TỔNG hợp SOL – GEL mới TRONG THỦY TINH HOẠT TÍNH SINH học 45s5 sử DỤNG ACID hữu cơ làm CHẤT xúc tác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
BỘ MÔN VẬT LIỆU SILICAT
---------------o0o---------------

BÁO CÁO
MÔN HỌC: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VẬT
LIỆU VÔ CƠ
ĐỀ TÀI: TỔNG HỢP SOL – GEL MỚI TRONG THỦY TINH
HOẠT TÍNH SINH HỌC 45S5 SỬ DỤNG ACID HỮU CƠ LÀM CHẤT
XÚC TÁC.

GVHD:

TS. Nguyễn Xuân Thanh Trâm

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2018


1

MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH ẢNH MINH HỌA.....................................................................iii
DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU...................................................................................iv
TÓM TẮT BÁO CÁO...................................................................................................1
Chương 1 GIỚI THIỆU.................................................................................................2
1.1. Tổng quan...................................................................................................2
1.2. Tình hình nghiên cứu.................................................................................2
1.3. Mục tiêu......................................................................................................3
Chương 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM.........................................4

2.1. Tổng hợp Sol - gel.......................................................................................4
2.2. Tính chất hóa lý và đặc điểm cấu trúc.........................................................5
2.2.1. Kính hiển vi điện tử quét và phân tích tia X (SEM - EDXS)................5
2.2.2. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Furier (FTIR).....................................6
2.2.3. Nhiễu xạ tia X (XRD)...........................................................................6
2.2.4. Xác định diện tích bề mặt cụ thể bằng phương pháp BET....................6
2.3. Thử nghiệm hoạt tính sinh học trong ống nghiệm.......................................7
Chương 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN.........................................................................8
3.1. Tối ưu hóa các điều kiện thí nghiệm quá trình Sol – gel.............................8
3.2. Đặc điểm cấu trúc của thủy tinh sinh học....................................................9
3.3. Đặc điểm diện tích bề mặt cụ thể của thủy tinh sinh học...........................12
3.4. Thử nghiệm hoạt tính sinh học trong ống nghiệm cho thủy tinh sinh học. 13
Chương 4 KẾT LUẬN.................................................................................................16


2

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................18
A new sol–gel synthesis of 45S5 bioactive glass using an organic acid as catalyst......20


3

DANH SÁCH HÌNH ẢNH MINH HỌA
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình Sol – gel................................................................................5
Hình 3.1. Phổ FTIR của sol – gel và Bioglass® thương mại........................................11
Hình 3.2. XRD của sol – gel và Bioglass® thương mại................................................11
Hình 3.3. Ảnh chụp hiển vi SEM của thủy tinh sol-gel và Bioglass® thương mại (độ
phóng đại thấp và cao)..................................................................................................13
Hình 3.4.Phân tích SEM-EDXS của sol – gel và Bioglass® thương mại sau thời gian

ngâm vào SBF...............................................................................................................14


4

DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 2.1. Điều kiện thử nghiệm của quá trình Sol – gel................................................5
Bảng 2.2. Nồng độ ion của huyết tương người và dung dịch SBF được sử dụng để đánh
giá hoạt tính sinh học trong ống nghiệm.........................................................................7
Bảng 3.1. Thành phần nguyên tố của bột sol – gel được tổng hợp với axit nitric làm
chất xúc tác (dòng in đậm tương ứng với bột tối ưu có tên sol-gel 1).............................8
Bảng 3.2. Thành phần nguyên tố của bột sol – gel được tổng hợp với axit citric làm
chất xúc tác (dòng đậm tương ứng với bột tối ưu có tên sol-gel 2).................................8


1

TÓM TẮT BÁO CÁO
Bài báo cáo này trình bày về một phương pháp sol-gel mới được tìm ra để tổng
hợp thủy tinh hoạt tính sinh học 45S5. Chứng minh được acid citric có thể sử dụng
thay thế acid nitric để làm chất xúc tác phản ứng sol – gel. Sự thay thế acid nitric bằng
axit citric làm giảm mạnh nồng độ dung dịch acid cần thiết để xúc tác sự thủy phân của
silicon và alkoxide photphat. Hai loại bột sol – gel với các thành phần hóa học rất gần
với 45S5 được tổng hợp bằng cách sử dụng cả dung dịch acid nitric 2M hoặc dung dịch
acid citric 5 mM. Những loại bột này được đặc tả và so sánh với Bioglass® thương
mại. Tính chất bề mặt của hai loại bột thủy tinh sinh học này được đánh giá bằng
phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phương pháp Brunauer–Emmett–
Teller (BET). FTIR và XRD cho biết sự kết tinh một phần liên kết với sự hình thành
pha kết tinh trong hai loại bột. Hoạt tính sinh học trong ống nghiệm được nghiên cứu
tại các thời điểm quan trọng trong những giờ đầu tiên khi ngâm trong dung dịch mô

phỏng tế bào SBF. Sau bốn giờ chứng minh được mức độ hoạt tính sinh học của hai bột
sol – gel là tương tự và còn cao hơn so với Bioglass® thương mại. Sự cải thiện hoạt
tính sinh học này làm tăng độ xốp và diện tích bề mặt cụ thể của loại bột được tổng
hợp bằng quá trình sol – gel. Hơn thế nữa, dùng acid citric thay cho acid nitric đã rất
hiệu quả trong việc xúc tác các phản ứng sol – gel mà không cần thay đổi hoạt tính sinh
học trong thủy tinh hoạt tính 45S5.


2

Chương 1
GIỚI THIỆU
1.1. Tổng quan
Thủy tinh hoạt tính sinh học là vật liệu có tính chất dẫn xương và tạo xương, cho
phép nó có khả năng chữa lành và thay thế cấu trúc xương bị bệnh hoặc bị hư hại. Các
tính chất này nhờ vào phương pháp hòa tan tiến bộ trong môi trường sinh lí: môi
trường sinh ra canxi, photphat; các ion natri sẽ trải qua quá trình hình thành lớp apatit,
qua đó tạo ra một liên kết cực mạnh với các chuỗi mô xương ở xung quanh. Nhiều
thành phần của thủy tinh hoạt tính mang mối quan tâm lớn đến natri canxi
phosphatsilicat, borosilicate hoặc từ 13 đến 93 hợp chất.
1.2. Tình hình nghiên cứu
Lary Hench đã phát triển loại Bioglass® 45S5 nổi tiếng có cấu trúc bậc 4 SiO 2–
CaO–Na2O–P2O5 với một thành phần oxit cho phép nó có thể liên kết với cả chuỗi mô
cứng và mềm (hoạt tính sinh học loại A). Nó đã được sử dụng từ nhiều thập kỉ trong
nhiều thiết bị y tế như chỉnh hình và điều trị nha khoa.
Thủy tinh hoạt tính thương mại được sản xuất truyền thống bằng quá trình nóng
chảy – làm lạnh đòi hỏi nhiệt độ rất cao, nó giới hạn độ xốp, bề mặt cụ thể của loại bột
này. Trong khi đó chúng tôi nỗ lực nghiên cứu phát triển phương pháp sol – gel để có
được loại bột thủy tinh hoạt tính với độ tinh khiết cao và đồng nhất. Nó cũng mở rộng
phạm vi các thành phần hóa học khi so sánh với quá trình nóng chảy - làm lạnh truyền

thống. Những ích lợi này làm cho phương pháp sol – gel rất hiệu quả khi tổng hợp thủy
tinh hoạt tính 45S5. Mặc dù quá trình sol – gel phải thực hiện trong điều kiện môi
trường ở nồng độ thấp, tuy nhiên hiện nay các phương pháp tổng hợp lại dùng acid
mạnh (acid nitric và acid hydrocloric) hoặc bazơ (ammonia hydroxide) có nồng độ cao
(lên tới 1M) để xúc tác phản ứng sol – gel. Do đó cần tìm cách để làm quá trình diễn ra
sạch hơn, tránh điều kiện pH quá cao hoặc quá thấp hay nhiệt độ cao. Đã có nhiều báo
cáo về phương pháp tổng hợp hạt nano thủy tinh hoạt tính sử dụng acid hữu cơ có nồng


3

độ cực thấp ( khoảng 0.01M) để xúc tác phản ứng hóa học. Trong số đó, dung dịch acid
citric được sử dụng phổ biến để xúc tác sự thủy phân silicon alkoxide. Ý tưởng này đến
từ việc tìm cảm hứng trong tự nhiên, do vậy nó được xét là cảm hứng sinh học. Tiến bộ
của hóa học sol – gel là sự hiểu biết về quá trình sinh tổng hợp trong tảo cát và bọt biển
thủy tinh. Những sinh vật này tích trữ acid silicic Si(OH) 4 từ môi trường nhờ hoạt động
của protein và các phân tử khác để tạo ra cấu trúc silica phức tạp. Việc giải thích các cơ
chế là nền tảng của cơ chế sinh học dẫn đến sự tổng hợp silica trong ống nghiệm trong
điều kiện môi trường sinh lí sử dụng protein, polypeptides, acid amin và chủ yếu là
acid citric để xúc tác các phản ứng sol – gel. Xét thành phần cụ thể của thủy tinh hoạt
tính sinh học, đặc biệt là hàm lượng canxi và photphat, lấy cảm hứng từ hình thái
xương là việc cần thiết. Vì vậy, acid citric dùng để kích thích các phản ứng sol – gel
trong trường hợp này.
1.3. Mục tiêu
Mục tiêu chính của bài này là xét đến khả năng thành công khi tổng hợp sol –gel
để chuyển hóa thủy tinh hoạt tính 45S5 bằng dung dịch acid citric nồng độ thấp để xúc
tác các phản ứng thủy phân. Đầu tiên, xác định thông số sol – gel tối ưu để đạt được
thành phần hóa học 45S5 bằng cách sử dụng cả acid nitric thông thường và acid citric
loại mới làm chất xúc tác. Ở phần hai, so sánh tính chất hóa lí và hoạt tính sinh học
trong ống nghiệm của hai loại bột sol – gel với loại Bioglass® 45S5 thương mại.

4

Chương 2
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
2.1. Tổng hợp Sol - gel
Tổng hợp sol – gel trong thủy tinh hoạt tính đã được thực hiện theo một phương
pháp thông thường trong tổng hợp thủy tinh sinh học 45S5, sử dụng các tiền chất hóa
học sau: Tetraethyl orthosilicate Si(OC2H5)4 (TEOS), Triethyl phosphate PO(C2H5)3
(TEP), Canxi nitrate tetrahydrate Ca(NO3)2.4H2O và Natri nitrate NaNO3. Hai dung
dịch acid là acid nitric (HNO3) hoặc acid citric (C6H8O7) được sử dụng để xúc tác các
phản ứng thủy phân. Phản ứng thủy phân và ngưng tụ được thực hiện trong một thiết bị
phản ứng nhiệt để có thể kiểm soát được nhiệt độ phản ứng. Tỉ lệ mol của TEOS, TEP,
NaNO3 và Ca(NO3)2.4H2O được điều chỉnh theo tỉ lệ của SiO 2, P2O5, Na2O và CaO
trong 45S5. Để đạt được sol tinh khiết, tỉ lệ mol giữa dung dịch acid và bốn tiền chất
hóa học được chỉnh đến 10. Đầu tiên, dung dịch acid (26 ml) được khuấy từ gia nhiệt
tại nhiệt độ mong muốn sau đó TEOS (11.6 ml) và TEP (1ml) được thêm vào bằng
cách nhỏ giọt và khuấy cho tới khi đạt được dung dịch trong suốt. Sau đó, thêm từ từ
bột NaNO3(4.66g) và khuấy cho tới khi tan hoàn toàn. Cuối cùng thêm từ từ bột
Ca(NO3)2.4H2O và khuấy trong một giờ để đạt được sol trong suốt. Do đó, sol bắt đầu
biến đổi thành dạng gel thông qua phản ứng đa trùng ngưng. Sau đó gel được giữ ở
60oC suốt 12 giờ và lần lượt sấy ở 200oC và 700oC khoảng 5 giờ và 2 giờ. Sau sấy,
nghiền gel thành bột mịn. Bột này được nén ép thủ công để mô tả đặc tính của thành
phần nguyên tố và dùng cho các kiểm tra độ hoạt tính sinh học. Để quan sát tính chất
cụ thể của hai loại thủy tinh sinh học tổng hợp bằng quá trình sol – gel, ta so sánh nó
với loại Bioglass® thương mại tổng hợp bằng quá trình nóng chảy – làm lạnh truyền
thống.

5

Bảng 2.1. Điều kiện thử nghiệm của quá trình Sol – gel.
Tetraethylorthosilicate (TEOS):
Si(OC2H5)4.
Natri nitrate: NaNO3.
Canxi nitrate tetrahydrat:
Ca(NO3)2.4H2O
Triethylphosphate (TEP):
PO(C2H5)3.
20oC, 35oC, 50oC.
Acid nitric: HNO3 0.5M và 2M.
Acid citric: C6H8O7 0.5mM, 5mM
và 50mM.

Tiền chất SiO2
Tiền chất Na2O
Tiền chất CaO
Tiền chất P2O5
Nhiệt độ phản ứng
Xúc tác

Hình 2.1. Sơ đồ quy trình Sol – gel.
2.2. Tính chất hóa lý và đặc điểm cấu trúc
2.2.1. Kính hiển vi điện tử quét và phân tích tia X (SEM - EDXS)
Hình thái của các loại bột được quan sát bằng phương pháp SEM sử dụng kính
hiển vi điện tử LaB 6 vận hành từ 0 – 30 kV. Kính hiển vi liên kết với phổ kế tán xạ


6

năng lượng EDAX trang bị máy dò window Si (Li) siêu mỏng được làm mát bằng Nitơ
lỏng. Phổ kế liên kết với hệ thống thu thập và định lượng GENESIS (Eloïse SARL,
France) dựa trên phương pháp ZAF dùng để xác định nồng độ nguyên tố của mẫu phân
tích. Tất cả kết quả vi phân tích tia X trong bài báo này thu được bằng phương pháp:
thu thập và định lượng bốn phổ trên bốn vùng phẳng của hạt bột chọn bởi SEM. Tất cả
phổ tia X được thu với năng lượng 15 keV và thời gian thu bằng 100s. Giá trị cuối của
nồng độ nguyên tố được xác định sau khi tính toán các giá trị trung bình và tán xạ.
2.2.2. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Furier (FTIR)
Phân tích đặc điểm cấu trúc của bột được thực hiện bằng phép chiếu quang phổ
FTIR. Phổ FTIR thu được ở chế độ phản xạ với một hệ thống ảnh FTIR đi cùng với
một phổ kế hoạt động ở dải 400 – 2000 cm-1 với phổ có độ phân giải 4 cm-1.
2.2.3. Nhiễu xạ tia X (XRD)
Sự kết tinh của bột được nghiên cứu bằng phương pháp XRD sử dụng nhiễu xạ kế
Bruker D8 Advance, dùng tia bức xạ đồng đơn sắc (CuKα ) có bước sóng λ = 0.154046
nm. Các nhiễu xạ được ghi nhận ở các bước 0.04 o với thời gian thu hồi là 12s trong
phạm vi nhiễu xạ góc 2θ trong khoảng từ 10o đến 60o. Các pha kết tinh sau đó được xác
định bằng PDF thuộc Trung tâm quốc tế về dữ liệu nhiễu xạ ( ICDD).
2.2.4. Xác định diện tích bề mặt cụ thể bằng phương pháp BET
Các phép đo hấp phụ nitơ sử dụng dụng cụ Micromeritics ASAP 2010 ở 77K.
Phương pháp Brunauer Emmett Teller áp dụng để thu diện tích bề mặt từ dữ liệu đẳng
nhiệt hấp phụ vật lí. Các đường đẳng nhiệt được xây dựng theo từng điểm bằng cách
hấp thụ và thải ra lượng khí đã biết, với đủ thời gian cho phép để cân bằng tại mỗi áp
suất tương đối (P/P0 với P là áp suất hơi cân bằng và P 0 là áp suất hơi bão hòa). Phương
pháp BET dựa trên việc xác định thể tích đơn lớp, tức là lượng nito tương ứng với sự
hấp phụ của một đơn lớp hoàn chỉnh (Vmono). Trước khi phân tích, mẫu được để qua
đêm ở 170oC trong lò. Trước khi hấp phụ, nó bị rút hết khí trong môi trường chân


7

không ở 250oC suốt 1 giờ. Diện tích bề mặt được xác định từ một tập hợp 10 điểm thử
nghiệm trong phạm vi tuyến tính của đồ thị BET (0.05 < P/P0< 0.3).
Diện tích bề mặt (SBET) được tính theo công thức:

Trong đó:
Vmono :Thể tích đơn lớp tại T = 273K và P = 101325 Pa (cm3.g-1).
NA :Hằng số Avogadro.
A :Diện tích mặt cắt ngang phân tử (VD: Nito có A = 0.162 mm2 tại 77K).
VM :Thể tích mol ( 22414 cm3.mol-1).
2.3. Thử nghiệm hoạt tính sinh học trong ống nghiệm
Để đánh giá hoạt tính sinh học của các loại bột, thử nghiệm trong ống nghiệm
được thực hiện trong chất lỏng mô phỏng tế bào SBF. Dung dịch này vô bào, không
protein với độ pH 7.4 được đệm với Tris-hydro-xymethylaminomethane (TRIS). Thử
nghiệm hoạt tính sinh học thực hiện bằng cách ngâm bột vào dung dịch SBF trong 2
giai đoạn (1 giờ và 4 giờ) ở 37oC tương ứng với thời điểm quan trọng của hoạt tính sinh
học đối với thủy tinh. Thể tích SBF dùng trong suốt bài thử nghiệm được tính toán theo
phương pháp của Kokubo và Takadama: Thể tích SBF (ml) = 10% khối lượng hạt bột
(mg). Sau khi thử nghiệm hạt bột được trích từ dung dịch và ngâm trong Acetone 10s
để loại bỏ chất SBF và làm ngừng các phản ứng bề mặt. Sau khi sấy khô, bề mặt hạt
bột được phân tích bằng SEM – EDXS để xác định hình thái và thành phần hóa học.
Bảng 2.2. Nồng độ ion của huyết tương người và dung dịch SBF được sử dụng để đánh
giá hoạt tính sinh học trong ống nghiệm.


8

Chương 3
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1. Tối ưu hóa các điều kiện thí nghiệm quá trình Sol – gel
Mục tiêu xác định các điều kiện thử nghiệm tối ưu để đạt được thành phần cấu tạo
45S5 bằng các thông số khác nhau như nhiệt độ phản ứng và nồng độ dung dịch acid
dùng để xúc tác các phản ứng sol – gel. Acid nitric được thử nghiệm như một chất xúc
tác bằng cách gộp ba nhiệt độ (20oC, 35oC và 50oC) và hai loại nồng độ (0.5M và 2M).
Các kết quả thu được bằng phương pháp EDXS định lượng, cung cấp các thành phần
nguyên tố của bột được tổng hợp với các thông số của những quá trình này.Các thông
số tối ưu tạo ra thành phần tốt nhất rất gần với lí thuyết được quan sát ở 35 oC và 2M
(bột sol – gel này được đặt tên sol – gel 1).
Bảng 3.1. Thành phần nguyên tố của bột sol – gel được tổng hợp với axit nitric làm
chất xúc tác (dòng in đậm tương ứng với bột tối ưu có tên sol-gel 1).


9

Acid citric cũng được thử nghiệm làm chất xúc tác bằng cách gộp hai nhiệt độ
(20oC và 35oC) và ba nồng độ (0.5 mM, 5 mM and 50 mM).
Bảng 3.2. Thành phần nguyên tố của bột sol – gel được tổng hợp với axit citric làm
chất xúc tác (dòng đậm tương ứng với bột tối ưu có tên sol-gel 2).


10

Trong trường hợp này, thông số tối ưu cung cấp thành phần cấu tạo hóa học tốt
nhất được quan sát ở 20oC và 5 mM (được đặt tên là sol – gel 2).
So sánh hai loại bột (sol – gel 1 và sol – gel 2) cho biết sự thiếu hụt silic và
photph trong cả hai trường hợp có thể do quá trình thủy phân không đầy đủ của tiền
chất và ngưng tụ không hoàn toàn do điều kiện pH không thuận lợi. Chúng tôi cũng
quna sát được có sự cải thiện nhẹ trong thành phần hóa học của thủy tinh sinh học khi
sử dụng acid citric (sol – gel 2). Điều này có thể do khả năng liên kết canxi và ion natri

với ba nhóm carboxylic của acid citric. Do đó có thể kết luận rằng sử dụng acid citric
thay vì acid nitric để xúc tác thủy phân TEOS và TEP dẫn đến quá trình tổng hợp sol –
gel trong thủy tinh hoạt tính sinh học 45S5 đạt được thành phần hóa học mong muốn.
3.2. Đặc điểm cấu trúc của thủy tinh sinh học
Khi so sánh với quang phổ của Bioglass® thương mại, cả hai phổ sol – gel 1 và
sol – gel 2 đều thể hiện dải dao động giống với Bioglass®. Hai dải rộng tại 930cm -1 và
1039cm-1 tương ứng với dải hấp phụ silicate lần lượt là các nguyên tử oxy không cầu
nối kéo dài Si – O – Si và nguyên tử oxy bắt cầu kéo dài không đối xứng Si – O – Si
trong khối tứ diện silicate. Dải silicate của cấu trúc Si – O – Si uốn cong cũng được
quan sát tại 487cm-1 và 503cm-1. Peak nằm trong khoảng 602cm -1 và 880cm-1 là do cấu
trúc P – O uốn cong trong nhóm PO 43-. Dải yếu được quan sát trong khoảng 1450 cm -1
liên quan đến sự hiện diện của nhóm carbonate còn lại từ tiền chất. Do đó, dải FTIR
thu được từ sol – gel 1 và sol – gel 2 rất giống nhau và rõ ràng nó cho biết cấu trúc thủy
tinh của hai bột sol – gel. Thêm vào đó, so sánh với Bioglass® thương mại chỉ ra rằng
sự kết tinh một phần của hai loại thủy tinh sol – gel diễn ra suốt quá trình.
Bột Bioglass® về bản chất là vô định hình nhờ quá trình tổng hợp nóng chảy –
làm lạnh. Tuy nhiên các phổ XRD cho thấy có ít peak kết tinh có thể do tốc độ của
bước làm lạnh. Ngoài ra cũng thấy các nhiễu xạ sol – gel 1 và sol – gel 2 rất giống
nhau với độ kết tinh quan trọng hơn loại Bioglass®. Thực tế có rất nhiều pha tinh thể
Natri-Canxi-Silicate bên trong cấu trúc vô định hình của thủy tinh hoạt tính. Trong đó,


11

khoáng Na2Ca2Si3O9 là chất thú vị nhất được biết có ảnh hưởng đến thủy tinh hoạt
tính. Sự hình thành pha khoáng này liên quan đến vấn đề xử lí nhiệt tại 700 oC trong
suốt giai đoạn sấy khô dùng cho tổng hợp sol – gel. So sánh chính xác các nhiễu xạ cho
thấy sự hình thành pha Na2Ca2Si3O9 của sol – gel 2 rõ rệt hơn. Quan sát này đặc trưng
cho thủy tinh sinh học tổng hợp bằng quá trình sol – gel khi so sánh với loại tổng hợp
bằng quá trình nóng chảy – làm lạnh thông thường. Nó có thể ảnh hưởng đến hành vi

của thủy tinh hoạt tính liên kết với môi trường sinh lí khi tính chất hóa học của vật liệu
sau đó bị thay đổi, ví dụ như độ hòa tan.

Hình 3.1. Phổ FTIR của sol – gel và Bioglass® thương mại.


12

Hình 3.2. XRD của sol – gel và Bioglass® thương mại.
3.3. Đặc điểm diện tích bề mặt cụ thể của thủy tinh sinh học
Kết quả thu được từ phương pháp BET chỉ ra rằng diện tích bề mặt cụ thể của vật
liệu phụ thuộc vào quá trình và cũng như các điều kiện thử nghiệm tạo ra các loại bột.
Diện tích bề mặt cụ thể của các loại bột sol –gel 1, sol – gel 2 và Bioglass® lần lượt là
0.6 m2.g-1, 0.9 m2.g-1 và 0.4 m2.g-1. Ảnh chụp hiển vi SEM cho thấy ba loại bột được tạo
thành từ các hạt có kích thước đa dạng. Hạt lớn nhất khoảng 100 μm và bé nhất nhỏ
hơn 10 μm. Bột sol – gel 2 có vẻ mịn hơn bột sol – gel 1, trong khi sol – gel 1 mịn hơn
bột Bioglass®. Các ảnh hiển vi có độ phóng đại cao khi chụp các hạt lớn của mỗi loại
bột đã cung cấp nhiều thông tin quan trọng. Bề mặt hạt của hai loại bột có thô và xốp
cao trong khi đó bề mặt của của Bioglass® rất nhẵn. Thêm vào đó bột sol – gel 2 có độ
thô và xốp hơn sol – gel 1. Các quan sát SEM này có thể liên quan đến các kết quả thu
được bằng phương pháp BET, chỉ ra rằng diện tích bề mặt của hai loại bột sol – gel cao
hơn của Bioglass®, đặc biệt là sol – gel 2. Độ thô xốp rất thấp của Bioglass® là do quá


13

trình nóng chảy – làm lạnh sử dụng chất làm lạnh cực nhanh trong pha lỏng suốt giai
đoạn làm lạnh. Tuy nhiên, quan sát ban đầu được chú ý ở hiện tại do liên quan đến ảnh
hưởng đặc biệt của acid citric làm tăng độ thô và xốp của bột sol – gel. Bề mặt của bột
sol – gel 2 có độ xốp cao và làm từ xilanh cỡ hạt nano. Nó chỉ ra rằng sử dụng acid

citric làm chất xúc tác trong phản ứng thủy phân đã thay đổi hình thái bề mặt của hạt
bột ở kích cỡ nano. Rõ ràng những kết quả này làm bật lên sự khác biệt giữa các bề
mặt trao đổi chất sẽ dẫn đến nhiều hành vi khác nhau trong môi trường sinh lí.


14

Hình 3.3. Ảnh chụp hiển vi SEM của thủy tinh sol-gel và Bioglass® thương mại
(độ phóng đại thấp và cao).
3.4. Thử nghiệm hoạt tính sinh học trong ống nghiệm cho thủy tinh sinh học
Sau khi ngâm 1 giờ, ảnh SEM cho biết không có bất cứ thay đổi đáng kể nào xảy
ra trên ba mẫu. Sau 4 giờ, đã có thay đổi quan trọng trên hình thái bề mặt và thành
phần hóa học. Mẫu Bioglass® có sự phân tách nhẹ trên bề mặt hạt bột trong suốt quá
trình ngâm trong dung dịch SBF mà không có sự khoáng hóa nào. Quang phổ EDXS
kết hợp chứng tỏ thay đổi chính trong thành phần hóa bề mặt là nhờ sự giảm nồng độ
Natri đáng kể, nó chỉ ra rằng các phản ứng hoạt tính sinh học chỉ mới vừa bắt đầu trong
suốt quá trình thử nghiệm. Đối với mẫu sol – gel 1 và 2, ảnh chụp hiển vi SEM cho
thấy sự khoáng hóa quan trọng trên bề mặt sau khi ngâm trong SBF cùng với sự hình
thành khoáng Canxi-photphat. Sự khoáng hóa bề mặt xác nhận bởi phổ EDXS thể hiện
rõ ràng mức tăng cường độ của peak Canxi và Photpho.


15

Hình 3.4.Phân tích SEM-EDXS của sol – gel và Bioglass® thương mại sau thời
gian ngâm vào SBF.
Do đó, thử nghiệm hoạt tính sinh học trong ống nghiệm của hai mẫu sol – gel rõ
ràng chỉ ra rằng mức độ hoạt tính sinh học của các loại bột thu được bằng phương pháp
tổng hợp sol – gel cao hơn mức của Bioglass® thương mại. Ta thường xác định rằng
khi ngâm thủy tinh hoạt tính trong môi trường sinh lí, pha khoáng làm giảm động lực

phản ứng hoạt tính sinh học bằng cách thay đổi nó thành Canxi photphat vô định hình.
Tuy nhiên, trong trường hợp này, thủy tinh sol – gel có hoạt tính sinh học cao hơn của
Bioglass®. Các hạt của thủy tinh sol – gel cho biết độ thô và xốp cao của bề mặt cho
nó khả năng trao đổi chất tốt hơn trong môi trường sinh lí. Do vậy bề mặt trao đổi chất
của thủy tinh sinh học sol – gel quan trọng hơn bề mặt của Bioglass® tổng hợp bằng
quá trình nóng chảy – làm lạnh. Các phép đo BET xác nhận diện tích bề mặt cụ thể của
hai loại bột sol – gel cao hơn của Bioglass®. Mặt khác, so sánh giữa sol – gel 1 và 2
chỉ ra mức độ hoạt tính sinh học của loại bột tương tự nhau. Do đó, sử dụng acid citric
thay vì acid nitric như một chất xúc tác trong suốt quá trình tổng hợp sol – gel cho
phép ta thu được thủy tinh sinh học 45S5 mà không cần thay đổi độ hoạt tính sinh học.


16

Chương 4
KẾT LUẬN
Trong bài này chúng tôi chứng minh bột thủy tinh hoạt tính sinh học 45S5 có thể
tổng hợp bằng quá trình sol – gel sử dụng dung dịch acid citric nồng độ cực thấp thay
vì sử dụng dung dịch acid nitric có nồng độ cao để xúc tác phản ứng thủy phân. Đầu
tiên chúng tôi xác định các điều kiện thử nghiệm tối ưu cho quá trình tổng hợp để đạt
được điều kiện thành phần hóa học của 45S5 bằng cách thay đổi hai thông số: nhiệt độ
phản ứng và nồng độ dung dịch acid. Thành phần hóa học tốt nhất của thủy tinh sinh
học thu được ở cả acid nitric 2M tại 35 oC và acid citric 5 mM tại nhiệt độ phòng. Sử
dụng acid citric như chất xúc tác để tổng hợp sol – gel cho bột 45S5 làm giảm nồng độ
acid cần thiết để xúc tác các phản ứng thủy phân TEOS và TEP. Sau đó chúng tôi so
sánh hai loại bột sol – gel tối ưu với Bioglass® thương mại. Đặc điểm cấu trúc làm nổi
bật sự kết tinh một phần của bột sol – gel vô định hình được tạo ra bởi nhiều pha NatriCanxi-Silicate bao gồm pha khoáng đặc biệt. Sự hình thành pha tinh thể có hoạt tính
sinh học cao này có liên quan đến giai đoạn sấy khô cuối cùng ở 700 oC trong suốt quá
trình sol – gel. Cuối cùng chúng tôi so sánh độ hoạt tính sinh học trong ống nghiệm
của các loại bột sử dụng phương pháp ngâm trong dung dịch SBF. Rõ ràng chứng tỏ

mức độ hoạt tính của hai loại bột sol – gel cao hơn của Bioglass® thương mại. Hơn thế
nữa, độ hoạt tính của thủy tinh sinh học chủ yếu bị ảnh hưởng bởi diện tích bề mặt cụ
thể trong quá trình tổng hợp bột hơn là do pha kết tinh khoáng bên trong thủy tinh. Do
đó, sử dụng acid citric như chất xúc tác thay vì acid nitric trong quá trình tổng hợp sol
– gel cho phép ta thu được thủy tinh sinh học 45S5 mà không cần thay đổi độ hoạt tính
sinh học. Sự phát triển phương pháp mới này rất hấp dẫn vì nó sử dụng các điều kiện
thích hợp để thêm vào và tóm gọn các phân tử sinh học (protein, yếu tố tăng trưởng,
thuốc,…) có thể giúp tăng nhanh tốc độ hình thành phát triển cấu trúc xương, không
chỉ có khả năng ở hầu hết các giao thức do có pH cực độ hoặc do các điều kiện nhiệt độ
cao. Viễn cảnh của sản phẩm này sẽ bao gồm việc nghiên cứu thời gian ngâm lâu hơn


17

trong môi trường sinh lí và quan sát hành vi của tế bào khi tiếp xúc với những bề mặt
prothetic này.


18

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] L.L. Hench, J. Am. Ceram. Soc. 81 (1998) 1705–1728.
[2] V.J. Shirtliff, L.L. Hench, J. Mater. Sci. 38 (2003) 4697–4707.
[3] L.L. Hench, Ceram. Int. 22 (1996) 493–507.
[4] L.L. Hench, J. Eur. Ceram. Soc. 29 (2009) 1257–1265.
[5] Y. Gu, G. Wang, X. Zhang, Y. Zhang, C. Zhang, X. Liu, M.N. Rahaman, W. Huang,
H. Pan, Mater. Sci. Eng. C 36 (2014) 294–300.
[6] X. Liu, M.N. Rahaman, G.E. Hilmas, B.S. Bal, Acta Biomater. 9 (2013) 7025–
7034. [7] L.L. Hench, J. Mater. Sci. Mater. Med. 17 (2006) 967–978.
[8] J.R. Jones, E. Gentleman, J. Polak, Elements 3 (2007) 393–399.

[9] J. Zhong, D.C. Greenspan, J. Biomed. Mater. Res. 53 (2000) 694–701.
[10] D. Arcos, M. Vallet-Regi, Acta Biomater. 6 (2010) 2874–2888.
[11] D. Avnir, T. Coradin, O. Lev, J. Livage, J. Mater. Chem. 16 (2006) 1013–1030.
[12] B. Lei, X. Chen, Y.H. Koh, J. Sol-Gel Sci. Technol. 58 (2011) 656–663.
[13] G.M. Luz, J.F. Mano, Nanotechnology 22 (2011) 494014.
[14] Z. Hong, A. Liu, L. Chen, X. Chen, X. Jing, J. Non-Cryst. Solids 335 (2009) 368–
372.
[15] B. Lei, X. Chen, Y. Wang, N. Zhao, C. Du, L. Fang, Biomed. Mater. 5 (2010)
054103.
[16] D.J. Belton, O. Deschaume, C.C. Perry, FEBS J. 279 (2012) 1710–1720.
[17] S.V. Patwardhan, Chem. Commun. 47 (2011) 7567–7582.
[18] H.C. Schröder, X. Wang, W. Tremel, H. Ushijima, W.E. Müller, Nat. Prod. Rep. 25
(2008) 455–474.
[19] T. Coradin, J. Livage, Colloids Surf. B: Biointerfaces 21 (2001) 329–336.


19

[20] D. Belton, G. Paine, S.V. Patwardhan, C.C. Perry, J. Mater. Chem. 14 (2004)
2231–2241.
[21] T. Mizutani, H. Nagase, N. Fujiwara, H. Ogoshi, Bull. Chem. Soc. Jpn. 71 (1998)
2017–2022.
[22] I. Cacciotti, M. Lombardi, A. Bianco, A. Ravaglioli, L. Montanaro, J. Mater. Sci.
Mater. Med. 23 (2012) 1849–1866.
[23] H. Pirayesh, J.A. Nychka, J. Am. Ceram. Soc. 96 (2013) 1643–1650.
[24] N. Dumelie, H. Benhayoune, G. Balossier, J. Phys. D. Appl. Phys. 40 (2007)
2124–2131.
[25] H. Benhayoune, J. Phys. D. Appl. Phys. 35 (2002) 1526–1531.
[26] T. Kokubo, H. Takadama, Biomaterials 27 (2006) 2907–2915.
[27] P.B. Wagh, A. Venkateswara Rao, D. Haranath, J. Porous. Mater. 4 (1997) 295–

301.
[28] H.A. Elbatal, M.A. Azooz, E.M.A. Khalil, A. Soltan Monem, Y.M. Hamdy, Mater.
Chem. Phys. 80 (2003) 599–609.
[29] A. Lucas-Girot, F.Z. Mezahi, M. Mami, H. Oudadesse, A. Harabi, M. le Floch, J.
NonCryst. Solids 357 (2011) 3322–3327.
[30] L. Lefebvre, J. Chevalier, L. Grémillard, R. Zenati, G. Thollet, D. BernacheAssollant, A. Govin, Acta Mater. 55 (2007) 3305–3313.
[31] Q.Z. Chen, I.D. Thompson, A.R. Boccaccini, Biomaterials 27 (2006) 2414–2425.
[32] R.L. Siqueira, O. Peitl, E.D. Zanotto, Mater. Sci. Eng. C 31 (2011) 983–991.
[33] I. Izquierdo-Barba, A.J. Salinas, M. Vallet-Regi, J. Biomed. Mater. Res. 47 (1999)
243–250.
[34] R. Li, A.E. Clark, L.L. Hench, J. Appl. Biomater. 2 (1991) 231–239.


20

A new sol–gel synthesis of 45S5 bioactive glass using
an organic acid as catalyst
J. Faurea,*, R. Dreveta,*, A. Lemellea , N. Ben Jabera , A. Taraa , H. El
Btaourib , H. Benhayounea
a

Université de Reims Champagne-Ardenne, Laboratoire Ingénierie et Sciences

des Matériaux, LISM EA 4695, 21 rue Clément ADER, 51685 REIMS Cedex 2,
France
b

Université de Reims Champagne-Ardenne UMR CNRS MEDyC, EA 7369,

Campus Moulin de la Housse, 51687 REIMS Cedex 2, France

* Corresponding authors
ARTICLE INFO
Article history:
Received 5 July 2014
Received in revised form 10 October 2014
Accepted 11 November 2014
Available online 13 November 2014
Keywords:
Bioactive glass
45S5
Sol–gel
Citric acid
In vitro tests
Bioactivity