Tổng Hợp Tricalcium Phosphate (TCP) Ứng Dụng Trong Bioceramics

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TỔNG HỢP
TRICALCIUM PHOSPHATE (TCP)
ỨNG DỤNG TRONG BIOCERAMICS

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

Ths. Ngô Trương Ngọc Mai

Lê Hoàng Thiện
MSSV: 2064011
Ngành: Công Nghệ Hóa Học-Khóa 32

Tháng 11/2009


Trường Đại học Cần Thơ
Khoa Công Nghệ
Bộ môn Công nghệ hóa học

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
-----------------------Cần Thơ, ngày 12 tháng 11 năm 2010

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
CHO SINH VIÊN
NĂM HỌC: 2009 – 2010
1. Họ và tên của cán bộ hướng dẫn
Th.S Ngô Trương Ngọc Mai
MCB: 1765
2. Tên đề tài: Tổng hợp tricalcium phosphate (TCP) ứng dụng trong
3.
4.
5.
6.

bioceramics.
Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm Bộ Môn Công nghệ Hóa học – Khoa
Công Nghệ – Trường Đại Học Cần Thơ.
Số lượng sinh viên thực hiện: 01 sinh viên.
Họ và tên sinh viên: Lê Hoàng Thiện
MSSV: 2064011
Lớp: Công Nghệ Hóa Học
Khóa: 32
Mục đích của đề tài
 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới kích cỡ hạt trong quá trình tạo thành
 -TCP như: thời gian, nhiệt độ của phản ứng và tốc độ khuấy.
 Khảo sát yếu tố nhiệt độ nung trong quá trình chuyển từ  -TCP sang  TCP bằng phương pháp nung.

7. Các nội dung chính và giới hạn của đề tài
 Thực hiện phản ứng tổng hợp  -TCP từ Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 trong
môi trường NH4OH ở các điều kiện khác nhau.
 Phân tích kích thước hạt TCP thu được.

 Khảo sát quá trình nung chuyển hóa  -TCP thành  -TCP.
 Phân tích cấu trúc hạt bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD).
8. Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài
Các hóa chất để thực hiện
9. Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: 250.000 đồng.

ii


DUYỆT CỦA CB TẠI CƠ SỞ

DUYỆT CỦA CBHD

Th.S Ngô Trương Ngọc Mại
DUYỆT CỦA BỘ MÔN

DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG THI & XÉT TỐT NGHIỆP

iii


LỜI CẢM ƠN

Để có được thành quả như hôm nay em xin chân thành cám ơn tất cả quý
thầy cô khoa Công nghệ và khoa Khoa học tự nhiên đã truyền đạt cho em những
kiến thức quý báu trong suốt 4 năm rưỡi học tập tại trường. Những kiến thức đó sẽ
giúp em vững bước hơn trên con đường sắp tới.
Đặc biệt, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô Ngô Trương Ngọc Mai đã
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giảng giải cho em những kiến thức em chưa biết,
những điều em chưa hiểu. Cô đã động viên và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn

thành đề tài. Cô truyền đạt cho em hiểu biết thêm về lĩnh vực hợp chất vô cơ, giúp
em yêu thích hơn về lĩnh vực này.
Em xin ghi ơn cố vấn học tập thầy Nguyễn Minh Trí đã tận tình gíup đỡ và
quan tâm đến lớp em.
Em xin cám ơn trưởng bộ môn công nghệ hóa học thầy Trương Chí Thành
nhiệt tình giúp đỡ trong suốt thời gian em thực hiện đề tài.
Em xin cảm ơn trưởng phòng thí nghiệm vô cơ, cô Huỳnh Thu Hạnh và thầy
Nguyễn Việt Bách đã tạo điều kiện cho em sử dụng dụng cụ và máy móc. Em xin
cảm ơn trưởng phòng thí nghiệm hữu cơ, thầy Lương Huỳnh Vũ Thanh đã tạo
điều kiện cho em sử dụng dụng cụ và máy móc.
Cảm ơn những người bạn đã luôn sẻ chia và đồng hành trên chặn đường học
tập gian nan vừa qua.
Con xin gởi lời cảm ơn tới gia đình nơi luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc
của con.
Xin chân thành cám ơn!!!
Lê Hoàng Thiện

iv


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


 ...................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

v


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

vi


MỤC LỤC
PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CHO SINH VIÊN .................................ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iv
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ........................................................... v
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ............................................................. vi
MỤC LỤC ............................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... ix
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... x
DANH MỤC BẢNG PHỤ LỤC ............................................................................. xi
LỜI NÓI ĐẦU .....................................................................................................xiii
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................ 1
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN .................................................................................... 3
2.1 Giới thiệu về Bioceramics.............................................................................. 3
2.1.1 Lịch sử phát triển .................................................................................... 3
2.1.2 Phân loại Bioceramics ............................................................................. 4
2.1.3 Tính chất cơ học Bioceramics ................................................................. 5
2.1.4 Khả năng tương thích của vật liệu trong môi trường sinh lý của người .... 7
2.2 Giới thiệu về Tricalcium phosphate (TCP) ..................................................... 8
2.2.1 Cấu trúc của TCP .................................................................................... 8
2.2.2 Tính chất vật lý của TCP ......................................................................... 9
2.2.3 Các phương pháp tổng hợp TCP ........................................................... 10

2.2.4 Một số loại calcium phosphote trong lĩnh vực y học.............................. 11
2.2.4.1 CaP hình thành nhiệt độ thấp .......................................................... 11
2.2.4.2 CaP hình thành nhiệt độ cao ........................................................... 13
2.2.5 Ứng dụng của TCP................................................................................ 15
2.2.5.1 Trong lĩnh vực thực phẩm .............................................................. 15
2.2.5.2 Trong lĩnh vực sản xuất Photpho(P) trắng và axit photphoric ......... 16
2.2.5.3 Trong lĩnh vực y học ...................................................................... 16
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM..................... 18
3.1 Phương tiện nghiên cứu ............................................................................... 18
3.1.1 Dụng cụ ................................................................................................ 18
3.1.2 Thiết bị ................................................................................................. 18
3.1.3 Hóa chất................................................................................................ 19
3.2 Phương pháp nghiên cứu............................................................................. 19
3.2.1 Phương pháp đo .................................................................................... 19
3.2.1.1 Phân tích thành phần hạt ................................................................ 19
3.2.1.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)................................................ 20
3.2.1.3 Phương pháp phân tích bề mặt ....................................................... 22
3.2.2 Khảo sát quá trình tổng hợp hạt  - TCP từ Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4
trong môi trường NH4OH [2] ......................................................................... 23
3.2.2.1 Mô tả quá trình thực hiện ............................................................... 23

vii


3.2.2.2 Các yếu tố khảo sát ........................................................................ 25
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................. 29
4.1 Ảnh hưởng của nồng độ tác chất ban đầu đến kích cỡ hạt của  -TCP ......... 29
4.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến kích cỡ hạt của  -TCP .................. 31
4.3 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến kích cỡ hạt của  -TCP ........................... 32
4.4 Khảo sát sự hình thành  -TCP trong điều kiện thích hợp............................ 33

4.5 Khảo sát quá trình chuyển trạng thái từ  - TCP sang  - TCP.................... 34
4.5.1 Mẫu  - TCP chưa nung ....................................................................... 34
4.5.2 Mẫu  - TCP nung ở 1150 oC ............................................................... 36
4.5.3 Mẫu  - TCP nung ở 1200 oC ............................................................... 37
4.5.4 Mẫu  - TCP nung ở 1250 oC ............................................................... 38
4.5.5 Nhận xét và bàn luận chung .................................................................. 39
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 40
5.1 Kết luận ....................................................................................................... 40
5.2 Kiến nghị ..................................................................................................... 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 42
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 44

viii


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Cấu trúc nhôm oxit ...................................................................................4
Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn độ phản ứng tương đối theo thời gian ..............................5
Hình 2.3 Đường cong ứng suất – biến dạng .............................................................6
Hình 2.4 Cấu trúc tinh thể dạng lục phương.............................................................9
Hình 2.5 Bột tricalcium phosphate...........................................................................9
Hình 2.6 Sơ đồ khối quá trình tổng hợp TCP ......................................................... 11
Hình 3.1 Máy Microtrac S3500 ............................................................................. 20
Hình 3.2 Kích thước ghi nhận sau khi kính quang học nhận được tia phản xạ ........ 20
Hình 3.3 Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu  - TCP chuẩn ............................................ 21
Hình 3.4 Sơ đồ tổng hợp hạt  - TCP ...................................................................24
Hình 3.5 Sơ đồ quá trình chuẩn bị mẫu và nung  - TCP......................................28
Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ tác chất đến kích thước hạt.......30
Hình 4.2 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến kích thước hạt ...31
Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến kích cỡ hạt............. 32

Hình 4.4 Đồ thị khảo sát điều kiện thích hợp theo thời gian ...................................34
Hình 4.5 Kết quả đo XRD của mẫu  -TCP chưa đem đi nung ............................. 35
Hình 4.6 Kết quả đo XRD của mẫu  -TCP nung ở 1150oC ..................................36
Hình 4.7 Kết quả đo XRD của mẫu  -TCP nung ở 1200oC ..................................37
Hình 4.8 Kết quả đo XRD của mẫu  -TCP nung ở 1250oC ..................................38
Hình 4.9 Bề mặt mẫu  -TCP nung ở 1250oC ....................................................... 38

ix


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Phân loại bioceramics ...............................................................................4
Bảng 2.2 Tính chất cơ học một số bioceramics ........................................................7
Bảng 2.3 Một số hợp chất CaP hình thành nhiệt độ thấp ........................................ 12
Bảng 2.4 Một số hợp chất CaP hình thành nhiệt độ cao ......................................... 14
Bảng 3.1 Số gam chất tan và thể tích cần pha (tổng thể tích đảm bảo 800ml) ........ 26
Bảng 4.1 Ảnh hưởng của nồng độ tác chất đến kích thước hạt ............................... 29
Bảng 4.2 Ảnh hưởng của thời giản phản ứng đến kích thước hạt ........................... 31
Bảng 4.3 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến kích thước hạt ....................................32
Bảng 4.4 Kết quả khảo sát kích cỡ hạt điều kiện thích hợp theo thời gian .............. 33

x


DANH MỤC BẢNG PHỤ LỤC
Phụ lục 1 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP với nồng độ
tác chất CM= 0,5M ................................................................................. 44
Phụ lục 2 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP với nồng độ
tác chất CM= 0,02M ............................................................................... 45
Phụ lục 3 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP với nồng độ

tác chất CM= 0,1M, thời gian phản ứng 9h ............................................. 46
Phụ lục 4 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP với nồng độ
tác chất CM= 0,1M, thời gian phản ứng 12h ........................................... 47
Phụ lục 5 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP với nồng độ
tác chất CM= 0,1M, thời gian phản ứng 15h ........................................... 48
Phụ lục 6 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP với nồng độ
tác chất CM= 0,1M, thời gian phản ứng 18h ........................................... 49
Phụ lục 7 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP với nồng độ
tác chất CM= 0,1M, thời gian phản ứng 21h ........................................... 50
Phụ lục 8 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP ở tốc độ khuấy 700 vòng/phút ......... 51
Phụ lục 9 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP ở tốc độ khuấy 900 vòng/phút ......... 52
Phụ lục 10 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP ở tốc độ khuấy 1100 vòng/phút .....53
Phụ lục 11 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP ở tốc độ khuấy 1300 vòng/phút .....54
Phụ lục 12 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP ở tốc độ
khuấy 1500 vòng/phút, thời gian phản ứng 9h .....................................55
Phụ lục 13 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP ở tốc độ
khuấy 1500 vòng/phút, thời gian phản ứng 12h ...................................56
Phụ lục 14 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP ở tốc độ
khuấy 1500 vòng/phút, thời gian phản ứng 15h ...................................57
Phụ lục 15 Kết quả đo kích thước hạt  - TCP ở tốc độ

xi


khuấy 1500 vòng/phút, thời gian phản ứng 18h ...................................58
Phụ lục 16 Phổ XRD của mẫu chuẩn HA............................................................... 59
Phụ lục 17 Phổ XRD của mẫu chuẩn  - TCP ....................................................... 60
Phụ lục 18 Phổ XRD của mẫu chuẩn  - TCP ....................................................... 61
Phụ lục 19 Cường độ - góc nhiễu xạ - mặt mạng của các phổ XRD chuẩn
các mẫu HA,  - TCP,  - TCP ........................................................... 62

Phụ lục 20 Kết quả đo XRD của mẫu  -TCP chưa nung ......................................63
Phụ lục 21 Kết quả đo XRD của mẫu  -TCP nung ở nhiệt độ 1150oC.................. 64
Phụ lục 22 Kết quả đo XRD của mẫu  -TCP nung ở nhiệt độ 1200oC.................. 65
Phụ lục 23 Kết quả đo XRD của mẫu  -TCP nung ở nhiệt độ 1250oC.................. 66

xii


LỜI NÓI ĐẦU


Cùng sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật ngày nay những yêu cầu về cuộc sống
cũng càng cao hơn. Trong đó, vấn đề về sức khỏe của con người được đặt lên hàng
đầu. Việc chữa trị bệnh, đăc biệt là việc cấy ghép xương cho con người đòi hỏi cần
sử dụng đến các loại vật liệu khác nhau như kim loại, hợp kim,… Tuy nhiên, người
ta cũng dần phát hiện ra một vài tác dụng không tốt của các loại vật liệu này như
khả năng tương thích sinh học thấp, không có sự liên kết chặt chẽ với xương,… nên
các nghiên cứu sau này hướng đến các loại vật liệu có tính tương thích sinh học cao.
Bioceramics hay gốm y sinh là loại vật liệu có tính tương thích sinh học cao và
được sử dụng nhiều trong các thủ thuật y tế mà quan trọng là một số phẫu thuật cấy
ghép. Một trong những loại gốm y sinh được nhiều ứng dụng trong lĩnh vực chỉnh
hình và nha khoa đó là Tricalcium phosphate (TCP). So với các loại vật liệu sử
dụng trong các thủ thuật của xương, răng trước đây TCP có những tính chất tốt hơn
như trơ trong môi trường cơ thể người, khả năng hoạt động sinh học tốt, có màu sắc
sáng trắng và bền cơ học…
Ở Việt Nam hiện nay, Tricalcium phosphate được sử dụng nhiều trong các thủ
thuật như thay thế xương bả chè, xương hông, răng,…Tuy nhiên, các quy trình tổng
hợp để sản xuất TCP ứng dụng trong lĩnh vực y học vẫn chưa được công bố nhiều.
Trong bài viết này sẽ trình bày về phương pháp tổng hợp TCP và khảo sát những
điều kiện để tổng hợp TCP.

xiii


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

Bioceramics hay vật liệu gốm y sinh là vật liệu kỹ thuật vô cơ phi kim loại
được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. Vật liệu gốm y sinh bao gồm vật liệu có tính
trơ như alumina (Al2O3), Zirconia (ZrO2), vật liệu có phản ứng bề mặt như thủy tinh
sinh học và vật liệu có tính tự phân hủy sinh học như tricalcium phosphate (TCP,
Ca3(PO4)2), hydroxy apatite (HA,Ca10(PO4)6(OH)2) [7]. Vật liệu gốm y sinh được sử
dụng nhiều trong các thủ thuật cấy ghép chỉnh hình, nha khoa. Sau nhiều nghiên
cứu khác nhau cho thấy HA là vật liệu thích hợp để thay thế cho xương, HA có
thành phần khoáng và quá trình hình thành gần giống xương tự nhiên. HA được
hình thành hay chuyển hóa từ TCP thông qua quá trình thủy phân, HA là dạng muối
kép giữa 3Ca3(PO4)2 – Ca(OH)2 [8]. Trong quá trình cấy ghép chỉnh hình thường sử
dụng TCP và có trộn lẫn một lượng HA, sau khi cấy ghép TCP chuyển quá hình
thành HA gần giống hình thành xương non.
Ở Việt Nam, tricalcium phosphate được một số bệnh viện sử dụng làm vật liệu
cấy ghép thay thế xương khiếm khuyết. Nhưng những nghiên cứu và quy trình tổng
hợp TCP vẫn chưa được công bố nhiều. Từ những vần đề trên cho thấy đề tài
“Tổng hợp tricalcium phosphate (TCP) ứng dụng trong bioceramics” là hoàn
toàn cấp thiết và được em chọn để thực hiện với mong muốn góp một phần vào lĩnh
vực bioceramics. Mục tiêu chính của đề tài chủ yếu để khảo sát các yếu tố ảnh
hưởng đến quá trình tổng hợp  -TCP dạng bột có kích cỡ nhỏ và khảo sát nhiệt độ
nung để  -TCP chuyển hóa thành  -TCP.
Bài viết về đề tài “Tổng hợp tricalcium phosphate (TCP) ứng dụng trong
bioceramics” được chia làm 5 chương:
 Chương 1 Giới thiệu chung: sẽ trình bày sơ lược về bioceramics và
mục đích đề tài thực hiện.

 Chương 2 Tổng quan (lược khảo tài liệu): sẽ trình bày về lý thuyết
xung quanh về biocramics và tricalcium phosphate (TCP). Ở chương
này sẽ nói rõ về lịch sử phát triển, phân loại, một số tính chất cơ học và

1


Chương 1 Giới thiệu chung

 khả năng tương thích sinh học cao của vật liệu gốm y sinh. Tiếp theo
chương 2 sẽ trình bày lý thuyết TCP về tính chất, cầu trúc, những
phương pháp tổng hợp TCP và ứng dụng của TCP.
 Chương 3 Phương tiện và phương pháp thí nghiệm: trình bày về những
dụng cụ và thiết bị phục vụ cho đề tài. Chương này cũng nói về
phương pháp thực hiện thí nghiệm, một số phương pháp đo đạc để lấy
số liệu.
 Chương 4 Kết quả và bàn luận: trình bày và bàn luận về những kết quả
có được sau khi tiến hành thí nghiêm.
 Chương 5 Kết luận và kiến nghị: trình bày ngắn gọn những kết quả thu
được sau khi tiến hành thí nghiệm, nêu những kiến nghị cho những
nghiên cứu tiếp theo.

SVTH: Lê Hoàng Thiện

2


CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 Giới thiệu về Bioceramics [1]

2.1.1 Lịch sử phát triển
Lịch sử phát triển của bioceramics có nhiều điều thú vị. Bioceramics được biết
đến rộng rãi thông qua thạch cao Paris, CaSO4.H2O. Năm 1892, Dreesman đã công
bố báo cáo đầu tiên về việc sử dụng thạch cao Paris phục hồi khiếm khuyết xương.
Theo sau đó, hàng loạt những nghiên cứu về thạch cao Paris trong suốt thập niên
1950. Tính chất tuyệt vời của thạch cao Paris là ít hay không gây ra phản ứng có hại
cho cơ thể sống. Tuy nhiên, thạch cao Paris lại có cơ tính thấp và bị phân hủy sinh
học nhanh chóng trong môi trường sinh lý chính vì thế đã làm hạn chế đi ứng dụng
của thạch cao Paris.
Năm 1920, Albee và Morrison đã công bố báo cáo sử dụng thành công
tricalcium phosphate, Ca3(PO4)2 trong việc phục hồi khiếm khuyết xương. Trong
nghiên cứu này, khoảng thời gian trung bình để xương khiếm khuyết hồi phục được
tăng lên từ 41 ngày còn 31 ngày. Ngoài ra, báo cáo còn khẳng định không phải tất
cả các loại muối canxi đều có thể sử dụng được. Ví dụ, khi nghiên cứu sử dụng
canxi hydroxide đã cho thấy nó có xu hướng kìm hãm việc hinh thành xương non.
Năm 1971, Smith đã công bố báo cáo nghiên cứu về Cerosium, bao gồm một
gốm xốp aluminat được tẩm vào nhựa epoxy có khoảng 48% độ xốp để cho
Cerosium có tính chất gần giống xương tự nhiên. Trong năm 1971, nghiên cứu về
thủy tinh sinh học của Hench và các cộng tác đã được công bố. Thủy tinh sinh học
được định nghĩa là loại thủy tinh có thể liên kết trực tiếp với xương thông qua phản
ứng bề mặt silica, calcium, và các nhóm phosphate trong môi trường pH kiềm.
Nhưng sau nhiều nghiên cứu cho thấy, thủy tinh sinh học có động học phản ứng
thấp do đó nó sẽ kéo dài thời gian phục hồi xương.
Sự phát triển của các ứng dụng vật liệu gốm y sinh tập trung chủ yếu ở lĩnh
chỉnh hình và nha khoa. Trong lĩnh vực chỉnh hình, bioceramics có nhiều tính chất
hóa học giống xương tự nhiên hơn so với các loại vật liệu khác. Tương tự, nha khoa
ứng dụng gốm y sinh dựa vào sự tương tác giống nhau của vật liệu thiết kế và răng.
Ngoài ra, gốm y sinh có khả năng tốt.

3

Chương 2 Tổng quan

2.1.2 Phân loại Bioceramics
Dựa trên những hoạt tính hóa học trong môi trường sinh lý của các
bioceramics ta có thể chia nó ra thành ba loại như ở bảng 2.1.

Bảng 2.1: Phân loại bioceramics
Loại bioceramics
Chất có hoạt tính trơ

Chất điển hình
Al2O3, ZrO2
Thủy tinh y sinh

Chất có phản ứng bề mặt
[Na2O(CaO)(P2O3)(SiO2)]
Chất hấp thụ lại

Ca3(PO4)2

Hình 2.1 Cấu trúc nhôm ôxít (Al2O3)

Tính chất của 3 loại bioceramics trên được mô tả qua hình 2.1. Trong đó, chất
có hoạt tính trơ như Al2O3 có tương phản ứng hay phản ứng tương đối trong môi
trường sinh lý thấp. Tính chất này có thể thấy thông qua cấu trúc bền vững của
mạng tinh thể Al2O3 làm cho nó khó xảy ra phản ứng trong môi trường sinh lý.
Phản ứng của chất có hoạt tính trơ trong môi trường sinh lý đạt đỉnh cao nhất trong
khoảng 104 ngày ( hơn 250 năm). Chất phản ứng trên bề mặt có độ phản ứng tương

đối cao hơn, nó có phản ứng đạt đỉnh cao nhất trong khoảng 100 ngày. Cuối cùng,
chất hấp thu lại như tricalcium phosphate có hoạt tính cao nhất, phản ứng tương đối
của nó đạt đỉnh cao nhất trong khoảng 10 ngày.

SVTH: Lê Hoàng Thiện

4


Chương 2 Tổng quan

Độ phản ứng
tương đối

Chất hấp thu lại

Chất có phản
ứng bề mặt
Chất có hoạt tính trơ
0,1

1

10

100

1000

10 4

10 5

Thời gian,
ngày

Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn độ phản ứng tương đối theo thời gian [1]

2.1.3 Tính chất cơ học Bioceramics
Để vật liệu bioceramics ứng dụng được vào cơ thể người, trước tiên phải
khảo sát tính chất cơ học của chúng để xác định khả năng thay thế được phần xương
khiếm khuyết của cơ thể người, một số tính chất cơ học được quan tâm bao gồm
như độ bền uốn, độ bền kéo, modun đàn hồi, khả năng chịu hao mòn, khả năng
chống ăn mòn,…
Khi một vật chịu tác động của ứng suất kéo hoặc nén trên một đơn vị diện
tích nhỏ, vật đó sẽ phản ứng lại bằng cách biến dạng theo tác động của lực tác dụng
là dãn ra hay nén lại. Trong vùng biến dạng đàn hồi, độ biến dạng tỉ lệ thuận với
ứng suất tác dụng. Hệ số tỉ lệ này gọi là mô đun đàn hồi. Mô đun đàn hồi của một
vật thể được xác định bằng độ dốc của đường cong ứng suất – biến dạng ở hình 2.3
trong vùng biến dạng đàn hồi [13].

SVTH: Lê Hoàng Thiện

5


Ứng suất, MPa

Chương 2 Tổng quan

Biến dạng, mm
Hình 2.3 Đường cong ứng suất – biến dạng
Độ bền uốn là một khái niệm để chỉ trạng thái giới hạn bị cong vênh của vật
liệu khi vật liệu đó chịu ứng suất uốn. Một vật liệu bị biến dạng đàn hồi trước khi
đến giới hạn uốn, và vật liệu sẽ trở lại trạng thái ban đầu khi mà tải trọng bị loại bỏ
khỏi vật liệu đó. Khi vật liệu vượt qua giới hạn bề uốn vật liệu sẽ bị cong vênh vĩnh
viễn (có thể gãy vật liệu).[14]
Độ bền nén là khả năng chịu được lực ép tác động lên nó hay nói cách khác
độ bền nén là giới hạn ứng suất nén làm vật liệu bị biến dạng hay phá hủy.[15]

Độ bền kéo có thể hiểu đơn giản là khi tác động một lực tăng dần lên một vật
liệu dạng sợi hay dạng trụ và làm đứt vật liệu đó. Giá trị độ bền kéo ký hiệu  k là
giá trị lực kéo trước khi vật liệu đứt.[14]

k 

F
A

(N/mm2)

F : là lực kéo (N)
A: là tiết diện của vật liệu (mm 2)

SVTH: Lê Hoàng Thiện

6


Chương 2 Tổng quan

Bảng 2.2: Tính chất cơ học một số bioceramic [7]
Modun đàn hồi

Độ bền nén

Độ bền kéo

(GPa)

(MPa)

(MPa)

Tinh thể Al2O3

380

4500

350

Thủy tinh sinh học

22

500

56 - 83

Calcium phosphate

18 - 28

517

280 - 560

Loại vật liệu

Vật liệu chống hao mòn là khả năng vật liệu chống lại sự phá hoại dần dần
bề mặt ma sát, thể hiện ở sự thay đổi kích thước dần dần theo thời gian. Trong quá
trình hao mòn không xảy ra sự phá hoại vật liệu gốc mà chỉ xảy ra sự phá hoại trên
lớp bề mặt chi tiết (gọi là lớp cấu trúc thứ cấp) [1].
Vật liệu chịu ăn mòn là khả năng không bị ăn mòn hoặc bị ăn mòn ít trong
môi trường (axit, bazơ, trung tính). Người ta phân biệt hai loại ăn mòn vật liệu là ăn
mòn hóa học và ăn mòn điện hóa.
2.1.4 Khả năng tương thích của vật liệu trong môi trường sinh lý của người [1]
Ngày nay, xác định một loại vật liệu để ứng dụng vào trong y học –
Bioceramics ngày càng đòi hỏi nhiều hơn những tính chất cơ học như độ cứng, độ
dẻo dai, độ hao mòn hay khả năng chịu ăn mòn mà chúng ta cần phải quan tâm đến
khả năng tương thích của nó trong cơ thể người.
Thông thường, chúng ta cấy ghép một loại vật liệu lạ vào cơ thể người theo
dự kiến là vài năm hay càng lâu càng tốt. Khi cơ thể có sự thay đổi sẽ sinh ra một
hay nhiều loại ion có hại theo thời gian cơ thể sẽ bắt đầu quá trình thải loại. Do đó,
khi lựa chọn một loại vật liệu cấy ghép phải tính đến khả năng tương thích của nó
trong cơ thể.
Tất cả các sinh vật sống hiện nay đều đã trải qua quá trình tiến hóa lâu dài.
Trong cơ thể mỗi loài sinh vật đều có một hệ thông miễn dịch tiệu diệt những tác
nhân gây hại tới cơ thể sống. Vì thế, một loại vật liệu muốn cấy ghép vào cơ thể

phải trải qua hàng loạt những nghiên cứu về khả năng tương thích của nó trong cơ
thể sống. Thực tế hiện nay, thay vì tìm một loại vật liệu có cơ tính tốt nhưng không
tồn tại lâu dài trong cơ thể thì người ta ưa chuộng một loại vật liệu có khả năng

SVTH: Lê Hoàng Thiện

7


Chương 2 Tổng quan

tương thích cao với thành phần khoáng chất gần giống như thành phần đã mất đi
của cơ thể sống.
Hiện nay, người ta đã có một bước đột phá to lớn trong lĩnh vực xương và
chỉnh hình khi phát hiện ra một loại vật liệu có quá trình hình thành gần giống như
xương người và có độ tương thích cao trong cơ thể. Đó là hydroxyapatite,
Ca10(PO4)6(OH)2 và cũng là chất được chuyển hóa từ quá trình thủy phân tricalcium
phosphate (TCP).
4Ca3(PO4)2 + 2H2O = Ca10(PO4)6(OH)2 + 2Ca2+ + 2HPO42-

2.2 Giới thiệu về Tricalcium phosphate (TCP)
Tricalcium phosphate là một Bioceramic có công thức phân tử Ca3(PO4)2. Nó
còn được gọi là tribasic canxi photphat hoặc là tro xương ( TCP là một trong những
sản phẩm chính của quá trình đốt cháy xương) “xem hình 2.3”. TCP được tìm thấy
trong tự nhiên ở trạng thái rắn tinh thể nằm trong răng, xương của động vật có
xương sống hay các loại khoáng sản đặc biệt là quặng apatit, nó thường có công
thức Ca5(PO)3X (X là F, Cl, OH hoặc hỗn hợp), nếu X là OH thì gọi là
Hydroxyapatite (HA). [16]

2.2.1 Cấu trúc của TCP

TCP ở trạng thái tinh thể tồn tại hai cấu trúc  -TCP và  -TCP.  -TCP được
hình thành từ quá trình tổng hợp trong điều kiện thường, một cách dễ hiểu hơn là
hình thành ở nhiệt độ thấp. Trong khi đó,  -TCP được tổng hợp ở nhiệt độ cao
(khoảng trên 1200oC). Trong tự nhiên có thể tìm thấy  -TCP trong khoáng
Whitlockite. Whitlockite là một loại khoáng sản tương đối hiếm thường được tìm
thấy trong quặng đá phosphate hay đá hoa cương pegmatites có công thức phân tử
Ca9(MgFe)(PO4)6PO3OH, không màu hoặc có màu xám – trắng…, có độ cứng là 5
(theo Mohs). [16]
Dựa vào phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X ta biết được dữ liệu về cấu trúc
mạng tinh thể của hai trạng thái TCP:
 Cấu trúc ô mạng tinh thể của  -TCP thuộc dạng lục phương trình bày
hình 2.4 với thông số ô mạng tinh thể trong hệ tọa độ ba chiều như sau: a = b
0

0

= 10,4352 A ; c = 37,4029 A ;  =  = 90o;  = 120o. [5]

SVTH: Lê Hoàng Thiện

8


Chương 2 Tổng quan

Hình 2.4 Cấu trúc tinh thể dạng lục phương [2]

 Cấu trúc ô mạng tinh thể của  -TCP cũng thuộc dạng hình lục phương
với thông số ô mạng trong hệ tọa độ ba chiều như sau: a = 12,87271; b =
27,28034; c = 15,21275;  =  = 90 o;  = 126,2078o .[6]

Dựa vào thông số của hai loại cấu trúc cho thấy  -TCP gần giống như là một
dạng nới lỏng của  -TCP, và mật độ của nó cũng nhỏ hơn so với  -TCP. [6]

2.2.2 Tính chất vật lý của TCP [16]
Tricalcium phosphate có dạng bột vô định hình màu trắng như hình 2.5, có
phân tử lượng 310,18 g/mol, nóng chảy 1391oC.

Hình 2.5 Bột Tricalcium phosphate

SVTH: Lê Hoàng Thiện

9


Chương 2 Tổng quan

2.2.3 Các phương pháp tổng hợp TCP [2]
Tổng hợp TCP đi theo hai nguồn từ tự nhiên hay từ các hóa chất tinh khiết.
Tổng hợp TCP theo nguồn tự nhiên là việc tạo ra TCP từ các loại khoáng như
apatit hoặc Whitlockite. Từ các nguồn này TCP được hình thành và nằm lẫn trong
các khoáng trên do đó phải qua quá trình làm sạch để thu được TCP sạch. Trong
phương pháp này ta sẽ thu được TCP tương đối sạch và chỉ thường dùng cho các
ngành sản xuất hóa chất khác như photpho hoặc axit photphoric do đó ta sẽ không
tìm hiểu sâu vào phương pháp này.
Tổng hợp TCP từ các hóa chất tinh khiết là việc tạo ra TCP từ các hóa chất
ban đầu có độ tinh khiết cao và tạo ra được TCP cũng có độ tinh khiết cao. Việc
tổng hợp này là một lĩnh vực khá rộng do ta có thể sử dụng nhiều loại hóa chất khác
nhau để tạo ra TCP nhưng việc tạo ra TCP vẫn theo một nguyên lý chung là tạo ra
HA rồi sau đó chuyển HA thành  -TCP hay  -TCP bằng cách làm mất nước HA.
Trong quá trình tạo ra TCP phải giữ độ pH từ khoảng 9-11 (thường sử dụng NH4OH

làm môi trường phản ứng). Các hóa chất tinh khiết thường được sử dụng như:
Ca(NO3)2.4H2O, (NH4)2HPO4, H3PO4, Ca4(PO4)2O, CaHPO4… Phản ứng minh họa
khi ta sử dụng tác chất ban đầu là Ca(NO3)2.4H2O, (NH4)2HPO4 phản ứng trong môi
trường NH3.
10Ca(NO3)2 +6(NH4)2HPO4 +8NH3 aq+H2O = 3Ca3(PO4)2 +CaCO3+20NH4NO3

Quá trình tổng hợp TCP đi từ các hóa chất tinh khiết Ca(NO3)2.4H2O,
(NH4)2HPO4 phản ứng trong môi trường NH3 có thể được biểu diễn đơn giản hơn
thông qua sơ đồ khối trình bày hình 2.5.

SVTH: Lê Hoàng Thiện

10


Chương 2 Tổng quan

Ca(NO3)2.4H2O

Tác chất

(NH4)2HPO4

Khuấy

Lọc lấy kết tủa

Sấy

 -TCP

Hình 2.6 Sơ đồ khối quá trình tổng hợp TCP

TCP được sản xuất theo phương pháp tổng hợp này có độ tinh khiết cao, kích
cỡ hạt tốt, lỗ xốp trung bình, chúng thường được ứng dụng cho các ngành thực
phẩm, y tế…

2.2.4 Một số loại calcium phosphote trong lĩnh vực y học [3]
Calcium phosphate hay calcium orthophosphate (CaP) là những hợp chất có
chứa ion PO43-. Những hợp chất này có tầm quan trọng rất lớn trong lĩnh vực y học,
nông nghiệp (phân bón), sắc ký, công nghệ thực phẩm,...

2.2.4.1 CaP hình thành nhiệt độ thấp
CaP hình thành ở nhiệt độ thấp ít được sử dụng để thay thế cho xương, nó chủ
yếu dùng để điều chế ra loại CaP tạo ra ở nhiệt độ cao. Ví dụ,  -TCP có thể được
tạo thành khi ta nung hỗn hợp DCPD và PHA ( tỉ lệ Ca:P = 1,67). Việc phát hiện ra
xi măng calcium phosphate (CPC) năm 1980 của Brown và Chow đã làm tăng ứng
dụng của CaP nhiệt độ thấp vào trong xương. CPC là hỗn hợp bột CaP và nước ở
nhiệt độ thấp sẽ hình thành một chất CaP mới có ảnh hưởng và phản ứng trong cơ

SVTH: Lê Hoàng Thiện

11


Chương 2 Tổng quan

thể sinh vật khác so với hai chất CaP ban đầu. CaP nhiệt độ thấp còn bao gồm luôn
các thành phần của CPC. Hơn nữa, sản phẩm cuối cùng của phản ứng trong hỗn hợp
CPC luôn là một CaP nhiệt độ thấp. Những loại CaP nhiệt độ thấp phổ biến sử dụng
trong cơ thể người: DCPD, OCP, PHA, ... được trình bày cụ thể ở bảng 2.3.

Bảng 2.3: Một số hợp chất CaP hình thành nhiệt độ thấp
Tỉ lệ

Số thư
tự

Tên hóa học

1

Monocalcium phosphate
monohydrate

2

Công thức hóa học

Ký hiệu
Ca/P

Ca(H2PO4)4.H2O

0,5

MCPM

Dicalcium phosphate

CaHPO4

1

DCP

3

Dicalcium phosphate
dihydrate

CaHPO4.2H2O

1

DCPD

4

Octocalcium phosphate

Ca8H2(PO4)6.5H2O

1,33

OCP

5

Precipitated
hydroxyapatite

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6x(OH)2-x

1,5-1,67

PHA

6

Amorphous calcium
phosphate

1,5

ACP

Ca3(PO4)2.nH2O
n = 3 - 4,5

 Monocalcium phosphate monohydrate (Ca(H2PO4)4.H2O, MCPM): là loại
CaP có tính axit và độ tan tốt nhất trong hầu hết các giá trị pH. Do đó, nó không có
tính tương thích sinh học nên không thể sử dụng MCPM tinh khiết thay thế cho
xương. Tuy nhiên, MCPM có thể sử dụng làm chất cơ bản để tạo ra các CaP nhiệt
độ cao.
 Dicalcium phosphate (CaHPO4, DCP): là loại bột CaP đã được kiểm tra và
chứng thực chúng có tính tương thích sinh học và phân hủy sinh học. DCP đã được
báo cáo là có hiện diện trong mô sẹo gãy và có trong xương. DCP được tạo thành
bằng phương pháp tái kết tinh của DCPD và tạo ra nhanh hơn so với phương pháp

SVTH: Lê Hoàng Thiện

12