ thuật trùng hợp để làm giảm
khả năng gây độc khi sử dụng các chất khơi mào. Tránh các Monomer chưa phản ứng
và sản phẩm phụ gây độc nhờ vào động lực học của quá trình trùng hợp để đạt độ
chuyển hóa cao hơn.
8


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
9

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

1.1.4.

Ứng dụng của Hydrogel
Hydrogel được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực quan trọng, do chúng
có cấu trúc thích ứng với sự thay đổi của môi trường thông thường, không những thế
chúng có khả năng linh hoạt do có thể chứa nước trong các lớp cấu trúc. Từ đó
Hydrogel được sử dụng rộng rãi trong đời sống của con người.
 Băng gạc vết thương thông minh
Loại băng gạc dùng để băng bó vết thương ở các bệnh viện hay băng cá
nhân của tủ thuốc cấp cứu ở nhà có thể bị thay thế trong tương lai trong không xa. Các
kỹ sử của Viện Công Nghệ Massachusetts (MIT), Mỹ đã phát minh một loại vật liệu dễ
dàng dùng làm băng gạc trông giống như gel dính , co giãn được. Đồng thời, nó còn rất
thông minh khi có thể tương tác với cảm ứng nhiệt độ, đèn Led hay các thiết bị điện tử
khác. Nó cũng có thể dùng chứa thuốc điều trị và tự biết giải phóng thuốc khi cần thiết.

Các “Băng gạc vết thương thông minh” loại này sẽ tự biết khi nào cần giải
phóng thuốc vào cơ thể người bệnh, đáp ứng chính xác sự thay đổi nhiệt độ theo làn da
con người. Nó thậm chí, còn có thể phát ra ánh sáng cảnh báo nếu việc hấp thụ thuốc
chưa đáp ứng đủ liều, lượng theo yêu cầu.
Với loại băng gạc vết thương dạng gel này thì chúng ta không còn e ngại
việc người bệnh uốn cong đầu gối hay vết thương ở vị trí khuỷu tay bởi độ co giãn của
nó là cực cao.

9


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
10

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

Hình 1.4: Các Hydrogel thế hệ mới rất linh hoạt
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và phát triển Hydrogel thế hệ mới do Giáo sư
Xuanhe Zhao, thuộc khoa Kỹ thuật cơ khí của MIT dẫn đầu. Theo nghiên cứu được
công bố trên Nature Materials, Hydrogel được ứng dụng trong nhiều sản phẩm khác
nhau, từ kính áp tròng mềm cho đến bao cao su dùng một lần, gel vuốt tóc, kem đánh
răng… Khi Hydrogel Alginate kết hợp với lô hội cho ra loại băng gạc vết thương có
thể giữ vết thương ẩm cho phép tái tạo lại tế bào nhanh hơn.
Gavin Braithwaite, làm việc ở Tập đoàn Polymer Cambridge - Boston,
Massachusetts (Mỹ), cho rằng Hydrogel chứa 80% là nước, dễ dàng thẩm thấu và có
rất nhiều chức năng phong phú. Vật liệu này trong tương lai gần sẽ có một viễn cảnh
tươi sáng trong việc tái phát triển tủy sống, dây thần kinh và các kỹ thuật mô, và thậm
chí cả các hệ cơ quan khác.
Được biết băng gạc bằng vật liệu Hydrogel không phải là mới, nó được biết

đến từ năm 1950. Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây đã cách mạng hóa vật liệu này.
Hydrogel thế hệ cũ bao gồm gel tự do dạng lỏng, chứa trong các ống hay các gói giấy
bạc. Khi sử dụng bôi gel này lên một miếng gạc, vải, hoặc một tấm lưới sợi mỏng.
Băng Hydrogel cung cấp độ ẩm, thúc đẩy chữa bệnh và loại bỏ mô chết từ
vết thương. Nhờ hàm lượng nước cao, băng Hydrogel làm mát vết thương và làm giảm
triệu chứng đau. Hydrogel cũng ngăn chặn băng gạc dính vào bề mặt vết thương gây
khó khăn khi thay băng mới cho người bệnh. Hydrogel thế hệ mới có thể ở bất cứ dạng
nào: rắn, dẻo, lỏng… chúng dễ dàng được điều chỉnh thành phần cấu trúc để đáp ứng
nhu cầu sử dụng.
 Cây cảnh thông minh
Trong nông nghiệp thì Hydrogel được ứng dụng chủ yếu là để giữ nước và
chất dinh dưỡng cho cây, giúp cây có chịu hạn tốt hơn. Nhờ đặc điểm ưu việt này mà ở
một số nước phát triển sử dụng Hydrogel để trồng cây ở những nơi có điều kiện khắc
nghiệt như hoang mạc, không gian.

10


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
11

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

Hình 1.5: Hydrogel giúp giữ nước cho cây trong điều kiện khắc nghiệt
 Dẫn truyền thuốc
Cho đến nay nhiều loại Hydrogel sinh học được nghiên cứu và ứng dụng
trong y sinh.Các Hydrogel trên cơ sở Chitosan cho thấy hiệu quả vượt trội trong tái tạo
mô và dẫn truyền thuốc. Điều chế Hydrogel nhạy nhiệt trên cơ sở Chitosan-Pluronic
mang Nanocucurmin ứng dụng chữa lành vết thương. Pluronic có cấu trúc PEO-PPOPEO, được sử dụng như một tá dược làm tăng độ hòa tan của thuốc. Trong đó PPO là

phần kỵ nước đóng vai trò tạo liên kết ngang vật lý tạo hydrgel khi tăng nhiệt độ dung
dịch Copolymer. Biến tính Chitosan với Pluronic tạo dẫn xuất Chitosan hòa tan và
nhạy cảm nhiệt để mang và nhả chậm các hoạt chất. Curcumin có tác dụng hỗ trợ chữa
lành vết thương nhờ các đặc tính như chống viêm, chống nhiễm trùng, chống oxy hóa,
tăng hình thành mô hạt, kích thích nguyên bào sợi phát triển tạo Collagen. Tuy nhiên,
Curcumin rất kém tan và độ hấp thu thấp nên hiện nay nano hóa curcumin để tăng sinh
khả dụng được quan tâm. Bên cạnh hoạt tính có ích của Chitosan và nanocurcumin, với
đặc tính của các Hydrogel, hệ nanocomposite Hydrogel giúp bao phủ vết thương ngăn
cản các vi khuẩn xâm nhập, hút dịch từ vết thương và giúp hỗ trợ lành hóa vết thương
[2].
 Loại bỏ kim loại nặng
Trong những năm gần đây, vấn đề ô nhiễm kim loại nặng trong nước vẫn
luôn là một bài toán khó giải. Sự tồn tại kim loại nặng trong nước, đặc biệt là nước
dùng cho sinh hoạt ăn uống là một trong những mối đe dọa đến sức khỏe và tính mạng
11


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
12

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

con người. Do đó, việc loại trừ các ion kim loại nặng ra khỏi nguồn nước là một vấn đề
hết sức cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Hiện nay, các công nghệ thường
được sử dụng để loại bỏ các ion kim loại nặng trong nước gồm có phương pháp kết tủa
hóa học, trao đổi ion, tuyển nổi và lắng đọng điện hóa [45-9].Tuy nhiên, hầu hết các
phương pháp trên đều tiêu tốn nhiều năng lượng và có giá thành khá cao [18]. Công
nghệ màng sinh học tổng hợp xuất hiện với những tính năng vượt trội trong việc loại
bỏ các ion kim loại nặng trong nước dựa trên các quá trình hấp phụ và thấm - bốc hơi

qua màng. Màng sinh học tổng hợp không những đạt hiệu quả cao trong quá trình xử lý
mà còn tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành [15-25]. Trong số đó, phải kể đến
màng sinh học Chitosan/Cellulose được tổng hợp dựa trên các tính chất đặc biệt của
Chitosan và Cellulose [26], Chitosan/Cellulose Acetat [9],… trong đó Chitosan là một
trong những Polymer sinh học với những tính chất đặc biệt như khả năng tích điện
dương, có độ nhớt cao. Về mặt hóa học, Chitosan còn có các nhóm chức -OH,
-NHCOCH3 trong các mắt xích N-axetyl-Dglucozamin và nhóm -OH, nhóm -NH2 trong
các mắt xích D-glucozamin có nghĩa chúng vừa là Ancol, vừa là Amin, vừa là amit nên
phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế
N-, hoặc dẫn xuất thế O-, N.
Ngoài ra Chitosan có thể hình thành các phức hợp với nhiều chất trong tự
nhiên và các phức này thường không tan trong nước tạo thành dạng màng Hydrogel
được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ tổng hợp màng sinh học [50]. Zeolite là một
loại aluminosilicat tinh thể có cấu trúc không gian ba chiều, có các lỗ xốp đặc biệt cho
phép chúng phân chia phân tử theo hình dạng và kích thước vì vậy, zeolite còn được
gọi là hợp chất rây phân tử., ngoài ra Zeolite có 4 tính chất quan trọng là trao đổi
cation, hấp phụ, xúc tác và chọn lọc hình dạng [28]. Dựa vào những tính chất đặc biệt
đó mà Zeolite thường được sử dụng trong xử lý khí thải, nước thải và đặc biệt là xử lý
kim loại nặng trong nước [40-27].
 Công nghệ in 3D - ứng dụng tái tạo mô, cơ quan cơ thể
Công nghệ mô (Tissue Engineer) là lĩnh vực phát triển nhanh chóng gồm
khoa học vật liệu sinh học, sinh học tế bào, tương tác giữa vật liệu- tế bào và các đặc
tính bề mặt. Các nghiên cứu trong lĩnh vực này đều nhằm mục đích phục hồi, bảo tồn
hoặc tăng cường chức năng mô đồng thời thay thế các cơ quan, mô bị tổn thương,
khiếm khuyết hoặc bị mất do tai nạn hay một bệnh nào đó [1].
12


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp

13

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

Mô hoặc cơ quan có thể tạo thành thông qua một số phương pháp, trong đó
phương pháp phổ biến nhất liên quan tới thu nhận các tế bào đặc hiệu mô từ mẫu sinh
thiết mô nhỏ của bệnh nhân và thu nhận bằng nuôi cấy invitro. Các tế bào thu nhận sau
đó được tăng sinh và cấy vào khung 3D (Three-Dimension Scaffold) có cấu trúc bắt
chước chất nền ngoại bào (Extracellular Matrices-ECM, có tác dụng ổn định cấu trúc tế
bào và thực hiện một số chức năng khác) của mô mục tiêu.

Hình 1.6: a) Cấu trúc hệ thống in mô-cơ quan ITOP, b) Cấu trúc in 3D, c) Quy trình in
mô sử dụng hệ thông ITOP
Để giữ các tế bào lắng, nhóm nghiên cứu của Atala đã tạo ra Hydrogel đóng
vai trò scaffold gồm fibrinogen (tăng cường độ ổn định của cấu trúc và tạo ra vi môi
trường giúp các tế bào bám chặt và tăng sinh), gelatin (có đặc tính đông đặc và hóa
lỏng tại các nhiệt độ thích hợp), Hyaluronic Acid và Glycerol (cả hai đều tạo ra kết cấu
chuẩn xác cho scaffold).
Hydrogel là một loại mực in sinh học (bioink) phổ biến được dùng trong
công nghệ mô, có thể ở dạng tự nhiên hoặc tổng hợp. Hydrogel được sử dụng phổ biến
13


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
14

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

trong quá trình in sinh học, giúp ổn định các tế bào và bắt chước môi trường chất nền

ngoại bào (extracellular maitrix-ECM) giúp tế bào phát triển và có tính linh động tương
tự các mô tự nhiên. Một số Hydrogel thường được sử dụng trong công nghệ in mô và
cơ quan gồm Alginate, Collagen, Gelatin, Methacrylate, Hyaluronic Acid, Fibrin,
Polyethanol Glycol và Pluronic F127. Trong quá trình in cơ quan 3D, các tế bào sẽ
được đưa vào các lớp Hydrogel theo thứ tự tạo lớp Hydrogel, đưa tế bào vào trong, sau
đó lại tạo một lớp Hydrogel và quá trình tiếp tục cho đến khi hoàn thành quá trình in.
Nhìn chung, Hydrogel sử sụng trong công nghệ in 3D cần đạt các tiêu chuẩn
sau: 1) không độc, 2) ổn định hình dạng của cấu trúc được in và hình thái bên trong sau
quá trình lắng đọng (deposition), 3) có tính ổn định và các đặc tính hóa học phù hợp
cho nuôi cấy invitro và quá trình cấy ghép invivo, 4) bảo đảm khả năng sống sót và
chức năng của tế bào, 5) dễ thao tác. Ngoài ra, Hydrogel cần phải cung cấp cho các tế
bào được cấy vào sự kích thích sinh hóa và vật lý phù hợp để dẫn dắt các quá trình tế
bào khác nhau như sự di chuyển của tế bào, tăng sinh và biệt hóa.

1.2.

Bentonite

1.2.1.

Giới thiệu về Bentonite
Bentonite là một loại khoáng sét tự nhiên có cấu trúc lớp (Smectite: sét lớp),
được hình thành từ núi lửa phun trào [43].
Sét lớp (Smectite) có cấu trúc 2:1 gồm hai mạng tứ diện của SiO 4 liên kết
với một mạng bát diện ở giữa AlO6 được biểu diễn như hình 1.7.
Trong quá trình phong hóa lâu dài, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm,…
thành phần hóa học của Bentonite biến đổi theo từng niên đại, địa phương,… do sự
thay thế đồng hình của các kim loại trong các mạng tứ diện và bát diện. Bentonite là
tên đại diện cho một số sét lớp 2:1 có thành phần hóa học khác nhau như
Montmorillonit (MMT), Beidellit (BEI), Nontronit (NONT) [43].

14


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
15

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

Hình 1.7: Cấu trúc không gian của Bentonite
Bentonite phổ biến nhất, thường gặp nhiều nơi trên thế giới là Bentonite
chứa sét lớp 2:1 montmorillonit (MMT) được thể hiện như hình 1.7. Thành phần hóa
học
của
đơn vị cấu trúc cơ bản của một dạng MMT được biểu diễn bởi công thức:
(Na,Ca)0,8(Si7,8Al0,2)IV(Al3,4Mg0,6)VIO20(OH)4
Độ dày của lớp cấu trúc 3 mạng (2 tứ diện và 1 bát diện) khoảng 9,4 Å,
khoảng cách d001 từ mặt đáy tứ diện lớp 2:1 này đến mặt đáy tứ diện của lớp 2:1
khác khoảng 15 Å. Nghĩa là khoảng cách (khoảng trống) giữa 2 lớp 2:1 là
d = 1,5 – 9,4 = 5,6 Å∼ 6 Å. Do sự thay thế đồng hình giữa các ion Al 3+ cho Si4+
trong mạng tứ diện và Mg2+ cho Al3+ trong mạng bát diện mà bề mặt của hai lớp sét
mang điện tích âm. Điện tích này được bù trừ bởi các cation trao đổi ở trạng thái
hydrat hóa nằm ở trong không gian giữa hai lớp 2:1
1.2.2.

Phân loại Bentonite
 Sodium Bentonite

Natri Bentonite nở ra khi ướt, hấp thụ nước gấp nhiều lần khối lượng khô

của nó ban đầu. Đặc tính trương nở đặc biệt của Natri Bentonite khiến nó trở thành một
vật liệu hữu ích như một chất bịt kín, nó cung cấp một hàng rào tự thấm và độ thấm
thấp [27].
15


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
16

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

 Calcium Bentonite
Canxi Bentonite là chất hấp thụ hữu ích của các ion trong dung dịch, cũng
như chất béo và dầu [34].
 Potassium Bentonite
Được gọi là Kali Bentonite, một loại đất sét giàu kali được hình thành từ sự
thay đổi của tro núi lửa [37]. Được ứng dụng chủ yếu vào sản xuất các vật liệu xây
dựng và ngăn chặn các chất thải phóng xạ.

1.2.3.

Tính chất của Bentonite
 Tính trương nở

Tính trương nở là tính chất khi Bentonite hấp thụ hơi nước hay tiếp xúc với
nước, các phân tử nước sẽ xâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này
5 tăng lên từ 12,5 Å đến 20 Å tùy thuộc vào loại Bentonite và lượng nước bị hấp thụ.
Sự tăng khoảng cách lớp được giải thích do sự hydrate hóa của các cation giữa các
lớp. Sự trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế

đồng hình trong môi trường phân tán. Lượng nước được hấp thụ vào giữa các lớp
phụ thuộc vào khả năng hydrate hóa của các cation.
Do bề mặt của các tập mang điện tích âm, trên bề mặt chúng có thể phân bố
các cation hoá trị từ 1, 2 đến 3. Chủ yếu đó là các ion Na +, K+, Ca2+, Mg2+ và Fe2+.
Trong quá trình tương tác với nước xung quanh các cation này được hình thành các
lớp vỏ hydrate và do đó dẫn đến hiện tượng trương nở trong tập hợp các tập sét này.
Khả năng hydrate hoá cao nhất có ở các ion kim loại kiềm và đầu tiên phải kể đến là
Natri. Có khả năng trương nở ít hơn đáng kể là các ion kim loại kiềm thổ – Canxi và
Magie.
Khả năng trương nở và tăng thể tích của smectite (từ 2 – 20 lần) đã xác định
tính năng công nghiệp của chúng. Theo thành phần ion trao đổi, Bentonite được chia
làm loại kiềm và kiềm thổ. Đối với Bentonite kiềm, ion Na + chiếm ưu thế trong tổ
hợp ion trao đổi. Do ion Na+ có khả năng thu hút một lƣợng lớn các nhóm hydrate
16


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
17

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

mà MMT có hàm lượng Natri cao có khả năng trương nở lớn nhất. Bentonite với ion
Ca2+ chiếm ưu thế được gọi là Bentonite Canxi. Ngoài Ca 2+ trong MMT có thể có
Mg2+ với số lượng đôi khi vượt cả Ca 2+. Song thường gặp hơn cả là biến thể của
Bentonite Canxi – Magie. Có thể thay đổi tính chất của Bentonite Canxi và Canxi –
Magie bằng cách xử lý chúng với các dung dịch muối Natri. Quá trình trao đổi ion
diễn ra được gọi là biến tính và kết quả ta nhận được Bentonite biến tính Natri.
Trong công nghiệp người ta quy ước chia tất cả các Bentonite tự nhiên dựa
vào tính trương nở của chúng ra làm 2 nhóm: nhóm trương nở (kiềm) và nhóm

không trương nở hoặc trương nở yếu (kiềm thổ Canxi và Canxi – Magie). Như vậy
đặc điểm chủ yếu quyết định chất lương cao của Bentonite chính là tổng lượng các
cation trao đổi và đặc tính chất lượng của chúng. Bentonite với số lượng lớn các
cation Ca2+ và Mg2+ có thể chuyển sang dạng Natri bằng con đường biến tính, song
nếu như tổng các cation rất nhỏ thì dù có biến tính thì khả năng trương nở của
chúng cũng không tăng đáng kể.
Bentonite kiềm có đặc trưng độ trương nở, độ tạo keo, độ dẻo và độ kết dính
cao. Bentonite kiềm thuộc loại vật liệu có chất lượng cao và được ứng dụng trong
nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Bentonite kiềm thổ có đặc trưng là có độ ái nước, độ kết dính thấp hơn,
nhưng chúng có tính hấp phụ cao hơn. Chúng được sử dụng ít hơn trong các ngành
công nghiệp so với Bentonite kiềm. Tuy nhiên Bentonite kiềm thổ nhờ tính hấp phụ
và trao đổi cation mạnh hơn Bentonite kiềm, chúng được dùng nhiều trong nông
nghiệp, chăn nuôi và cải tạo đất [3].
 Tính hấp phụ
MMT có một bề mặt riêng phát triển (lên đến 600 – 800 m 2/g) và sự xâm
nhập dễ dàng của các ion trong không gian giữa các lớp, tạo nên khả năng trao đổi
cation đáng kể (80 – 150 mmolđl/100g). Các phân tử có phân cực được hấp phụ cả
hai bề mặt ngoài và trong, các phân tử không phân cực chỉ hấp phụ ở bề mặt ngoài.
Quá trình hấp phụ lên MMT xảy ra theo ba cơ chế:
- Thay thế của các cation hữu cơ với cation của mạng nằm giữa các lớp cơ
bản cũng như trên bề mặt lớp cơ bản của các hạt khoáng. Theo cơ chế này là sự
hấp phụ trao đổi của MMT, Vermiculite, Hydromica.
17


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
18

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

- Bằng liên kết hydro với nhóm hydroxyl bên ngoài.
- Bằng cách thông qua các liên kết hóa trị “bị hỏng” trên các cạnh và góc
của các hạt tạo ra trong các bước của quá trình phát triển của hạt khoáng [2].
 Tính chất trao đổi ion
Tính chất trao đổi ion là đặc trưng cơ bản của Bentonite. Tính chất này được
đánh giá thông qua giá trị CEC (dung luợng trao đổi cation); giá trị này càng lớn,
khả năng trao đổi cation càng nhiều. Phương pháp xác định CEC của Bentonite dựa
trên quá trình trao đổi hoàn toàn các cation có mặt trong Bentonite với các cation như
NH4+, K+, Na+, xanh Metylen, phức Co(III) Hexamin, phức Ba, Ag thioure, phức Cu
(II) Bisethylenediamintriethylenetetramin và Tetraethylenetetramin [37], phức Cu(II)
Bisethylenediaminethylendiamin [10-47]. Do vậy giá trị CEC không cố định mà
thay đổi tùy theo phương pháp sử dụng. Tính chất này được giải thích trên cơ sở
điện tích bề mặt của Bentonite. Có hai nguyên nhân làm xuất hiện điện tích bề mặt
của Bentonite.
Thứ nhất, điện tích âm trong mạng lưới của Bentonite xuất hiện
chủ yếu ở mạng bát diện do sự thay thế đồng hình ion Al 3+ (hoặc Fe3+) bằng ion
Mg2+, điện tích âm ở mạng tứ diện do sự thay thế của ion Si 4+ bằng ion Al3+. Tuy
nhiên, điện tích âm này được các cation nằm ở khoảng giữa các lớp của
Bentonite trung hòa điện tích. Dung lượng trao đổi ion của Bentonite phụ thuộc
vào số lượng điện tích âm bề mặt. Số lượng cation thay thế đồng hình càng lớn
nghĩa là bề mặt càng có nhiều điện tích âm thì dung lượng trao đổi càng lớn.
- Thứ hai là do ở gờ các lớp của Bentonite tồn tại các nhóm hydroxyl như
Al-OH, Fe-OH, Si-OH có khả năng trao đổi nhóm OH - hay H+ tùy theo pH của
môi trường, dẫn đến điện tích bề mặt Bentonite có thể dương hoặc âm. Tương
tác tĩnh điện tại bề mặt phân cách pha MMT – dung dịch.
1.2.4.

Các phương pháp tinh chế và biến tính Bentonite

 Phương pháp tinh chế Bentonite

Bentonite tự nhiên khai thác từ các mỏ khác nhau có thành phần khoáng và
thành phần hóa học, các tạp chất kèm theo cũng như tính chất vật lý, hóa lý khác
nhau. Và ngay trong cùng một mỏ, một vỉa quặng khi khai thác công nghiệp sản
phẩm Bentonite khai thác được cũng khác nhau. Để sét Bentonite có thể sử dụng cho
18


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
19

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

những nhu cầu khác nhau trong các ngành công nghiệp cần sơ chế hoặc tinh chế và
thậm chí biến tính Bentonite thành những sản phẩm phù hợp.
Để xác định tinh chế hay biến tính Bentonite có cần thiết hay không, hoặc
cần
tinh chế biến tính ở mức độ nào cần dựa vào hai yếu tố chính là thành phần khoáng,
thành phần tạp chất, tính chất hóa lý của Bentonite như thế nào và nhu cầu và mục
đích sử dụng cho ngành công nghiệp cụ thể đối với sét Bentonite. Có những nhu
cầu có thể sử dụng trực tiếp ngay sét Bentonite không qua khâu tinh chế, mà chỉ cần
gia công cơ khí, nghiền, rây sàng để có kích thước hạt đủ lớn theo yêu cầu sử dụng
là có thể sử dụng ngay. Tuy nhiên cũng có loại Bentonite khi chất lượng chứa đảm
bảo cho mục đích sử dụng thì phải qua giai đoạn tinh chế hoặc thậm chí phải qua
những công đoạn biến tính phức tạp thì mới có thể sử dụng được.
 Các phương pháp biến tính Bentonite
Biến tính Bentonite là một khái niệm dùng chung cho các phương pháp xử
lý

hóa lý hay hóa học để thay đổi một vài tính chất của Bentonite hoặc làm tăng một
khả năng của Bentonite như làm tăng khả năng trao đổi cation (CEC), tăng dung
lượng hấp phụ và tăng khả năng hấp phụ chọn lọc của Bentonite so với chưa biến
tính, hay đơn giản là tẩy trắng Bentonite.
Có một số phương pháp biến tính Bentonite phổ biến như sau:
- Bằng dung dịch muối, hoặc dung dịch kiềm.
- Bằng axit vô cơ.
- Bằng các bazơ hữu cơ.
• Phương pháp biến tính axit
Sự thay đổi tính chất vật lý quan trọng nhất trong quá trình biến tính axit
là tăng diện tích bề mặt và thể tích trống do đã được hòa tan một phần
bằng cách xử lý với axit. Tùy thuộc vào mức độ kích hoạt, các cation
Ca2+, Mg2+ và Na+ bị loại bỏ và một phần Al, Fe, Mg, Si từ các lớp mạng
bị hòa tan. Biến tính Bentonite bằng axit cải thiện diện tích bề mặt một
cách mạnh mẽ (> 200 m2/g) và tăng kích thước lỗ rống. Khả năng thay
đổi này phụ thuộc vào độ mạnh của axit và thời gian biến tính cũng như
19


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
20

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

nhiệt độ. Diện tích bề mặt và độ axit trên bề mặt của Bentonite biến tính
quyết định đến tính chất hấp phụ của nó [51].
Độ hấp phụ tối ưu không phụ thuộc vào diện tích bề mặt cực đại bởi vì nó
không chỉ là quá trình hấp phụ vật lý đơn thuần. Bên cạnh đó, việc biến
tính axit ảnh hưởng đến cả tấm tứ diện và bát diện. Vì vậy, có thể đưa đến

kết luận rằng việc thực hiện quá trình biến tính axit có mối liên hệ với
thành phần hóa học và các thông số cấu trúc của sản phẩm biến tính. Tuy
nhiên mối quan hệ định lượng giữa tính chất của đất sét biến tính với
thành phần hóa học và các thông số cấu trúc của nó vẫn còn đang được
nghiên cứu [19].
Khi biến tính bằng axit thì bề mặt riêng, thể tích trống và kích thước các
vi mao quản tăng có giới hạn theo nồng độ axit.
Nhƣng bề mặt của Bentonite biến tính axit gần nhƣ lại giảm theo sự tăng
của nồng độ axit. Vậy, có thể thu được bề mặt riêng cực đại với thể tích
trống, đường kính trung bình và bề mặt hoạt động vừa phải [24]. Người ta
nghiên cứu thấy rằng ởđiều kiện trên thì Bentonite – Ca cho kết quả tốt
hơn là Bentonite – Na.
Khi hòa tan Bentonite trong axit, các cation trao đổi và một phần cation
trong cấu trúc bát diện sẽ bị hòa tan hoàn toàn. Các ion H + sẽ chiếm vị trí
của chúng trong cấu trúc giữa các lớp mạng. Vận tốc của quá trình hòa
tan các cation bát diện theo trật tự sau:
Mg2+ > Fe2+ > Fe3+ > Al3+
Hiện nay, hai loại axit thường được sử dụng để biến tính Bentonite là
H2SO4 và HCl theo hai hướng chính là sử dụng HCl biến tính Bentonite
làm chất mang xúc tác cho các phản ứng và H 2SO4 biến tính Bentonite
cho các quá trình hấp phụ
Do trong cấu trúc không gian của Bentonite có các tạp chất bị hòa tan
làm
cho thể tích riêng của các mao quản tăng lên (các lỗ xốp) dẫn đến lượng
nước hấp phụ vật lý tăng lên và lượng nước này dễ dàng bị mất đi bằng
cách sấy khô ở 1000C– 1050C. Bên cạnh đó, còn một phần nƣớc tách ra
20


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Luận Tốt Nghiệp
21

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

từ các nhóm OH- trong mạng lưới bát diện làm giảm lượng nước cấu trúc
do các cation Al3+, Fe3+, Mg2+ bị hòa tan bởi axit. Khi nồng độ axit càng
cao thì lượng kim loại tách ra càng nhiều dẫn đến lượng nước cấu trúc
giảm. Tuy nhiên nếu nồng độ axit cao quá có thể xảy ra trường hợp
cấu trúc khung bị phá vỡ ảnh hưởng đến một số tính chất lý hóa của
Bentonite [18].
• Phương pháp biến tính bằng ion Natri
Khả năng trao đổi ion của Bentonite phụ thuộc vào hóa trị và bán kính
của
các cation trao đổi, các cation hóa trị nhỏ dễ bị trao đổi hơn các cation
hóa trị lớn. Đối với các cation cùng hóa trị thì bán kính ion càng nhỏ, khả
năng trao đổi càng lớn: Na+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Fe2+ > Al3+. Vì vậy
Bentonite-Na có đặc tính trương nở, tính xúc biến, lưu biến, khả năng
trao đổi ion tốt hơn so với Bentonite-Ca nên có thể sử dụng tốt hơn trong
nhiều lĩnh vực: làm khuôn đúc, phụ gia trong sơn, mực in… Vì thế trong
nhiều trường hợp người ta phải thực hiện quá trình chuyển hoá BentoniteCa về dạng Bentonite-Na.
Trên thế giới, số lượng khoáng Bentonite kiềm thổ (chứa các cation Ca +2,
Mg+2,...) với hàm lượng MMT cao tương đối nhiều, nhưng dạng
Bentonite kiềm lại mang lại nhiều ứng dụng hơn trong nhiều lĩnh vực. Vì
vậy đã có rất nhiều nghiên cứu để chuyển hóa Bentonite kiềm thổ về
dạng Bentonite kiềm. Những nghiên cứu này đã có từ trước những năm
1950 tại nhiều nước như Mỹ, Liên Xô cũ, ... Ngày nay công nghệ chuyển
hóa Bentonite kiềm thổ sang dạng Bentonite kiềm đã được đưa vào nhiều
nhà máy vận hành và sản xuất ra hàng trăm nghìn tấn sản phẩm cho
những lĩnh vực khác nhau. Ở Hàn Quốc mỗi năm sản xuất hơn 800 nghìn

tấn sản phẩm Bentonite biến tính cho những mục đích khác nhau. Phương
pháp biến tính để chuyển Bentonite kiềm thổ về dạng Bentonite kiềm như
sau: quặng Bentonite kiềm thổ được phân cấp, đập, nghiền đến cỡ hạt
thích hợp. Sau đó quặng được trộn đều với tác nhân biến tính (là các
muối của Natri như Na2CO3, NaCl, ...) theo một tỷ lệt hích hợp và nung
hỗn hợp trong lò quay với nhiệt độ trong khoảng 300 ÷ 5000C,sản phẩm
biến tính sau đấy được đóng bao và đƣa đi sử dụng. Một điều đáng lưu ý
21


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
22

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

ở đây là quặng Bentonite kiềm thổ trên thế giới thường có hàm lượng
MMT cao nên quặng được đưa vào biến tính ngay mà không qua giai
đoạn làm giàu, còn đối với quặng Bentonite kiềm thổ Tam Bố, do hàm
lượng MMT không cao (khoảng 30 -40%) nên để sử dụng cho một số
mục đích thì trước khi biến tính nên làm giàu quặng để nâng hàm lượng
MMT.
1.2.5.

Ứng dụng của Bentonite
 Làm chất xúc tác

Bentonite có tính chất cơ bản là độ axit cao nên có thể dùng làm xúc tác
trong các phản ứng hữu cơ đó. Bề mặt của Bentonite mang điện tích âm do sự thay thế
đồng hình của ion Si4+ bằng ion Al3+ ở tâm tứ diện và ion Mg 2+ thay thế ion Al3+ ở bát

diện. Các ion thay thế Al3+, Mg2+ có khả năng cho điện tử nếu tại đó điện tích âm của
chúng không được bù trừ bởi các ion dương. Do vậy tâm axit Liwis được tạo thành từ
ion Al3+ và ion Mg2+ ở các đỉnh, các chỗ gãy nứt và các khuyết tật trên bề mặt
Bentonite. Nếu lượng Al3+ và Mg2+ tăng lên ở bề mặt Bentonite sẽ làm tăng độ axit
Liwis của chúng.
Giữa cột chống và các lớp Aluminosilicate của Bentonite có những liên kết
cộng hóa trị thực sự. Sự tương tác giữa cột chống và lớp Bentonite dẫn đến hình thành
liên kết cộng hóa trị: cột chống-Bentonite, giải phóng nước và proton làm tăng độ axit
và bền hóa cấu trúc của Bentonite chống.
Bến tính Bentonite bằng phương pháp trao đổi cation kim loại đa hóa trị, các
chất hữu cơ tạo ra vật liệu xúc tác có độ axit và độ xốp cao hơn xúc tác cho một số
phản ứng hữu cơ. Ví dụ: Sử dụng các xúc tác axit rắn trong phản ứng hữu cơ ở pha
lỏng thuận lợi hơn nhiều so với axit lỏng. Sau khi kết thúc phản ứng chỉ cần lọc hỗn
hợp phản ứng có thể tách xúc tác rắn.
Ngoài ra, do Bentonite có khả năng hấp thụ cao nên có thể hấp thụ các chất
xúc tác trên bề mặt trong giữa các lớp và được sử dụng làm chất xúc tác cho nhiều
phản ứng [4].
 Làm vật liệu điều chế sét hữu cơ, sét chống và composite
Gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano, nhiều ngành công
nghiệp đã sử dụng đến vật liệu Bentonite. Công nghệ nano sử dụng sét hữu cơ trộn với
22


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
23

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

các chất khác. Thí dụ, Polymer để làm composite gọi là Composite Nano Bentonite.

Polymer có trộn thêm hạt Nano Bentonite khi kéo thành màng rất kín so với Polymer
không trộn vì khi kéo, cán, các tấm nano Bentonite này nằm song song với bề mặt ngăn
cản rất tốt nhiều loại phân tử đi qua. Các hạt nano Bentonite này trộn với Polymer
không những kín mà còn bền hơn nhiều, do đó đáp ứng yêu cầu làm các ống mềm để
dẫn thuốc, dẫn máu dễ dàng trong y tế. Từ những thí dụ trên cho thấy có thể láy hạt
nano Bentonite để làm chất độn, làm Nano Composite.
 Dùng làm chất độn màu trong công nghiệp sản xuất vật liệu tổng hợp
Trong công nghiệp sản xuất xà phòng, sản xuất vải sợi một lượng Bentonite
đã được sử dụng. Đặc biệt trong vài thập kỷ gần đây việc sử dụng Bentonite vào trong
ngành công nghiệp giấy đã làm thay đổi đáng kể chất lượng giấy. Trước kia giấy
thường xấp xỉ 50% Cellulose, hàm lượng cao lanh (chất độn) nguyên chất có trong giấy
không thể vượt quá 45%. Nếu trộn thêm 10% Bentonite kiềm vào thì hàm lượng cao
lanh tăng lên 60%, nếu dùng 100% Bentonite thì lượng cao lanh lên tới 84%. Giảm
lượng xenlulose cần có trong giấy đi 3 lần.
 Dùng trong công nghiệp rượu bia
Trong công nghiệp chế biến rượu vang và các chế phẩm từ rượu vang sử
dụng Bentonite hoạt hóa làm chất hấp thụ đã giảm 30% đến 40% chi phí. Bentonite
không chỉ hấp thụ các chất hữu cơ, các chất béo, các sản phẩm phụ không mong muốn
trong quá trình lên men mà còn hấp thụ cả ion sắt, đồng và các tác nhân gây ra bệnh
của rượu lại không làm mất hương vị của rượu bia.
 Dùng trong công nghiệp tinh chế nước
Sử dụng Bentonite làm sạch nguồn nước mặt như: nước sông ngòi, kênh
mương và các vùng giếng khoan. Do Bentonite làm kết tủa các vẩn đục thay cho việc
dùng phen đắt tiền hơn nhiều. Không những thế mà Bentonite còn có khả năng hấp thụ
các ion gây độc và một lượng lớn vi khuẩn, chất hữu cơ có trong nước, khử tính cứng
của nước với giá thành tương đối rẻ. Khả năng lắng cặn lơ lửng trong nước, trao đổi
ion và hấp phụ chất hữu cơ trong đó các vi khuẩn gây bệnh tạo ra giá trị đặc biệt của
Bentonite trong công nghiệp xử lý nước.
 Dùng trong một số lĩnh vực khác
23

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
24

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

Trong các công trình thủy lợi như: đê điều, mương máng và những công sự
phòng thủ bằng đất sử dụng Bentonite nhờ đặc tính trương nở mạnh và đặc tính dẻo.
Đặc biệt Bentonite còn được dùng làm phụ gia trong thuốc tiêu hóa thức ăn
và giúp điều tiết axit.
Hiện nay các nghiên cứu về khả năng ứng Bentonite-Na dạng nén làm vật
liệu lấp các kho chứa chất thải phóng xạ nhờ vào độ dẫn thủy lực của sét đã được nén
rất thấp giữ cho chỉ từ các chất phóng xạ không nhiễm vào nước ngầm và khả năng
trao đổi cation hấp phụ tất cả các nuclit thoát ra từ chất thải phóng xạ.

1.3.
1.3.1.

Alginate
Nguồn gốc và cấu tạo của Alginate
 Nguồn gốc

Alginate có trong tất cả các loại tảo nâu (Phaeophyceae), là thành phần
chính của thành tế bào. Acid Alginic được tách ra từ tảo nâu dưới dạng Natri Alginate.
Alginate thường được chiết bằng kiềm, sau đó được kết tủa bằng acid hay muối
Calcium. Sau đó trung hòa bằng kiềm hoặc các base khác nhau để tạo ra những
Alginate tương ứng mà ta muốn có như Natri Alginate, amon Alginate, Canxi Alginate
hoặc Trietanolanin Alginate [8].

 Cấu tạo
Alginate là một tên gọi giành chung cho các muối của Acid Alginic. Trong
thuật ngữ phân tử, Alginate là một họ của Copolymer nhị phân tử không phân nhánh
gồm các gốc β-D-mannuronic (M) và α-L-guluronic (G) liên kết với nhau bằng liên kết
1-4 glucozid. Cấu trúc khác nhau phụ thuộc vào vị trí của các Monomer trong chuỗi
mạch từ đó sẽ tạo nên các đoạn homoPolymer (MM hoặc GG) lẫn các heteroPolymer
(MG hoặc GM) [8-52]. Acid Alginic được Standford phát hiện ra vào năm 1881. Chiết
suất từ tảo nâu dưới dạng Natri Alginate có M ~ 20.000 – 60.000. Các Acid Alginic ít
tan trong nước (giống các Polysaccarit) nên chúng thường được chế biến dưới dạng
Alginate của Natri, Kali, amoni, Magie, Canxi, Propylen Glycol.

24


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Luận Tốt Nghiệp
25

GVHD: TS. ĐỖ TƯỜNG HẠ Khóa

-

COO
OH
OH

HO
a-L-guluronic (G)

β− D-mannuronic (M)

a)

-

-

O

OH
O

HO
O

HO

OH

O

-

COO

O

O
HO

O

-

COO-

O
OH

O

OH
O
O

COO

OH
G

COO

OH

COO

b)

-O
OH

COO
OH OH

O OH
OH

G

OH
M

M

G

Hình 1.8: Cấu trúc của Alginate
a) Các Monomer của Alginate b) Cấu trúc dạng chuỗi, dạng ghế
1.3.2.

Tính chất của Alginate
Alginate là một Polymer có tính chất acid yếu, không màu, không mùi,
không tan trong các dung môi hữu cơ và nước. Alginate là chất có tính chất hút nước
trương nở khi ngâm trong nước. Alginic hòa tan trong dung dịch kiềm hóa trị I và tạo
dung dich muối kiềm hóa trị I hòa tan có độ nhớt cao. Ví dụ như: khi cho Alginic hòa
tan trong dung dịch NaOH thì tạo thành dung dịch Alginate Natri có độ nhớt cao. Với
những tính chất chung đặc biệdt như vậy từ đó Alginate có một số tính chất như sau:
 Độ nhớt
Khi hòa tan các Alginate vào nước chúng sẽ ngậm nước và tạo dung dịch
nhớt. Độ nhớt phụ thuộc vào chiều dài của phân tử Alginate. Bột Alginate rất dễ bị
giảm nếu không được bảo quản ở nhiệt độ thấp. Ngoài ra, cách sắp xếp của phân tử

Alginate cũng ảnh đến độ nhớt của nó. Trong một số trường hợp độ nhớt có thể gia
tăng ở nồng độ thấp với sự hiện diện của một số chất vô cơ như: CaSO 4, CaCO3,…Ion
Canxi liên kết với Alginate tạo liên kết chéo trong phân tử gia tăng, sẽ làm gia tăng
trọng lượng phân tử và độ nhớt. Độ nhớt của Alginate biến thiên trong dải rộng từ 10
25