Nghiên cứu một số đặc thính về hình thái, cấu trúc và hóa lý của hydroxyapatite thu nhận từ vảy cá rô phi( oreochromis niloticus)

LỜI CÁM ƠN
Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ,
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp. Trong suốt thời gian từ khi bắt
đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận rất nhiều sự quan tâm, giúp
đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè.
Để hình thành đồ án tốt nghiệp này, lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn đến
lãnh đạo Trường Đại học Nha Trang, Thầy Cô Khoa Công Nghệ Thực phẩm, Thầy
Cô Bộ môn Kỹ thuật Hóa Học, các Cán bộ quản lí phòng thí nghiệm đã tận tình
giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án.
Đặc biệt em xin gởi lời cám ơn chân thành đến một người cô đã hướng dẫn em
tận tình trong thời gian qua và luôn tạo điều kiện tốt nhất cho em trong quá trình
định hướng nội dung nghiên cứu, tìm tài liệu, gởi mẫu phân tích và tư vấn nhiệt tình
đó là TS. Trần Thị Hoàng Quyên.
Trong quá trình làm đồ án, vì kiến thức còn hạn hẹp, nếu có gì sai sót mong
Thầy Cô và mọi người thông cảm và em xin nhận ý kiến đóng góp từ mọi người, để
đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn.
Sau cùng em xin gởi lời cám ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên
cổ vũ và đóng góp ý kiến trong quá trình học tập, nghiên cứu cũng như quá trình
làm đồ án tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn.
Nha Trang, ngày 17 tháng 07 năm 2019
Sinh Viên

Bùi Thị Thanh Thúy

1


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN .............................................................................................................1
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................6

DANH MỤC CÁC BẢNG .........................................................................................7
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................8
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................9
1. Lí do chọn đề tài....................................................................................................9
2. Mục tiêu đề tài.......................................................................................................9
3. Nội dung nghiên cứu...........................................................................................10
4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................10
5. Đối tượng nghiên cứu .........................................................................................10
6. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................10
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài ..................................................................11
7.1. Ý nghĩa khoa học .............................................................................................11
7.2. Ý nghĩa thực tiễn ..............................................................................................11
A. TỔNG QUAN.......................................................................................................12
1. Tổng quan về hydroxyapatite .............................................................................12
1.1. Công thức cấu tạo của hydroxyapatite ............................................................12
1.2. Tính chất của hydroxyapatite ..........................................................................13
1.2.1. Tính chất vật lý .............................................................................................13
1.2.2. Tính chất hóa học ..........................................................................................13
1.2.3. Tính chất sinh học .........................................................................................14
1.3. Nguồn thu nhận hydroxyapatite ......................................................................14
1.3.1. Nguồn thu nhận tự nhiên ..............................................................................14

2


1.3.2. Nguồn tổng hợp từ các chất vô cơ ................................................................15
1.4. Các phương pháp thu nhận hydroxyapatite .....................................................16
1.4.1. Phương pháp phản ứng pha rắn ....................................................................16
1.4.2. Phương pháp hóa cơ .....................................................................................16
1.4.3. Phương pháp thủy phân ................................................................................17

1.4.4. Phương pháp solgel ....................................................................................17
1.4.5. Phương pháp thủy nhiệt ................................................................................18
1.4.6. Phương pháp kết tủa .....................................................................................18
1.4.7. Phương pháp nhiệt phân ...............................................................................19
1.5. Ứng dụng hydroxyapatite ................................................................................20
1.5.1. Ứng dụng dạng bột .......................................................................................20
1.5.2. Ứng dụng dạng màng....................................................................................20
1.5.3. Ứng dụng dạng xốp.......................................................................................21
1.5.4. Ứng dụng dạng composite ............................................................................22
2. Tổng quan về cá rô phi và vảy cá rô phi.............................................................22
2.1. Đặc điểm hình thái và phân bố cá rô phi .........................................................22
2.1.1. Danh pháp .....................................................................................................22
2.1.2. Phân bố ..........................................................................................................22
2.1.3. Đặc điểm hình thái ........................................................................................22
3. Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu về đặc tính của hydroxyapatite ....23
3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (scanning electron microscopy, SEM) .....23
3.1.1. Mục đích .......................................................................................................23
3.1.2. Nguyên lí hoạt động và nguyên tắc tạo ảnh .................................................24

3


3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron
microscopy, TEM) ..................................................................................................24
3.2.1. Mục đích .......................................................................................................24
3.2.2. Nguyên lí hoạt động và nguyên tắc tạo ảnh .................................................24
3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (Xray diffraction, XRD) ..................................25
3.3.1. Mục đích .......................................................................................................25
3.3.2. Nguyên lí hoạt động và nguyên tắc tạo ảnh của phương pháp nhiễu xạ tia X
(XRD) ......................................................................................................................25

3.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (fourier transformation infrared
spectrophotometer, FTIR) .......................................................................................26
3.4.1. Mục đích .......................................................................................................26
3.4.2. Nguyên lí hoạt động và nguyên tắc tạo ảnh của phương pháp FTIR ..........26
3.5. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA ..............................................27
B. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................28
2.1. Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................28
2.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất ...........................................................................28
2.2.1. Dụng cụ .........................................................................................................28
2.2.2. Thiết bị ..........................................................................................................28
2.2.3. Hóa chất ........................................................................................................28
2.3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................29
2.3.3. Xác định hàm lượng khoáng bằng phương pháp nung ................................29
2.4. Quy trình thu nhận hydroxyapatite từ vảy cá rô phi .......................................29
2.4.1. Tiền xử lí nguyên liệu ...................................................................................29
2.4.2. Thu nhận hydroxyapatite ..............................................................................30

4


C. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................................32
2. Đánh giá hydroxyapatite qua các nhiệt độ nung khác nhau...............................32
2.1. Hiệu suất thu hồi hydroxyapatite ở các nhiệt độ nung khác nhau bằng phương
pháp nung ................................................................................................................32
2.2. Hiển vi điện tử quét (SEM) của hydroxyapatite ở các nhiệt độ nung khác
nhau .........................................................................................................................32
3. Kết quả chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM)...................................................33
4. Kết quả chụp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ................................................34
5. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại (FTIR) .........................................................34
6. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................35

7. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) .......................................................36
8. Kết quả xác định độ tan của hydroxyapatite trong các dung dịch có pH từ 17
.................................................................................................................................37
1. Kết luận ...............................................................................................................38
2. Kiến nghị .............................................................................................................39
E. TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................40

5


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
HA ---------------------------------------Hydroxyapatite
SEM -------------------------------------Scanning electron microscope
TEM -------------------------------------Transmission electron microscopy
XRD -------------------------------------X–ray diffraction
EDS/EDX ------------------------------Electron dispersive scaning
FTIR -------------------------------------Fourier

transformation

spectrophotometer
TGA -------------------------------------Thermal gravimetric analysis
TCP ----------------------------------Tricalcium phosphate
βTCP ----------------------------------βTricalcium phosphate
ĐTNC -----------------------------------Đối tượng nghiên cứu

6

infrared

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Một số muối calcium phosphate (CaP) ..................................................... 15

7


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Công thức cấu tạo của hydroxyapatite ..................................................... 12
Hình 1.2. Các dạng tồn tại của tinh thể của HA ....................................................... 13
Hình 1.3. Quy trình tổng hợp HA từ các chất vô cơ ................................................ 15
Hình 1.4.Quy trình tổng hợp HA bằng phương pháp phản ứng pha rắn .................. 16
Hình 1.5. Quy trình tổng hợp HA bằng phương pháp phản ứng hóa cơ .................. 17
Hình 1.6. Quy trình tổng hợp HA bằng phương pháp solgel ................................ 18
Hình 1.7. Quy trình thu nhận HA bằng phương pháp thủy nhiệt ............................ 18
Hình 1.8. Quy trình thu nhận HA bằng phương pháp kết tủa ................................... 19
Hình 1.9. Quy trình thu nhận HA bằng phương pháp nhiệt phân............................. 20
Hình 1.10. Cá rô phi ................................................................................................. 23
Hình 1.11. Thiết bị hiển vi điện tử quét SEM .......................................................... 24
Hình 1.12. Nguyên lí hoạt động của phương pháp nhiễu xạ tia X .......................... 26
Hình 2.1. Bảo quản vảy cá (đã loại bỏ protein) sau sấy trong bình hút ẩm ............. 30
Hình 2.2. Mẫu vảy cá đã được xử lý được đưa vào tủ nung ..................................... 31
Hình 3.1. Vảy cá sau khi nung (đã nghiền) trong 3h với tốc độ gia nhiệt 5oC/phút 32
Hình 3.2. Ảnh chụp SEM của HA thu nhận từ vảy cá .............................................. 34
Hình 3.3. Phổ FTIR của vảy cá ................................................................................. 35
Hình 3.4. Kết quả phân tích TGA của HA tổng hợp bằng phương pháp siêu âm .... 37

8

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Ở nước ta, cá rô phi (Oreochromis niloticus) một loài cá tăng trưởng nhanh,
khỏe mạnh mà từ lâu đã trở thành nguồn cung cấp protein chủ yếu của nhiều nước
đang phát triển và gần đây có nhu cầu cao ở các nước phát triển. Tại Việt Nam, cá
rô phi được coi là sản phẩm chủ lực, diện tích cá rô phi ở đồng bằng sông Cửu Long
tăng khoảng 13.00015.000 để sản lượng đạt 120.000150.000 tấn, trong đó 2/3
chủ yếu dành cho xuất khẩu. Sản phẩm xuất khẩu cá rô phi chủ yếu ở dạng phi lê là
chính. Nên hàng năm, lượng xuất khẩu phi lê cá rô phi tăng cũng tương đương với
lượng chất thải sinh học (vảy cá, xương cá, nội tạng,…) của chúng thải ra môi
trường tăng, làm ảnh hưởng đến môi trường bên ngoài. Việc nghiên cứu tận dụng
những phế liệu này để thu nhận các sản phẩm có giá trị gia tăng là một việc làm có
ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
Do đó, trong đồ án tốt nghiệp này đã sử dụng vảy cá rô phi làm đối tượng
nghiên cứu. Trong vảy cá rô phi ngoài một lượng rất nhỏ collagen, protein, lipid,…
thì có chứa một lượng lớn hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2. Theo FDA (cục quản lí
thực phẩm) cho phép sử dụng hydroxyapatite trong sản xuất thuốc và thực phẩm
chức năng; hay chế tạo răng giả, để sữa chữa khuyết điểm của răng; chế tạo mắt giả;
chế tạo chi tiết ghép xương và sữa chữa khuyến tật của xương. Như vậy, việc sử
dụng các nguyên liệu tự nhiên này để sản xuất hydroxyapatite là một quá trình kinh
tế và tiềm năng sinh lợi, tạo ra triển vọng ứng dụng hydroxyapatite vào các lĩnh vực
khác nhau như: y học, sinh học,...
Vì những lý do trên nên chọn đề tài: “Nghiên cứu một số đặc tính về hình
thái, cấu trúc và hoá lý của hydroxyapatite thu nhận từ vảy cá rô phi
(Oreochromis niloticus)”.
2. Mục tiêu đề tài
– Thu nhận được hydroxyapatite.

9

– Xác đinh được một số đặc tính dựa trên các phương pháp SEM, TEM, XRD,

FTIR, TGA và tính chất hóa lý của hydroxyapatite.
3. Nội dung nghiên cứu
– Thu nhận HA từ vảy cá rô phi (Oreochromis niloticus)
– Nghiên cứu các đặc tính bằng các phương pháp SEM, TEM, XRD, FTIR,

TGA.
– Nghiên cứu độ tan của HA trong các môi trường có pH khác nhau.

4. Phương pháp nghiên cứu
 Thu nhận hydroxyapatite từ vảy cá rô phi (Oreochromis niloticus) bằng
phương pháp nung ở các nhiệt độ khác nhau.
 Xác định các đặc tính mẫu HA bằng các phương pháp SEM, TEM, XRD,
FTIR, TGA.
 Đánh giá độ tan của HA trong các môi trường pH khác nhau bằng phương
pháp chuẩn độ.
5. Đối tượng nghiên cứu
Vảy cá rô phi (Oreochromis niloticus) được thu mua sau quá trình phi lê ở
siêu thị Lotte Mart Nha Trang, phường Phương Sơn, thành phố Nha Trang. Sau đó,
vảy cá được rửa sạch và phơi khô và bảo quản ở nhiệt độ phòng trong bình hút ẩm
cho những nghiên cứu sau đó.
6. Tính cấp thiết của đề tài
Tại Việt Nam, có nhiều công ty sản xuất thủy hải sản và nhiều công ty chế
biến thủy sản cho ra các sản phẩm cá điển hình như phi lê cá Tra, cá Basa,… được
thị trường trong nước và các quốc gia ưa chuộng. Tuy nhiên, quá trình phi lê cá thải
ra những chất thải sinh học dẫn đến bị lãng phí và gây ô nhiễm môi trường, trong
khi nó có nhiều lợi ích về kinh tế nếu chúng ta biết cách xử lý và ứng dụng. Do đó,
việc tận dụng phế thải sinh học này để làm nguồn nguyên liệu thu nhận sản phẩm có

giá trị gia tăng cao là hydroxyapatite là một việc làm có ý nghĩa và cấp thiết. Ngoài
ra, hydroxyapatite được sử dụng làm thuốc trám răng, xương giả, răng giả,… Nhất

10


là hydroxyapatite kích thước nanometre có tính tương thích sinh học tốt với cơ thể
người, có thể liên kết trực tiếp với cơ, tạo sự tái sinh xương nhanh.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
7.1. Ý nghĩa khoa học
– Đã thu nhận thành công hydroxyapatite.
– Xác định được các đặc tính của hydroxyapatite dựa trên các phương pháp

phân tích như SEM, TEM, XRD, FTIR, TGA.
– Xác định được độ tan của HA trong các môi trường pH khác nhau bằng

phương pháp chuẩn độ.
7.2. Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu này thực hiện sự so sánh HA thu được từ vảy cá rô dựa trên các
phương pháp phân tích SEM, TEM, XRD, FTIR, TGA. Kết quả chỉ ra tính khả thi
trong việc thương mại hóa sản phẩm hydroxyaptite thu nhận từ vảy cá rô phi. Như
vậy, việc tận dụng phế liệu thuỷ sản (vảy cá rô phi) để thu nhận các sản phẩm có giá
trị gia tăng cao (hydroxyapatite HA) là việc làm có ý nghĩa thực tiễn và kinh tế cao.

11


A. TỔNG QUAN
1. Tổng quan về hydroxyapatite
Hydroxyapatite (HA) với công thức là Ca5(PO4)3(OH) hay Ca10(PO4)6(OH)2 là

một trong những thành phần vô cơ, có trong cơ thể người và động vật, đóng vai trò
khá quan trọng. Thực tế người ta vẫn có thể tìm thấy HA ở dạng tự nhiên, và đưa ra
một số phương pháp tách chiết đối với chúng, ví dụ như tách chiết HA từ xương
động vật (xương cá, xương bò, xương lợn), thu nhận HA từ vảy, da cá, hoặc thu tiền
thân HA từ vỏ trứng, vỏ cua ghẹ, vỏ ốc,... Bên cạnh đó, HA còn có những đặc tính
quý như: có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao với các tế bào và các mô; tạo
liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ
thể đào thải; mặc khác do có cùng bản chất hóa học và cấu trúc, HA cũng là dạng
calcium phosphate dễ hấp thụ nhất đối với cơ thể con người [24].
1.1. Công thức cấu tạo của hydroxyapatite
Phân tử HA có các liên kết CaO là liên kết cộng hóa trị. Hai nhóm OH được
gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch [23,1].

Hình 1.1. Công thức cấu tạo của hydroxyapatite [23].
Hydroxyapatite có trong thành phần của xương và ngà răng thường có dạng
lục phương và thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a=b= 0,9417Ao
và c = 0,6875Ao, α = β = 90o và γ = 120o. Mỗi ô mạng cơ sở của tinh thể HAp gồm
các ion Ca2+, PO43 và OH được sắp xếp như (Hình 1.2) [25].

12


1.2. Tính chất của hydroxyapatite
1.2.1. Tính chất vật lý
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 0,7g/l; khối lượng phân tử
1004,60g/mol; khối lượng riêng 3,156g/cm3; độ cứng theo thang Mohs là 5.
Tùy thuộc vào điều kiện hình thành, mà các HA tự nhiên hay nhân tạo tồn tại
ở các dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình sợi, hình trụ và hình cầu [26].

Hình 1.2. Các dạng tồn tại của tinh thể của HA [5]: a) Dạng hình que; b) dạng hình
trụ; c) dạng hình cầu; d) dạng hình sợi; e) dạng hình vảy; f) dạng hình kim.
1.2.2. Tính chất hóa học
HA không phản ứng với kiềm. HA phản ứng với acid tạo thành muối calcium
và nước theo phản ứng [26]:
Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl → 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O.
HA tương đối bền với nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800oC
đến 1200oC tạo thành oxidehydroxyapatite theo phản ứng [5]:
Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10(PO4)6(OH)22XOX +XH2O (0Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HA bị phân hủy thành βCa3(PO4)2 và Ca4P2O9
hoặc CaO [23]:
Ca10(PO4)6(OH)2 → 2βCa3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O

13


Ca10(PO4)6(OH)2 → 3βCa3(PO4)2 + CaO + H2O.
1.2.3. Tính chất sinh 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 calcium phosphate dễ được cơ
thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng
[26].
Ở dạng màng và dạng xốp, HA có thành phần hóa học và đặc tính giống như
xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ
dàng xâm nhập [26].
Do đó, vật liệu này có tính thích sinh học cao với các tế bào và 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. Bên cạnh đó, HA không gây độc; không dị ứng với cơ thể

và có tính sát khuẩn cao; tương đối bền với dịch men tiêu hóa, ít chịu ảnh hưởng
của dung dịch axit trong dạ dày [26].
1.3. Nguồn thu nhận hydroxyapatite
1.3.1. Nguồn thu nhận tự nhiên
Nguồn thu nhận HA trong tự nhiên đa dạng và phong phú, chủ yếu được phân
loại như sau [7]:

Nguồn thu nhận HA trong tự nhiên

Thu nhận trực

Thu nhận

Thu nhận dịch

tiếp từ các

CaCO3 từ vỏ

chiết từ các hợp

nguồn sinh học

trứng, san hô,

chất thiên

tự nhiên như

vỏ cua,... sau đó

nhiên, sau đó bổ

vảy cá, xương

bổ sung tiền

sung tiền chất

động vật

chất PO43.

Ca2+ và PO43.

14


1.3.2. Nguồn tổng hợp từ các chất vô cơ
HA thường được tạo ra từ phản ứng giữa tiền chất cation là Ca2+ và tiền chất
anion PO43 hoặc có thể là các muối calcium phosphate (Bảng 1.1) [7].
Bảng 1.1. Một số muối calcium phosphate (CaP)
Tên

Công thức

Tỷ lệ Ca/P

Monocalcium phosphate monohydrate Ca(H2PO4)2.H2O

0,5

Monocalcium phosphate anhydruos

Ca(H2PO4)2

0,5

Dicalcium phosphate dehydrate

CaHPO4.2H2O

1,0

Dicalcium phosphate anhydrous

CaHPO4

1,0

Octacalcium phosphate

Ca8(HPO4)2(PO4)4.5H2O

1,33

-Tricalcium phosphate

Ca3(PO4)2

1,5

β-Tricalcium phosphate

Ca3(PO4)2

1,5

Amosphous calcium phosphate

Cax(PO4)y.nH2O

1,22,2

Quá trình này đòi hỏi phải kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng như độ tinh
khiết của hóa chất, pH, thời gian phản ứng, nồng độ các chất phản ứng và nhiệt độ
để tổng hợp được HA chất lượng cao [7]. Khi xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ nung
đến quá trình tổng hợp HA, khi nhiệt độ nung cao hơn 1200oC, HA tổng hợp
thường sẽ mất dần các nhóm OH của nó, có thể chuyển thành oxyapatite như
Ca10O(PO4)6 hoặc Ca10(PO4)6O, và sau đó các oxyapatite này thường phân ly thành
các sản phẩm αCa3(PO4)2, Ca2P2O7 và Ca4P2O9 ở 1450oC [26].

Hình 1.3. Quy trình tổng hợp HA từ các chất vô cơ [7].

15


1.4. Các phưng pháp thu nhận hydroxyapatite
1.4.1. Phương pháp phản ứng pha rắn
Phản ứng trạng thái rắn, là một quy trình tương đối đơn giản, có thể được sử

dụng sản xuất hàng loạt bột HA. Trong một quy trình, tiền chất được nghiền và sau
đó được nung ở nhiệt độ rất cao (ví dụ: 1000oC). Tiền chất có thể là các nguồn
calcium và phosphate hoặc đơn giản là muối calcium phosphate được điều chế trước
đó (Bảng 1.1). Nhiệt độ cao của quá trình nung dẫn đến sự hình thành cấu trúc tinh
thể HA [7].

Hình 1.4.Quy trình tổng hợp HA bằng phương pháp phản ứng pha rắn [7].
1.4.2. Phương pháp hóa cơ
Hydroxyapatite có thể chế tạo bằng phản ứng giữa hai pha rắn CaCO3 và
CaHPO4.2H2O bằng các phản ứng sau [1]:
4CaCO3 + 6CaHPO4.2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H2CO3
Hoặc bằng các phản ứng sau:
2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O→ Ca10(PO4)6(OH)2
3Ca3(PO4)2 + CaO + H2O → Ca10(PO4)6(OH)2.
3Ca3(PO4)2 + Ca(OH)2 → Ca10(PO4)6(OH)2
Phương pháp này dựa trên cơ sở của một lực ma sát lớn giữa bi và má nghiền
của bi đến các cấu tử của 2 pha rắn [1,7]:

16


Hình 1.5. Quy trình tổng hợp HA bằng phương pháp phản ứng hóa cơ [7].
1.4.3. Phương pháp thủy phân
Các hạt nano HA, có thể được điều chế bằng cách thủy phân các pha calcium
phosphate, bao gồm DCPA (dicalcium phosphate anhydrous), DCPD (dicalcium
phosphate dehydrate) và TBP (tricalcium phosphate) theo các phản ứng sau [7]:
10CaHPO4 + 2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H3PO4
10CaHPO4 +12OH → Ca10(PO4)6(OH)2 + 4PO43 +10H2O
6CaHPO4 + 4Ca(OH)2 → Ca10(PO4)6(OH)2 + 6H2O
6CaHPO4 + 4CaCO3 + 2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 +4H2CO3

10CaHPO4.2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 +18H2O +12H+ + 4PO43
6CaHPO4.2H2O +4Ca(OH)2 → Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O
10Ca3(PO4)2 + 6H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 +2PO43 + 6H+
10Ca3(PO4)2 + 6OH → Ca10(PO4)6(OH)2 + 2PO43.
1.4.4. Phương pháp solgel
Bằng phương pháp solgel có thể tạo ra được bột có kích thước từ cấp µm đến
nm, có tính đồng nhất, độ tinh khiết cao, bề mặt riêng lớn, có thể tổng hợp được ở
dạng màng mỏng và sợi. Có thể tổng hợp HA theo phương pháp solgel bằng cách
như sau [7]:

17


Hình 1.6. Quy trình tổng hợp HA bằng phương pháp solgel [7].
Các hợp chất Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4 với các chất tạo gel như (C2H5O)3P(O),
CH3O(CH2)2(OH) (được chuẩn bị theo tỷ lệ nhất định) vào nước cất. Khuấy và gia
nhiệt dung dịch này ở nhiệt độ và thời gian thích hợp, gel có chứa hợp chất HA tạo
thành. Sau đó, sấy gel và nung ở nhiệt độ thích hợp, thu được HA dạng bột [7].
1.4.5. Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt là quá trình sử dụng các phản ứng ở pha đồng thể
hoặc dị thể trong môi trường lỏng ở nhiệt độ (t>25oC) và áp suất (P>100kPa) để kết
tinh trực tiếp vật liệu ceramic từ dung dịch. Trong phương pháp này, tỷ lệ Ca/P
được cải thiện khi tăng nhiệt độ và suất thủy nhiệt. Một số nghiên cứu tổng hợp HA
bằng phương pháp thủy nhiệt đã được đưa ra và có thể tổng hợp được nano dạng
que [7].
Sau đây là sơ đồ tổng quát phương pháp thủy nhiệt:

Hình 1.7. Quy trình thu nhận HA bằng phương pháp thủy nhiệt [7].
1.4.6. Phương pháp kết tủa
18

Hình 1.8. Quy trình thu nhận HA bằng phương pháp kết tủa [7].
Phương pháp kết tủa thường được sử dụng để điều chế hydroxyapatite dạng
bột. Trong suốt quá trình phản ứng chỉ có nước là sản phẩm phụ duy nhất. Do đó,
phương pháp kết tủa đóng vai trò quan trọng trong các phương pháp tổng hợp HA
[3]. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp HA như: độ pH, nhiệt độ phản
ứng, chất hoạt động bề mặt…
1.4.7. Phương pháp nhiệt phân
Đặc điểm chính của quá trình là khả năng tạo ra bột với độ tinh khiết cao. Hơn
nữa, lợi thế là nguyên liệu thô giá thành thấp, quy trình chuẩn bị tương đối đơn
giản, quá trình đốt cháy dung dịch của tinh thể HA liên quan đến phản ứng oxi hóa
khử nhiệt giữa các chất oxy hóa (calcium nitrate và HNO3) và một loại nhiên liệu
hữu cơ phù hợp (ví dụ glycine, urê, sucrose, axit citric và axit succinic) và một pha
nước [1].
Đầu tiên, các dung dịch gốc là Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4, tiếp theo thêm
HNO3 đậm đặc để hòa tan kết tủa trắng. Phản ứng có thể bắt đầu bằng cách đun
nóng hỗn hợp trong lò ở nhiệt độ khá thấp (ví dụ: 300oC); sau đó là nhiệt độ tăng
đột ngột. Bước cuối cùng là làm lạnh nhanh hỗn hợp để tạo ra sự tạo mầm tối đa và
để ngăn chặn sự phát triển của hạt [1].

19


Hình 1.9. Quy trình thu nhận HA bằng phương pháp nhiệt phân [7].
1.5. Ứng dụng hydroxyapatite
1.5.1. Ứng dụng dạng bột
Xương là phần quan trọng của cơ thể con người, có ý nghĩa lớn về mặt sinh
học và cấu trúc. Về mặt sinh học, xương là nơi tập trung nhiều calcium nhất. Về
mặt cấu trúc, xương là khung đỡ cho các bộ phận khác; hình thành nên cấu trúc và

hình dáng cơ thể.
Thực tế hiện nay, lượng calcium hấp thụ từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp
nên rất cần bổ sung calcium cho trẻ em và người cao tuổi. Calcium có trong thức ăn
và 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. Một phương pháp hữu hiệu nữa là sử dụng HA
ở dạng bột mịn hay nhân tạo, kích thước nano để bổ sung calcium. Với kích thước
cỡ 20100nm, HA hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải chuyển hóa thêm
[26].
FDA (cục quản lí thực phẩm và dược phẩm Mỹ) cho phép sử dụng HA trong
sản xuất thuốc và thực phẩm chức năng. Nhiều loại thuốc và thực phẩm bổ sung
calcium có sử dụng HA đã được lưu hành trên thị trường, điển hình như Ossopan
của Pháp, Bone Dense Calcium của Mỹ, Calcium Complex của Anh, SuperCal của
New Zealand [26].
1.5.2. Ứng dụng dạng màng

20


Lớp màng HA có chiều dày cỡ m được phủ lên bề mặt vật liệu nhân tạo như
hợp kim Ti6Al4V bằng phương pháp plasma, điện phân,... đã hạn chế những nhược
điểm như bị ăn mòn, tạo ra các chất độc hại, liên kết lỏng lẻo giữa xương tự nhiên
và chi tiết cấy ghép,… Nhưng, độ bám dính của lớp màng trên vật liệu nền vẫn
không bền chặt, do vậy tuổi thọ và phạm vi ứng dụng của chúng không cao [26].
Để cải thiện độ bám dính, người ta đã phủ lên các kim loại và hợp kim một lớp
màng gốm HA có chiều dày cỡ nm ( màng nHA) bằng phương pháp điện hóa nói
chung và phương pháp điện di (EDP). Lớp màng nHA có độ bám dính cao với vật
liệu nền (>60 MPa ) và rất bền theo thời gian. Công nghệ màng nHA đã tạo ra
những chi tiết xương nhân tạo có khả năng tự liên kết với xương và mô tự nhiên, có
tính tương thích sinh học cao với cơ thể con người [26].

1.5.3. Ứng dụng dạng xốp
Chế tạo răng giả, sữa chữa khuyến tật của răng: Nhật Bản đã thành công trong
việc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thước nano và polymer sinh học có
khả năng phủ và bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy, tức là tinh thể HA mới tạo
thành lớp men răng cứng chắc giống như lớp men răng tự nhiên [26].
Chế tạo mắt giả: HA xốp tổng hợp từ san hô có cấu trúc bền vững, nhẹ và đặc
biệt là có khả năng thích ứng cao với cơ thể. Việc sử dụng loại vật liệu này đã khắc
phục được hiện tượng sụp mi do trọng lượng, hạn chế phản ứng của cơ thể và làm
tăng thời gian sử dụng của mắt giả [6].
Chế tạo ra những chi tiết để ghép xương và sữa chữa những khuyến tật của
xương. Tùy thuộc vào mục đích cấy ghép và thay thế, người ta có thể chế tạo ra
những sản phẩm gốm HA, có kích thước và độ xốp khác nhau. Sau đó, gia công các
sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HA ở dạng hạt để
điền đầy vào những chỗ khuyến tật của xương [26].
Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học.
Làm vật liệu truyền dẫn như khả năng vận chuyển và phân tán insullin trong
ruột [8].

21


1.5.4. Ứng dụng dạng composite
Được sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối
xương hoặc có thể truyền dẫn thuốc. Việc sử dụng các polymer sinh học làm chất
nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn [26].
2. Tổng quan về cá rô phi và vảy cá rô phi
2.1. Đặc điểm hình thái và phân bố cá rô phi
2.1.1. Danh pháp
Dựa vào đặc tính và đặc điểm phân bố, cá rô phi được phân loại như sau [27]:
Tên khoa học: Oreochromis niloticus

Tên gọi khác: Cá rô phi đen
Ngành: Chordata
Lớp: Actinopterygii
Bộ: Perciformers
Họ: Cichlidae
Tông: Tilapiini
Chi: Oreochromis
2.1.2. Phân bố
Chúng có nguồn gốc từ các nước Đông Phi. Phân bố rất rộng ở nhiều môi
trường nước (ngọt, lợ, mặn) ở Châu Phi, Indonesia, Thái Lan. Đến nay đã di sang
các nước Nhật Bản, Trung Quốc, Đài Loan và một số nước Đông Nam Á. Ở Việt
Nam, có hầu hết ở các tỉnh, như Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Hải Dương, Hà Nội, Bắc
Ninh,… [27].
2.1.3. Đặc điểm hình thái
Cá rô phi đen có thân hình thoi và dẹp, mõm tròn, mắt nhỏ. Chiều dài cả đuôi
bằng 2,7 lần chiều dài đầu và bằng 2,5 chiều cao thân. Vây ngực lớn dài bằng chiều
dài đầu. Thân màu xám tro hoặc nâu nhạt, bụng xám trắng, mép rìa vây lưng. Chiều
dài vây ngực bằng chiều dài đầu. Miệng khá rộng, hướng lên trên, chúng có 48
hàm răng. Răng ngắn và nhiều. Có hai tấm răng ở trên và một tấm ở dưới. Vây đuôi
22


tròn ở cá trưởng thành, cắt thẳng đứng ở cá con. Toàn thân phủ vây tròn, đường bên
không liên tục. Có vảy hơi đen ở phần lưng, phần bụng màu sáng, vây có màu phớt
hồng. Cá đực có hai lỗ (lỗ niệu chung với lỗ sinh dục và lỗ hậu môn). Cá cái có 3 lỗ
(lỗ niệu, lỗ sinh dục, lỗ hậu môn). Chiều dài lớn nhất 30 cm, thông thường 1025
cm [27].

Hình 1.10. Cá rô phi (Oreochromis niloticus).
3. Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu về đặc tính của hydroxyapatite

3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (scanning electron microscopy, SEM)
Thiết bị hiển vi điện tử quét (scanning electron microscopy, SEM) là thiết bị
phóng đại đặc biệt, giúp quan sát trực tiếp bề mặt của các đối tượng cần nghiên cứu.
Sự phóng đại được thực hiện không phải bằng hệ thống thấu kính quang học mà sử
dụng va chạm của các hạt electron cường độ cao với mẫu đã được xử lí rồi nhập tín
hiệu để thu hình ảnh của bề mặt. Độ phóng đại của nó rất lớn (cỡ vào khoảng vài
ngàn đến vài chục ngàn) kích thước quan sát có thể đến nm (Zaluzee, 2007) [28].
3.1.1. Mục đích
– Xác định kích thước vật liệu;
– Xác định sự phân bố hạt.

23


3.1.2. Nguyên lí hoạt động và nguyên tắc tạo ảnh

Hình 1.11. Thiết bị hiển vi điện tử quét SEM (FE SEM S4800 Hitachi, Japan).
– Nguyên lí hoạt động và nguyên tắc tạo ảnh:

Điện tử được phát ra (các hạt electron có cường độ cao), tăng tốc và hội tụ
thành một tia điện tử hẹp nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét lên bề mặt mẫu
nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ phân giải SEM được xác định từ kích thước chùm
tia điện tử hội tụ, ngoài ra độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa
vật liệu bề mặt mẫu và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu, sẽ có các bức
xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện [28, 29].
3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron
microscopy, TEM)
Là thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lượng
cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với
độ phóng đại lớn [30].

3.2.1. Mục đích
 Xác định kích thước và cấu trúc bên trong của vật liệu.
3.2.2. Nguyên lí hoạt động và nguyên tắc tạo ảnh
 Nguyên lí làm việc và nguyên tắc tạo ảnh:
Điện tử được phát ra từ một catot đốt nóng, đi qua ống kính hội tụ. Thấu kính
hội tụ thực chất là một năm châm điện có cấu trúc là một cuộn dây cuốn lõi làm
24


bằng vật liệu từ mềm. Khi qua thấu kính, chùm tia điện tử sẽ có độ lệch thích hợp
với từng loại thấu kính và quét lên mẫu. Nhờ có khẩu độ vật có tác dụng hứng chùm
tia điện tử vừa xuyên qua mẫu nhằm: thay đổi độ tương phản ảnh hoặc lựa chọn
chùm tia ở các góc lệch khác nhau; khẩu độ lựa chọn vùng có tác dụng: lựa chọn
diện tích vùng mẫu sẽ ghi ảnh.Nhờ tương giữa các electron, có các bức xạ phát ra,
tín hiệu được chuyển đến vùng quan sát ảnh.
Dưới chân cột là buồng quan sát với cửa sổ và cặp ống nhòm có thể điều
chỉnh. Hình ảnh được chiếu lên màn hình trong buồng xem. Các ống nhòm có sẵn
để tập trung hình ảnh. Màn hình trong buồng chỉ để tạo ra một hình ảnh tạm
thời. Để thu thập hình ảnh vĩnh viễn, một camera CCD được đưa vào đường đi của
chùm tia. Điều này cho phép hình ảnh được thu thập ở dạng kỹ thuật số [32].
3.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (Xray diffraction, XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X (X ray diffraction, XRD) được dùng để nghiên
cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể,
định lượng pha tinh thể và kích thước tinh thể với độ tin cậy cao [33].
3.3.1. Mục đích
 Xác định pha tinh thể;
 Xác định các hằng số mạng tinh thể;
 Xác định kích thước tinh thể.
3.3.2. Nguyên lí hoạt động và nguyên tắc tạo ảnh của phương pháp nhiễu xạ tia
X (XRD)

 Nguyên lí phương pháp XRD:
Electron được phóng ra từ catot với vận tốc cao sẽ đập vào anot tạo ra các tia
X đơn sắc: K() và K(β). Sau đó chùm tia này được đi qua bộ lọc K(β). Cuối cùng
chỉ còn lại K() sẽ chiếu vào mẫu gây nên hiện tượng nhiễu xạ và detector sẽ ghi
lại hiện tượng này [33].

25