Thiết lập mô hình vật lý mô tả sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình chế tạo bột hydroxyapatit siêu mịn

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
-----------------------------------------

Luận văn thạc sỹ khoa học

Thiết lập mô hình vật lý mô tả sự ảnh hưởng
của các yếu tố công nghệ đến quá trình chế
tạo bột hydrôxyapatit siêu mịn
Ngành : công nghệ hoá học

Nguyễn thanh hoàng

Hà nội 2007


Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
-----------------------------------------

Luận văn thạc sỹ khoa học

Thiết lập mô hình vật lý mô tả sự ảnh hưởng
của các yếu tố công nghệ đến quá trình chế
tạo bột hydrôxyapatit siêu mịn
Ngành : công nghệ hoá học

Nguyễn thanh hoàng

Người hướng dẫn khoa học : TS . TRầN Đại lâm

Hà nội 2007


Đại học Bách khoa Hà Nội

1

Luận văn thạc sĩ khoa học

Mục lục
Mục lục

1

Ký hiệu và chữ viết tắt trong luận văn

4

Mở đầu

6

Phần 1 . Tổng quan

8

I. Giới thiệu về Vật liƯu y sinh Hydr«xyapatite (HAp).

8

I.1 Nguồn gốc

8

I.2 Đặc trưng và cu trỳc ca Hap

11

I.2.1 Đặc trưng v cấu trúc

11

I.2.2 Một sè tÝnh chÊt cđa Hap

14

I.3 Hoạt tính sinh học và ng dng ca Hap

15

II. Các phương pháp tổng hợp Hap

20

II.1 Phng phỏp vt lý

20

II.2 Phng phỏp hoỏ hc

20

II.2.1 Phương pháp kết tủa

21

II.2.2 Phương pháp sol gel

22

II.2.3 Phương pháp composite

25

II.2.4 Phương pháp hóa nhiệt

26

II.2.5 Phương pháp cơ hóa

26

III. tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam

27

III.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

27

III.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

28

III.3 Mục tiêu, tính mới và tính thực tiễn của luận văn

29

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

2

III.3.1 Mục tiêu của luận văn

29

III.3.2 Tính mới

29

III.3.3 Tính thực tiễn

30

Phần 2. Thực nghiệm

31

I. Qui trình thực nghiệm
I.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm.

31

I.1.1 Hóa chất

31

I.1.2 Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm

31

I.2 Tổng hợp HAp dạng bột theo phuơng pháp kết tủa

32

II. Phương pháp nghiên cứu

32

II.1 Phương pháp mô hình

32

II.1.1 Khái niệm chung

32

II.1.2 Các bước thiết lập mô hình vật lý

39

II.2 Các phương pháp hoá lý

42

II.2.1 Phân tích bằng phng pháp nhiu x tia X (XRD)

42

II.2.2 Phân tích bằng phương pháp tán xạ Lase (DLS)

44

II.2.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử

45

Phần 3 . Kết quả và thảo luận

49

I. Mô hình vật lý mô tả ảnh hưởng của các yếu tố công
nghệ đến đường kính hạt kết tủa

49

d

I.1 Đặt vấn đề

49

I.2 Lập các chuẩn số

50

I.3 Tìm các thông số của mô hình

56

I.4 Từ những điều kiện thực nghiệm tính các thông số cụ thể

57

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

3

I.5 Xác định các tham số C và i từ các dữ liệu đo

63

II.Thiết lập mô hình vật lý mô tả ảnh hưởng của các yếu tố
công nghệ đến độ tinh thể Xc

66

II.1 Lập các chuẩn số

67

II.2 Tìm các thông số của mô hình

73

III. Kiểm tra tính tương hợp của mô hình

76

KếT luận

80

Hướng phát triển

81

Lời cảm ơn

82

Tài liệu tham khảo

83

Phụ lục

86

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

4

Ký hiệu và chữ viết tắt trong luận văn
Ký hiệu

Nội dung

d

Đường kính hạt kết tủa

dk

Đường kính cánh khuấy

D

Đường kính thiết bị phản ứng

hk

Chiều cao cánh khuấy tính

H

Chiều cao khối dung dịch

C1

Nồng độ dung dịch Ca(NO3)2

C2

Nồng độ của dd (NH4)2HPO4

C3

Hàm lượng dung môi

pH

pH của dung dịch phản ứng

dd

Khối lượng riêng pha lỏng

r

Khối lượng riêng pha rắn

Ddd

Hệ số dẫn khối của dung dịch

Ddm

Hệ số dẫn khối của dung môi

dd

Độ nhớt động học chất lỏng

n

Tốc độ khuấy

T

Nhiệt độ phản ứng

t

Thời gian cấp (NH4)2HPO4



Thời gian già hoá

v

Tốc độ cấp dung dịch (NH4)2HPO4

G

Gia tốc trọng trường



dd

Sức căng bề mặt của dung dịch



Góc thấm ướt

dd

Hệ số dẫn nhiệt pha lỏng

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Ho¸ Häc


Đại học Bách khoa Hà Nội

5

Luận văn thạc sĩ khoa häc

λr

HƯ sè dÉn nhiƯt pha r¾n

λ dm

HƯ sè dÉn nhiƯt của dung môi

Cdd

Nhiệt dung riêng của dung dịch

Cr

Nhiệt dung riêng pha rắn

Cdm

Nhiệt dung riêng của dung môi

Hap : Hydrôxyapatit
OCP : Octa canxiph«tphat
DCPD : Di canxiph«tphat dihydrate
α-TCP : α- Tri canxiph«tphat
β-TCP : - Tri canxiphôtphat
ACP

: Amôphôt Canxiphôtphat

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Ho¸ Häc


Đại học Bách khoa Hà Nội

6

Luận văn thạc sĩ khoa học

Mở đầu
Ngày nay, sự phát triển vật liệu và công nghệ vật liệu đang trở thành một
trong những vấn đề then chốt trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất
nước. Tất cả các ngành kỹ thuật đều phải sử dụng vật liệu và ngày càng tìm ra
nhiều loại vật liệu mới, có tính năng riêng, đáp ứng những đổi mới về chất lượng
sản phẩm hoặc tạo ra sản phẩm mới. Vật liệu và công nghệ vật liệu là hai vấn đề

gắn kết, không thể tách rời để chế tạo ra sản phẩm chất lượng cao cho xà hội.
Những phát hiện mới về vật liệu sẽ tạo ra tiền đề để phát triển công nghệ vật liệu.
Ngày nay cùng víi sù tiÕn bé v­ỵt bËc cđa khoa häc kü thuật nói chung, khoa
học và công nghệ vật liệu cũng đang trên đà chiếm lĩnh đỉnh cao của trí tuệ loài
người. Những vật liệu mới như vật liệu siêu dẻo, siêu dẫn, vật liệu nhớ hình, vật
liệu quang điện tử, vật liệu compozit, Đặc biệt là vật liệu có kích thước
nanômét cũng đang trên đà phát triển nhanh chóng trong hầu hết các lĩnh vực.
Hydrôxyapatit (HAp) là một vật liệu có tính tương thích sinh học cao. Nó là
thành phần vô cơ chủ yếu của xương và răng người. Vì vậy HAp đà trở thành vấn
đề nghiền cứu rộng lớn của sinh học, lý học và hoá học. Và đà trở thành một
phạm vi nghiên cứu mạnh mẽ, tích cực của nhiều ngành khoa học và đà có những
bước tiến nhanh chóng suốt những năm qua. Khi đạt kích thước nanômét
hydrôxyapatit đà cải thiện được những yếu điểm của nó.
Trong luận văn tốt nghiệp này với yêu cầu của đề tài và phạm vi của luận văn
tôi đà hoàn thành được những nội dung chính sau:
- Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu mịn Hydrôxyapatit bằng phương pháp
kết tủa từ Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4.
- Thiết lập mô hình vật lý mô tả sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ tới
kích thước tinh thể d và độ tinh thể Xc.
- Kiểm tra tính tương hợp của mô hình.

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

7

Luận văn thạc sĩ khoa học

Tuy đà có nhiều cố gắng nhưng khả năng còn hạn chế nên luận văn này còn
nhiều thiếu xót tôi rất mong các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp bổ sung và đóng
góp ý kiến để được hoàn thiện hơn.

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa häc

8

PhÇn 1 . Tỉng quan
I. Giíi thiƯu vỊ vËt liƯu y sinh Hydrôxyapatit (HAp).
I.1 Ngun gc.
Hydrôxyapatite (HAp) là một muối kép của 3 canxiphôtphat và
canxihydrôxit. Đồng dạng tự nhiên của nó là floapatit Ca10(PO4)F2 là một phần
trong họ những chất đồng dạng. Nó là thành phần vô cơ chủ yếu của xương và
răng người. Vì vậy HAp đà trở thành vÊn ®Ị nghiỊn cøu réng lín cđa sinh häc, lý
häc và hoá học. Và đà trở thành một phạm vi nghiên cứu mạnh mẽ, tích cực của
nhiều ngành khoa học và đà có những bước tiến nhanh chóng suốt những năm
qua. Sự nỗ lực đó nhằm vào những chỗ khuyết thiếu để đưa ra một cái nhìn toàn
diện, cập nhật thông tin trên những mặt chủ yếu của HAp như : điều kiện hình
thành, kỹ thuật điều chế, nghiên cứu những đặc tính..v.v. Việc thay thế ion dẫn
đến sự hình thành một vài đồng dạng của chúng. Vai trò của nó trong thành phần

độc của xương và răng người. Đó là những ý nghĩa sinh học nhằm tạo ra sự cân
bằng [11].
Cỏc apatite canxiphôtphat l hp cht bn hoỏ, cú thành phần tương tự các
chất khống trong xương. Canxiph«tphat tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, tùy
thuộc vào tỷ lệ Ca/P mà ta có các pha khác nhau. Một số pha của canxiphơtphat
được chỉ ra trong bảng 1.1 Sự hình thành các pha phụ thuộc và các yếu tố như: tỷ
lệ Ca/P, pH, sự hiện diện của nước, nhiệt độ và độ tinh khiết của nguyªn liƯu.
Điều chỉnh các yếu tố trên ta sẽ thu được các pha như mong muốn.
Canxiph«tphat có chứa các ion thường thấy trong mơi trường dịch máu. iu ny
ó to s tng thớch sinh hc cao của vật liệu. Ngoài ra, vật liệu loại này có khả
năng chống lại sự tấn cơng của vi khuẩn, sự thay đổi pH và điều kiện dung mơi.

Ngun Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

9

Luận văn thạc sĩ khoa häc

Tuy nhiên, nhóm vật liệu canxiph«tphat có tính bền cơ thấp, diện tích bề mặt
riêng nhỏ (2 - 5 m2/g) và liên kết giữa các tinh thể bền chặt. Trong khi đó, các
thành phần khống trong xương (kích thước nano) có diện tích bề mặt riêng lớn,
chúng được phát triển trong môi trường hữu cơ, liên kết giữa các tinh thể lỏng
lẽo. Đặc điểm này đã tạo sự khác nhau về khả năng hấp thụ của chúng [11].
Hydr«xyapatite (HAp) có màu trắng hoặc vàng nhạt và là thành phần chính
trong xương, men răng và các mô cứng của các động vật có vú. Khi phân tích

thành phần xương người, kết quả nhận được là xương có chứa tới 69% là khống
vơ cơ, phần cịn lại là nước và các chất hữu cơ [5]. Các phần vô cơ trong xương
chủ yếu là khống apatite của canxi và phơtphat, khoảng 34.8% khối lượng của
xương là Ca2+ và 15.2% là P. Ngoài ra còn một lượng nhỏ các chất khác như:
Na+, Mg2+, K+, CO32-, F-, Cl-...
Bảng 1.1 Các pha của canxiphơtphat
Tỷ lệ

Pha

Ca/P

canxiph«tphat

Cơng thức phân tử

Dạng tinh thể

Nhóm
khơng gian

Sáu phương
1.67

Hydroxyapatite
HAp

Ca10(PO4)6(OH)2

a = 9.43

P63/m

b = 9.43
c = 6.88
Tam tà

1.33

Octacalcium
ph«tphat,
OCP

Ca4H(PO4)3.2.5H2O a = 19.69 α = 90.15
b = 9.52 β = 92.45
c = 6.83

γ = 08.65

Dicalcium

Đơn tà

ph«tphat

a = 5.18

Nguyễn Thanh Hoàng

P1

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội
1

dihydrate,

10

CaHPO4.2H2O

DCPD

Luận văn thạc sĩ khoa häc
b = 15.18

C2/c

c = 6.24
β =116.42

(Brushite)

Đơn tà
α-Tricalcium
ph«tphat,

2

a = 12.89
α-Ca3(PO4)2

α-TCP

b = 27.28

P21/a

c = 15.22
β =126.20

β-Tricalcium
2

ph«tphat,

Sáu phương
β-Ca3(PO4)2

β-TCP

a = 10.43

R3c

b = 10.43
c = 37.38

Trong các pha canxiph«tphat thì pha hydr«xyapatite có khả năng phân hủy
chậm nhất, điều này đãn đến khả năng ứng dụng trong y học của HAp là nhiều
nhất. Vì ngồi khả năng tương thích thì HAp cịn hịa tan trong môi trường cơ
thể chậm để tế bào xương phát triển
Trong y học, HAp có thể được sử dụng trực tiếp dưới dạng bột hay dạng vật
liệu ceramic. Ở dạng ceramic, khả năng chịu lực cũng như tính bền của HAp
được nâng cao đáng kể, có thể dùng như một bộ phận trong cơ thể người: vật
liệu thay thế sụn mũi, sụn tai, tái tạo hàm mặt... Khi sử dụng dạng bột, HAp
được phun lên bề mặt vật liệu cấy ghép kim loại để cấy ghép vào những bộ phận
chịu lực nhằm tăng khả năng tương thích của vật liệu cấy ghép mà vẫn đảm bảo
khả năng chịu lực của vật liệu, hoặc được dùng làm vật liệu trám trực tiếp trong
ngành răng hàm mặt và đỉnh xương sọ, chúng cũng c trn vi polymer to
composit.

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Häc


Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa häc

11

I.2 Đặc trưng và cấu trúc của HAp.
I.2.1 Đặc trưng và cấu trúc.
Những đặc tính cấu trúc cơ bản của HAp đã được Jong , Meheml và NaraySzabo nghiên cứu một cách độc lập với nhau. Bằng việc phân tích bằng phổ
nhiễu xạ tia X, Jong dã chỉ ra rằng những khống trong xương có thành phần
giống với HAp tự nhiên. Trong bản nghiên cứu đầu tiên vể phổ nhiễu xạ tia X

của mình, Jong đã đưa ra được phổ XRD của các tinh thể apatite trong xương
nhưng vẫn còn rất mập mờ. Tuy nhiên vị trí khơng gian của các cấu tử ion trong
mạng cấu trúc của apatite vẫn chưa được thiết lập. Phải đến 25 năm sau, Posner
mới đưa ra được phổ XRD của HAp khi ông tổng hợp được tinh thể đơn pha

(211)

(112)

Lin (Cps)

(300)

(002)

(202)
(310)

(210)
(220)

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

2 theta

Hình 1.1 Phổ XRD ca HAp

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa häc

12

HAp, những kết quả này về sau được Kay chứng minh bằng phương pháp nhiễu
xạ nơtron. Phổ XRD của HAp thể hiện ở trong hình 1.1
Trên hình 1.1 ta có thể thấy được HAp có pic đặc trưng ở vị trí góc nhiễu xạ
2θ ≈ 26°, tương ứng là mặt tinh thể có chỉ số Miller (002). Và cịn có một đám

phổ ở vị trí 2θ = 31° ÷ 33° tương ứng là các mặt tinh thể có chỉ số Miller lần lượt
là (211), (112), (300). Ngồi ra cịn một số các pic khác nhưng cường độ không
được lớn lắm tương ứng với các mặt (210), (202), (220), (310) ...
Cả HAp trong hệ sinh học và HAp tổng hợp đều có dạng sáu phương và
thuộc nhóm khơng gian P63/m với các hằng số mạng a và c lần lượt là 0.942 nm
và 0.688 nm. Cấu trúc tinh thể của HAp được tìm ra bởi Naray-Szabo và
Meheml , những kết quả của họ sau này đã được Hendricks xác nhận. Cấu trúc
mạng của HAp bao gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- và chúng được sắp xếp trong
các ô đơn vị như trong hình 1.2

Ca2+

PO43-

OH-

Hình 1.2 Cấu trúc của HAp

Ngun Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

13

Luận văn thạc sĩ khoa häc

Trong tổng số 14 ion Ca2+ thì 6 ion thuộc về HAp và nằm trọn vẹn trong ô

mạng đơn vị, còn lại 8 ion nằm trên chu vi hai mặt đáy thì dùng chung với các ơ
đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ơ là 4 ion. Tương tự như thế trong số 10
nhóm PO43- thì 2 nhóm nằm ở bên trong ơ đơn vị, cịn 8 nhóm thì nằm trên chu
vi của hai mặt đáy nhưng chỉ có 6 nhóm thuộc về ơ đơn vị. 6 nhóm này bao gồm
2 nhóm ở bên trong ơ đơn vị cộng với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của hai
mặt đáy. Giống như vậy, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH- chỉ ra trong hình là thuộc
về ô đơn vị. Số lượng các ion xuất hiện trong ơ đơn vị có thể khơng đúng với
cơng thức phân tử của HAp, điều này có thể giải thích do sự lặp lại của các ơ đơn
vị trong hệ đối xứng ba chiều. Với cách giải thích như trên thì trong một phân tử
HAp bao gồm có 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH-, từ đó ta có thể
khẳng định HAp có cơng thức phân tử là Ca10(PO4)6(OH)2 [11].
Về mặt hình dạng thì các tinh thể HAp thường có dạng hình lá, hình que hoặc
hình kim, đơi khi HAp cịn có dạng hình vảy. Tuỳ theo các phương pháp tổng
hợp khác nhau cũng như các điều kiện tổng hợp khác nhau mà các tinh thể HAp
có hình dạng khác nhau. Dưới đây là một số ảnh của HAp tồn tại ở các hình dạng
khác nhau [21].

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

14

(a)

Luận văn thạc sĩ khoa häc

(b)

Hình 1.3 một số hình ảnh của
HAp với các hình dạng khác nhau.
(a) dạng hình que
(b) dạng hình kim
(c) dạng hình vảy
(c)
I.2.2 Một số tính chất của HAp.
Hydr«xyapatit có một số tính chất sau :
+ Có khả năng kết hợp với cấu trúc xương và tác động tốt lên sự phát triển
bên trong của xương mà không làm đứt gãy hay phân hủy xương.
+ Không bền nhiệt, dễ bị phân hủy trong khoảng 800 ÷ 1200 °C theo phản
ứng:
Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 < x ≤ 1)

Ngun Thanh Hoµng

Ngµnh công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

15

Luận văn thạc sĩ khoa häc

Phản ứng này diễn ra dần dần theo thời gian và nhiệt độ tăng dần.
+ Ngồi ra HAp có thể bị phân hủy thành các chất khác trong nhóm
canxiph«tphat tùy theo điều kiện. Ví dụ: tạo thành β - TCP hay tetra

canxiph«tphat như các phương trình phản ứng dưới đây:
Ca10(PO4)6(OH)2 → 2β - TCP + Ca4P2O9 + H2O
Ca10(PO4)6(OH)2 → 3β - TCP + CaO + H2O
+ Khơng có tính bền lý đủ để thay thế, cấy ghép hoàn toàn cho những vùng
xương phải chịu tải nặng của cơ thể.
HAp thường được sử dụng ở dạng khối vật liệu và thỉnh thoảng được dùng ở
dạng bột. Bột HAp rất khó nung kết khối, khi nung dễ bị phân hủy biến đổi
thành phần, nguyên nhân là do HAp phân hủy ở nhiệt độ cao tạo thành các sản
phẩm khác trong hệ CaO – P2O5. Để sản xuất khối HAp thành sản phẩm thương
mại, đòi hỏi phải nung kết ở nhiệt độ cao, thường vào khoảng 10000C. Sản xuất
lớp phủ HAp cũng yêu cầu HAp hình thành ở nhiệt độ cao. Hơn nữa, nếu sản
xuất HAp ở nhiệt độ thấp, HAp thu được là HAp dễ bị phân hủy bởi tác dụng
của vi sinh vật, khơng phải HAp có hoạt tính sinh học [11].
I.3 Hoạt tính sinh học và ứng dụng của HAp.
§èi với nhiều bệnh nhân, b sâu răng sẽ tồi tệ hơn khi nghĩ đến âm thanh
khoan răng ghê tai của bác sĩ. Các nh nghiên cứu của viện Công nghệ và tiªu
chuÈn Quốc gia (National Institute of Standards and Technology - NIST)
Gaithersburg M, đà phát triển một loại vật liƯu míi cã thĨ gióp ch÷a lành nh÷ng
vÕt nøt và những lỗ nhỏ ở răng mà không phải khoan bỏ phần răng sâu.
Cơ sở của vật liệu composit thử nghiệm ny l canxiphôtphat vô định hình
(Amôphôt Canxiphôtphat - ACP). Vật liệu do nhà hoá học polyme Joseph

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghƯ Ho¸ Häc


Đại học Bách khoa Hà Nội

16

Luận văn thạc sĩ khoa häc

Antonucci thuộc NIST và nhà ho¸ lý Drago Skrtic thuộc hiƯp héi søc kh nha
khoa Mü (American Dental Association Health Foundation - ADAHF) phát triển
tại trung tâm công nghệ Paffenbarger (NIST).
Do vật liệu canxiphôtphat vô định hình ACP có chứa các nguyên tố không
axit (canxi v phôtphat), vật liệu có thể trung hoà tác dụng của axit gây lỗ rỗng.
Ngoài ra tương tác hoá học giữa ACP và axit làm cho canxi v phôtphat tạo thành
hydrôxyapatit, là chất có trong răng và xương, có thể liên kết với răng bị tổn hại,
giúp tái tạo răng.
Từ những năm cuối thập niên 60, các nhà nghiên cứu đó biết về khả năng tái
tạo của vật liệu ACP, tuy nhiên phát triển của Antonucci v Skrtic có khác do bản
chất composit của vật liệu. Bằng cách sử dụng hỗn hợp ACP và các vËt liƯu
polyme, hai nhà khoa häc cã thĨ ®iỊu chÕ hợp chất để có tính năng ổn định sinh
học. Tính năng này có thể dẫn đến những khả năng ứng dụng mới khác. Theo
Antonucci, hiện nay các loại chấ kết dính được sử dụng để gắn kết răng cũng có
thể gây sâu răng. Antonucci cho biết các nhà khoa học đang nghiên cứu phát
triển một loại chất kết dính mới sử dụng hỗn hợp ACP không phân huỷ sinh học
để chống lại sự khử thường gặp ở các bộ phận chỉnh hình răng, hàm, mặt như
vậy. Tuy nhiên không chỉ có tác dụng trong chữa răng, hỗn hợp vật liệu
composit ACP không phân huỷ sinh học có thể sử dụng để tinh chỉnh các qui
trình sửa chữa xương như tái tạo mặt và các tổn thương nứt gÃy. Khi tái tạo
xương yêu cầu cần thiết là vật liệu phải có khả năng phân huỷ để xương có thể
liền lại như cũ.
Tuy nhiên Antonucci tỏ ra thận trọng khi công bố của vật liệu ACP polyme
đây là vật liệu mới mới đang được thử nghiệm ở bò và chỉ chữa được những lỗ
sâu rất nhỏ và không bền bằng men răng tự nhiên.

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

17

Tuy nhiên sử dụng chất men mới này nên cẩn thËn, nã cã thĨ g©y báng n­íu
nÕu tiÕp xóc do có hàm lượng hydro peroxide cao.
Hu ht cỏc l sõu trong răng là do sự kết hợp của các hạt nhỏ thực phẩm và
vi khuẩn tạo ra, còn gọi là bựa răng. Nếu bám ở bề mặt răng, bựa sẽ tạo ra một
loại axit phá huỷ lớp men cứng bảo vệ răng. Để lâu, sự khử khống này có thể
tạo ra các lỗ rỗng, hoặc lỗ sâu, đục đến các mô mềm hơn và mẫn cảm hơn ở
trong răng. Ban đầu lỗ thủng này quá nhỏ do vậy để hàn gắn lại bằng các vật liệu
thông thường các bác sỹ phải khoan để mở rộng phần bị hư hại, điều này đôi khi
lại làm thương tổn phần răng khỏe mạnh. Mới đây nhóm nghiên của Kazue
Yamagishi tại viện nha khoa FAP Tokyo đà phát hiện một loại bột mịn nhÃo
của tinh thể hydroxyapatite (vật liệu tạo nên men răng tự nhiên) có thể hàn những
lỗ thủng nhỏ này chỉ trong 15 phút, mà không cần loại bỏ vùng bị hư hại. nó
cũng ngăn cản qui trình hình thành những lỗ rỗng mới. Hydroxyapatite c
dựng lm vt liu trỏm trc tip lên rng ở dạng bột.
Xng l phn quan trng nhất của cơ thể người, nó có ý nghĩa rất to lớn về
mặt sinh học và cấu trúc. Về mặt sinh học thì xương là nguồn cung cấp canxi và
là nơi sản xuất các tế bào máu, còn về mặt cấu trúc thì xương hình thành nên
kiến trúc và hình dáng của cơ thể người. Thành phần của xương bao gồm các
chất vơ cơ và hữu cơ, trong đó các chất hữu cơ chiếm 30% về khối lượng, chúng
hình thành nên collagen, chất men xương và thành phần tế bào. Phần vô cơ của

xương bao gồm các pha vô định hình và pha tinh thể, chúng được hình thành từ
các khống của canxi và phơtphat tồn tại ở dạng HAp. Trong xương người trẻ
tuổi thì các pha vơ định hình chiếm ưu thế và có một phần chuyển hố thành pha
tinh thể, cịn ở người trưởng thành thì 40% khối lượng của xương là HAp. HAp
có vi cấu trúc là các sợi tinh thể dài khoảng 10 ÷ 50nm kết thnh bú xp vi

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Häc


Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa häc

18

xốp từ 40 ÷ 60% gồm các mao quản thơng nhau tạo ra phần khung của xương.
HAp có hoạt tính sinh học và tính tương thích sinh học cao, do đó mà HAp có
thể được dùng để thay thế xương trong cơ thể người. Các phẫu thuật ghép
xương, chỉnh hình đã đạt đến giới hạn của sự hoàn thiện nhờ ứng dụng vật liệu y
sinh Hap [5].
Dưới đây là một s ng dng ca HAp.
Dạng bột Hap dược sử dụng làm thuốc

Zinc Phosphate
Dental Cements
Hỡnh 1.4 Thuc trỏm rng
Dạng màng Hap đượcdùng để phủ lên vật liệu thay thế xương.
Dạng gốm Hap được sử dụng để thay thế xương.

Tuy nhiờn, do tính bền cơ lý của HAp kém, HAp thường giịn, dễ gãy nên
thường không thể thay thế được những phần xng phi chu ti trng ca cơ

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghƯ Ho¸ Häc


Đại học Bách khoa Hà Nội

19

Luận văn thạc sĩ khoa häc

thể. Khi đạt kích thước nano, yếu điểm của HAp đ· được cải thiện đáng kĨ.
Kích thước nano làm mật độ tiếp xúc bề mặt sinh học tăng và phù hợp với
kích thước của các khống trong xương nên hoạt tính của bột HAp tăng lên.
Ngồi ra, việc kết khối vật liệu trở nên dễ dàng hơn rất nhiều: nhiệt độ kết
khối có thể giảm từ mấy ngàn độ oC xung cũn trờn di mt ngn oC.
Dạng ximăng HAp dùng để hàn răng, hàn xương và trám hộp sọ

(a)

(b)

Hỡnh 1.5 HAp làm chất phủ lên kim loại (a) và trám lên sọ (b).
Sự phát triển về các hạt HAp có kích thước nano đã dẫn tới nhiều ứng dụng
mới, có thể tạo nên bước nhảy lớn trong ngành cơng nghệ cấy ghép, đặc biệt là
cấy ghép mô cứng, cấy ghép xương... Đồng thời những hạt HAp có kích thước
nano có thể làm cản trở sự phát triển của các tế bào ung thư vì vậy mà nó được

sử dụng như một nhân tố vận chuyển thuốc hiệu quả. Những đặc trưng, q trình
kết tinh và hoạt tính sinh học của các tinh thể nano HAp đã dẫn tới những ng
dng lõm sng khỏc nhau.

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Häc


Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

20

II. Các phương pháp tổng hợp Hap
II.1 Phng phỏp vt lý.
Phương pháp vật lý là phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên tử hoặc
chuyển pha. Nguyên tử để hình thành vật liệu nano được tạo ra từ phương pháp
vật lý: bốc bay nhiệt (đốt, phóng xạ, phóng điện hồ quang) là quá trình tạo pha
hơi ở nhiệt độ cao để tách các phân tử dễ bay hơi khỏi nguồn vật liệu và sau đó
tích tụ lại trên đế. Phương pháp chuyển pha: vật liệu được nung nóng rồi cho
nguội với tốc độ nhanh để thu được trạng thái vô định hình, xử lý nhiệt để xảy ra
chuyển pha vơ định hình – tinh thể (kết tinh). Phương pháp vật lý thường tạo ra
các hạt nano, màng nano.
II.2 Phương pháp hoá học.
Phương pháp hoá học là phương pháp tạo vật liệu nano từ các ion. Phương
pháp này có đặc điểm là rất đa dạng vì tuỳ thuộc vào vật liệu cụ thể mà người ta
phải thay đổi kỹ thuật chế tạo cho phù hợp. Phương pháp này có thể chế tạo các
hạt nano, dây nano, ống nano, màng nano, bột nano.

Trong việc chế tạo bằng phương pháp hoá học các hạt có kích thước nano với
các tính chất mong muốn, các tinh chất cáu trúc (cấu trúc tinh thể hoặc vơ định
hình, kích thước, hình dáng) và các tính chất hoá học (thành phần của vật liệu,
tiếp xúc giữa các bề mặt) là các yếu tố quan trọng cần phải xem xét đến. Bởi vì
các ưu điểm, vai trị hố học của nó trong khoa học vật liệu đã được phát triển
một cách nhanh chóng. Việc khống chế kích thước hạt, hình dáng và sự phân bố
kích thước có thể tiến hành trong quá trình chế tạo. Tuy nhiên cũng có một số
khó khăn như: q trình phức tạp và đơi khi có tính ngẫu nhiên. Ngồi ra có thể
có các tạp chất rơi vào các sản phẩm cuối cùng gõy ra cỏc tớnh cht khụng mong
mun.

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghƯ Ho¸ Häc


Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa häc

21

Hầu hết các phương pháp hoá học đều nhằm mục đích khống chế q trình
kết tinh của các hạt nhằm thu được kích thước mong muốn và trong q trình
này người ta có thể sử dụng các chất làm bền hoc cỏc cht nn khỏc nhau.
II.2.1 Phương pháp kết tủa
õy là một trong những phương pháp cơ bản để điều chế và đánh giá lượng
HAp dựa vào việc kết tủa từ dung dịch. Phương pháp này được Hayek và
Stadlman sử dụng rộng rãi vì cách tiến hành đơn giản đồng thời cho một lượng
mẫu lớn cùng với độ tinh khiết cao. Phương pháp dựa trên phương trình sau [11].

10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH
= Ca10(PO4)6(OH)2 + 6H2O +20NH4NO3
Đầu tiên 1600ml dung dịch có chứa 79g (NH4)2HPO4 được giữ ở pH ≥ 12
bằng dung dịch NH4OH và khuấy trộn, sau đó cho 1200ml dung dịch chứa 230g
Ca(NO3)2.4H2O cũng được giữ ở pH ≥ 12, sau khi phản ứng đạt cân bằng ta thu
được 100g mẫu. Dựa vào hằng số phân ly của axit H3PO4 ta thấy rằng chỉ có ion
HPO42- bị ảnh hưởng ở pH trên, và ta có thể tránh được sự đồng kết tủa của axit
ph«tphat và muối am«ni bị thăng hoa khi ta nung sản phẩm sau khi lọc ở nhiệt độ
250 ºC.
Tác giả Rathje đã đề xuất ra một phương pháp khác gọi là “phương pháp kết
tủa axit” để tổng hợp HAp dựa vào phương trình:
10Ca(NO3)2 + 6KH2PO4 + 14NaOH
= Ca10(PO4)6(OH)2 +6 KNO3 + 14NaNO3 +12H2O
Thể tích dung dịch Ca(NO3)2 và KH2PO4 lấy theo tỷ lệ như trong phương
trình trên và chúng được đồng thời cho vào trong nước sơi, khi cho NaOH vào
thì dung dịch có màu hồng của phenolphthalein. Nếu pha chế dung dịch hợp lý
thì sẽ thu được tinh thể có kích thước khoảng 50nm.

Ngun Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

22

Luận văn thạc sĩ khoa häc

Việc tổng hợp HAp từ các ion Ca2+ và PO43- rất đa dạng, tác giả Clark đã đề

ra một phương pháp khác để tổng hợp HAp dựa theo phương trình sau:
10Ca(OH)2 + 6H3PO4

NH4OH

Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O

HAp được tạo thành dưới 2 dạng vơ định hình và tinh thể. Yếu tố nhiệt độ rất
quan trọng, quyết định tỷ lệ tinh thể. Sử dụng NH4OH để điều chỉnh pH của hệ
khi kết thúc phản ứng và duy trì giá trị pH ≥ 11 suốt thời gian ổn định tinh thể.
Axit photphoric là axit có 3 bậc axit nên sản phẩm ngồi HAp cịn có các hợp
chất: Ca(H2PO4)2 , CaHPO4 và Ca3(PO4)2. Q trình tổng hợp sử dụng lượng cân
sao cho tỷ lệ Ca/P = 1.667 nghĩa là chọn hệ số tỷ lượng đúng như phương trình
phản ứng ở trên. Bột HAp được nung với tốc độ 50 oC/h tới 550 oC. Sử dụng
phương pháp ICP và phương pháp phổ tán xạ năng lượng để xác định tỷ số Ca/P.
Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X để xác định phần trăm tinh thể.
II.2.2 Phương pháp sol - gel
Trong cỏc nghiờn cu v xut bản gần đây, khái niệm về sol – gel hay cơng
nghệ sol – gel hay q trình sol – gel được sử dụng rất thường xuyên như một
công cụ hữu hiệu để tổng hợp vật liệu. Để thống nhất cách hiểu và giới hạn vấn
đề cần nghiên cứu, trong chuyên đề này, khái niệm sol-gel được hiểu như là
phương pháp chế tạo vật liệu bao gồm các quá trình chế tạo sol, gel hố sol loại
dung mơi, sấy gel để tạo xerogel và nung xerogel tạo oxide phức hợp. Mặc dù
việc ứng dụng trong thực tế mang tính cơng nghệ, nhưng sol-gel được phát triển
như một khoa học dựa trên các nghành khoa học cơ bản của hoá học [11].
Phương pháp sol-gel có nhiều ưu điểm tiềm năng hơn các phương pháp khác
không chỉ ở chỗ tạo được mức độ đồng nhất của các cation kim loại ở qui mô
nguyên tử mà cịn có thể chế tạo vật liệu ở dạng khối, màng mỏng, sợi và hạt.
Đây là yếu tố công nghệ vô cùng quan trọng khi chế tạo vật liu cht lng cao

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học


Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa häc

23

Bay hơi dung
dịch

Sấy

XEROGEL
nung

DUNG DỊCH

SOL

GEL

Vật
liệu

AEROGEL
Khuấy, t °C

Khuấy, t °C
Sấy siêu tới
hạn

Hình 1.6 Sơ đồ tổng hợp bằng phương pháp Sol-Gel
Trên quan điểm tạo gel phương pháp sol-gel có thể được phân loại thành solgel keo và sol-gel polyme. Trong quá trình tạo gel bằng phản ứng polyme hoá,
tuỳ theo đặc điểm của tác nhân polyme hố mà có thể chia thành phản ứng
polyme hố vơ cơ và hữu cơ. Nếu phân loại theo lịch sử phát triển thì có phương
pháp sol-gel keo, sol-gel alkoxide và sol-gel tạo phức…. Tuy được phân thành
các loại khác nhau như vậy nhưng mục đích chính của tất cả các phương pháp
sol-gel này là nhằm chế tạo được dung dịch precursor đồng nhất để từ đó hình
thành gel mà vẫn giữ được sự đồng nhất ở qui mô nguyên tử.
Trong đồ án này ta chỉ nghiên cứu về phương pháp sol – gel tạo phức.
Phương pháp sol – gel tạo phức.
Về mặt ý tưởng thì có một cách khác để trộn các hạt đồng đều ở qui mơ
ngun tử là tìm cách chuyển dung dịch đã trộn đồng đều ban đầu sang trạng thái
thuỷ tinh vô định hình bằng cách loại dung mơi. Tuy nhiên cách này gặp ngay
một khó khăn là nếu dung dịch chỉ chứa các muối kim loại vô cơ đơn giản như
nitrate, sulphate, clorua ... mà khơng có thêm bất kỳ một chất hữu cơ tạo phức
nào thì khi loại dung mơi - tăng nồng độ, chúng sẽ dễ dàng kết tinh hoc kt ta

Nguyễn Thanh Hoàng

Ngành công nghệ Hoá Học