Nghiên cứu chế tạo tinh thể nano hydroxyapatite từ vỏ ngao trên địa bàn tỉnh thái bình

TỔ NG QUAN

Gi ớ i thi ệ u v ề v ậ t li ệ u hydroxyapatite và các tính ch ấ t

Hydroxyapatite (HAp) với công thức hoá học thường sử dụng

Ca10(PO4)6(OH)2 là thành phần chính của xương và răng Chúng chiếm đến

Khoảng 65-70% khối lượng xương và 70-80% khối lượng răng là hydroxyapatite (HAp) HAp được ứng dụng rộng rãi trong y sinh, nha khoa, thuốc và thực phẩm chức năng để điều trị và phòng ngừa thiếu hụt canxi cũng như loãng xương Vật liệu này có thành phần hóa học và cấu trúc xốp tương tự như xương người, với độ tương thích sinh học cao, giúp tạo liên kết trực tiếp với xương non, thúc đẩy quá trình tái sinh xương nhanh chóng mà không bị cơ thể đào thải.

Hiện nay, hydroxyapatite (HAp) đang được nghiên cứu và phát triển nhờ vào tính chất sinh học và tương thích sinh học cao với tế bào và mô Vật liệu y sinh HAp đã chứng minh hiệu quả đáng kể trong y học, đặc biệt là trong ngành phẫu thuật chỉnh hình, được xem là một thành tựu quan trọng trong khoa học vật liệu.

Hydroxyapatite (HAp) là một tinh thể thường có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tùy thuộc vào điều kiện hình thành và kích thước HAp có khối lượng phân tử 1004,60 g/mol, khối lượng riêng 3,156 g/cm³, nhiệt độ nóng chảy 1760°C và nhiệt độ sôi 2850°C, với tích số tan là 2,12 x 10^-118 Hợp chất này bền nhiệt, chỉ bị phân hủy trong khoảng nhiệt độ 800°C đến 1200°C, tùy thuộc vào phương pháp điều chế và dạng tồn tại.

Hydroxyapatite tồn tại ở các dạng khác nhau: dạng hình thanh, hình trụ, hình cầu, hình sợi, hình vảy, hình kim [4], được thể hiện qua các hình sau:

Hình 1.2: Ảnh các dạng cấu trúc của tinh thể HAp: Dạng hình thanh (a); dạng hình trụ (b); dạng hình cầu (c); dạng hình sợi (d); dạng hình vảy (e); dạng hình kim (f) [4]

Cấu trúc phân tử HAp, như thể hiện trong hình 1.3, có dạng mạch thẳng với các liên kết ion Ca-O Hai nhóm -OH được gắn với hai nguyên tử P nằm ở hai đầu mạch.

Hình 1 3: Công thức cấu tạo của phân tử HAp [5-6]

HAp là pha ổn định trong môi trường sinh học (pH = 7,4) HAp không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước

Ca10(PO4)6(OH)2 + 2 HCl → 3 Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2 H2O

HAp tương đối bền nhiệt, chỉ bị phân hủy trong khoảng nhiệt độ từ 800 0 C đến 1200 0 C tạo thành oxy - hydroxyapatite:

Ca10(PO4)6(OH)2→ Ca10(PO4)6(OH)2-2x Ox + xH2O (0≤x≤1)

Nhiệt độ lớn hơn 1200 0 C, HAp bị phân hủy tạo ra tricalcium phosphate (𝛽𝛽-

Ca3(PO)4 hay 𝛽𝛽-TCP) và CaO hoặc Ca4P2O9

Ca10(PO4)6(OH)2 →2𝛽𝛽-Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O

Ca10(PO4)6(OH)2 →3𝛽𝛽-Ca3(PO4)2 + CaO + H2O

Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể Hydroxyapatite (HAp) bao gồm các ion Ca²⁺, PO₄³⁻ và OH⁻ được sắp xếp theo hình 1.4 Tinh thể HAp thuộc hệ tinh thể lục phương, nhóm không gian P63/m, với các hằng số mạng a = 0,9423 nm và c = 0,6875 nm, đồng thời có các góc α = β.

= 90 0 và γ = 120 0 [3] Đây là cấu trúc thường gặp của HAp tổng hợp, HAp trong thành phần chính của xương và ngà răng.

Hình 1 4: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HAp [3]

HAp tự nhiên và nhân tạo đều có tính tương thích sinh học cao và thành phần hóa học tương tự, với dạng bột mịn kích thước nano là canxi photphat dễ hấp thụ nhất cho cơ thể, có tỷ lệ Ca/P giống như trong xương và răng Ở dạng màng và xốp, HAp có đặc tính tương đồng với xương tự nhiên, cho phép các mô sợi và mạch máu dễ dàng xâm nhập nhờ các lỗ xốp liên thông Điều này mang lại tính dẫn xương tốt, giúp tạo liên kết trực tiếp với xương non, từ đó thúc đẩy quá trình tái sinh xương mà không bị đào thải Hơn nữa, HAp là hợp chất không độc hại, không gây dị ứng và có tính sát khuẩn cao.

Hợp chất HAp có độ bền cao với dịch tiêu hóa và ít bị ảnh hưởng bởi axit dạ dày Dạng bột mịn kích thước nano của HAp được cơ thể hấp thụ nhanh chóng qua niêm mạc lưỡi và thực quản Nhờ những đặc tính này, bột HAp kích thước nano trở thành lựa chọn hiệu quả cho việc bổ sung canxi.

Trong các pha canxi photphat thì pha HAp có khảnăng phân huỷ chậm nhất

HAp (Hydroxyapatite) có khả năng ứng dụng rộng rãi trong y học nhờ vào thời gian hoàn thiện và phát triển của các tế bào xương Để chế tạo vật liệu HAp có tính tương thích sinh học cao, việc nghiên cứu và lựa chọn các thông số công nghệ phù hợp với từng mục đích ứng dụng trong y sinh học và dược học là rất quan trọng.

Các ứ ng d ụ ng c ủ a hydroxyapatite

Hệ thống xương của cơ thể người được phân chia thành hai loại chính: xương dài và xương ngắn, cùng với xương dẹt Mỗi loại xương sở hữu những đặc điểm cấu tạo riêng biệt, nhưng chúng cũng có những cấu trúc chung như lớp màng xương (bao gồm màng trong và màng ngoài), phần xương cứng, phần xương xốp và tủy xương.

Xương được cấu tạo chủ yếu từ hai thành phần chính: chất hữu cơ và chất vô cơ (chất khoáng), liên kết chặt chẽ để tạo ra đặc tính đàn hồi và độ cứng Sự kết hợp này giúp xương có khả năng chống lại các lực tác động từ bên ngoài, bảo vệ cơ thể một cách hiệu quả.

Chất hữu cơ chiếm 30% trọng lượng khô của xương, bao gồm protein, lipid và mucopolysaccharid, trong đó collagen và các phức hợp protein như glucosaminoglycan (chondroitin sulfat và acid hyaluronic kết hợp với protein) đóng vai trò quan trọng.

Chất vô cơ (chiếm 70% trọng lượng khô của xương) gồm các muối Canxi, Magie, Mangan, Silic, Kẽm, Đồng…trong đó chủ yếu là CaCO3, Ca3(PO4)2

Tỷ lệ các thành phần hóa học trong xương của mỗi người không giống nhau, phụ thuộc vào dinh dưỡng, tuổi tác và bệnh lý Xương trẻ em có nhiều chất hữu cơ, làm cho chúng mềm dẻo hơn, trong khi xương người già có tỷ lệ vô cơ cao, dẫn đến tình trạng giòn và dễ gãy Bệnh loãng xương là một vấn đề nghiêm trọng trong y học, ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của người cao tuổi, đặc biệt là phụ nữ Việc bổ sung canxi qua các sản phẩm chức năng chứa HAp trở nên quan trọng cho sức khỏe Dự báo đến năm 2050, toàn cầu sẽ ghi nhận 6,3 triệu trường hợp gãy cổ xương đùi do loãng xương, trong đó 51% xảy ra ở châu Á, nơi chế độ ăn còn thiếu canxi.

15 sớm và điều trị tích cực bệnh loãng xương còn gặp rất nhiều khó khăn Dưới đây là một sốứng dụng cụ thể [6]

Hình 1 5: Ứng dụng tổng hợp của HAp [6]

Do lượng canxi hấp thụ từ thực phẩm hàng ngày thường thấp, việc bổ sung canxi cho cơ thể là rất cần thiết, đặc biệt đối với trẻ em và người cao tuổi Canxi có trong thực phẩm hoặc thuốc thường ở dạng hợp chất hòa tan, dẫn đến khả năng hấp thụ của cơ thể không cao Để tăng cường khả năng hấp thụ và chuyển hóa canxi thành hydroxyapatite (HAp), cần kết hợp với vitamin D Có nhiều cách để bổ sung canxi cho cơ thể, bao gồm thông qua thực phẩm, thuốc tiêm hoặc truyền huyết thanh.

Một phương pháp hiệu quả để bổ sung canxi là sử dụng HAp (Hydroxyapatite) tự nhiên hoặc nhân tạo dưới dạng bột mịn với kích thước nano từ 20 đến 100 nm HAp có khả năng được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần qua quá trình chuyển hóa.

Tại Việt Nam, khoảng 1/3 phụ nữ và 1/8 đàn ông trên 50 tuổi mắc bệnh loãng xương, theo khảo sát của Viện Dinh Dưỡng Ước tính có khoảng 2,5 triệu người bị loãng xương, dẫn đến hơn 150.000 trường hợp gãy xương Bệnh loãng xương là rối loạn hệ xương do mật độ khoáng xương thấp, gây giảm chức năng vi cấu trúc và sức mạnh xương.

16 tăng nguy cơ bị gãy xương

Để giảm thiểu nguy cơ mắc bệnh loãng xương, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (FDA) đã cho phép sử dụng HAp trong sản xuất thuốc và thực phẩm chức năng Hiện nay, nhiều loại thuốc và thực phẩm bổ sung canxi chứa HAp đã được lưu hành trên thị trường, bao gồm Ossopan của Pháp, Bone Booster Complex, Bone Dense Calcium của Mỹ, Calcium Complex của Anh, và SuperCal của New Zealand.

Hình 1 7: Các sản phẩm HAp dạng bột làm thực phẩm chức năng [12]

1.2.2 Ứ ng d ụ ng c ủ a hydroxyapatite d ạ ng màng

Ngành phẫu thuật chấn thương và chỉnh hình hiện nay sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau để làm nẹp vít cố định xương, bao gồm thép không gỉ 316L, hợp kim Coban (CoNiCrMo), và các hợp kim titan như Ti6Al4V, TiN, TiO2 Những vật liệu này đã khắc phục nhiều nhược điểm như ăn mòn và tạo ra chất độc hại, đồng thời cải thiện sự liên kết giữa xương tự nhiên và chi tiết cấy ghép Tuy nhiên, trong một số trường hợp cấy ghép cụ thể, vật liệu kim loại và hợp kim vẫn có thể bị ăn mòn, dẫn đến phản ứng đào thải, làm giảm tuổi thọ và gây khó chịu cho bệnh nhân.

Lớp màng HAp có chiều dày được phủ lên bề mặt vật liệu như hợp kim Ti6Al4V bằng các phương pháp plasma, bốc bay và điện phân đã giúp hạn chế những nhược điểm như ăn mòn, tạo ra chất độc hại, và liên kết lỏng lẻo giữa xương tự nhiên và chi tiết cấy ghép Tuy nhiên, độ bám dính của lớp màng trên vật liệu nền vẫn chưa thật bền chặt, dẫn đến tuổi thọ và phạm vi ứng dụng của chúng không cao.

Để nâng cao độ bám dính, các kim loại và hợp kim nền được phủ một lớp màng gốm HAp dày khoảng nanomet (màng n – HAp) thông qua phương pháp điện hoá, đặc biệt là phương pháp điện di (Electrophoretic Deposition, EPD).

Lớp màng n-HAp có độ bám dính vượt trội với vật liệu nền, đạt trên 60MPa, và duy trì độ bền theo thời gian Công nghệ này cho phép tạo ra các chi tiết xương nhân tạo có khả năng tự liên kết với xương và mô tự nhiên, đồng thời có tính tương thích sinh học cao với cơ thể con người.

Hình 1 8: Ứng dụng phủ lên Titan của HAp dạng màng [17]

Vật liệu gốm xốp HAp được sản xuất từ san hô, nổi bật với tính tương thích sinh học cao và cấu trúc nhiều lỗ liên thông, giúp dễ dàng cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu Với tính dung nạp tốt, không độc hại và không gây dị ứng, HAp dạng gốm xốp hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong y sinh học, đặc biệt trong chế tạo răng giả và sửa chữa các khuyết tật của răng.

Gốm HAp có nhiều ứng dụng quan trọng trong y học, bao gồm chế tạo mắt giả, các chi tiết ghép xương và sửa chữa khuyết tật xương Bên cạnh đó, nó còn được sử dụng làm điện cực sinh học, vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc, cũng như vận chuyển và phân tán insulin trong ruột.

Hình 1 9: HAp dạng xốp được sản xuất từ san hô [20-21]

1.2.4 Ứ ng d ụ ng c ủ a hydroxyapatite d ạ ng compozit

Gốm xốp và màng HAp có độ bền cơ học thấp, do đó, một giải pháp để tăng cường độ bền là tạo ra hợp chất gốm composit bằng cách phân tán bột HAp vào các polyme sinh học như collagen, chitosan, xenlulo, và đường sacaro Vật liệu này được ứng dụng làm chi tiết cấy ghép xương chất lượng cao, kẹp nối xương, hoặc chất truyền dẫn thuốc Việc sử dụng polyme sinh học làm chất nền không chỉ giúp gia công và chế tạo dễ dàng hơn mà còn cho phép liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức, tạo nên ưu điểm vượt trội cho vật liệu composit chứa HAp.

Hình 1 10: HAp sử dụng làm chất dẫn thuốc [24]

Các phương pháp tổ ng h ợ p hydroxyapatite

HAp tổng hợp có thành phần giống với HAp tự nhiên, có tính tương

HAp, với đặc tính sinh học cao và độ hòa hợp tốt, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Chất này có thể được điều chế từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, chẳng hạn như Ca(OH)2 và H3PO4, cùng với các nguyên liệu chứa ion khác.

Canxi (Ca2+) và các ion phosphate (PO4 3-, HPO4 2-, H2PO4-) như CaHPO4, CaCO3, Ca(NO3)2, Ca3(PO4)3, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4, KH2PO4 được tổng hợp trong môi trường kiềm Do đó, hydroxyapatite (HAp) có thể được sản xuất dưới nhiều dạng khác nhau, bao gồm bột, gốm, composite và màng.

Phương pháp thủy nhiệt tổng hợp được coi là công nghệ quan trọng trong việc sản xuất nhiều loại vật liệu, bao gồm cả việc tổng hợp hydroxyapatite (HAp).

Vật liệu HAp được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, sử dụng sản phẩm trung gian CaO Quá trình phản ứng diễn ra trong hệ thiết bị ở nhiệt độ khoảng 200 độ C và kéo dài hơn 12 tiếng.

Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để điều chế HAp xốp từ nguyên liệu CaCO3 có trong xương động vật, san hô và vỏ động vật, kết hợp với dung dịch (NH4)2HPO4 Phản ứng thủy nhiệt diễn ra với các ion Ca2+ và PO4 2- theo một phương trình cụ thể.

10CaCO3 + 6(NH4)2HPO4 + 2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 + 6(NH4)2CO3 + 4H2CO3

Phương pháp kết tủa là một kỹ thuật phổ biến để sản xuất bột HAp nhờ vào tính đơn giản và hiệu quả kinh tế của nó Phương pháp này không chỉ giúp điều chế HAp mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát kích thước hạt, hình thái và thành phần hóa học của sản phẩm.

Tổng hợp hydroxyapatite (HAp) từ việc kết tủa các ion Ca 2+ và PO4 3- có thể thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau, được chia thành hai nhóm chính.

Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca 2+ và PO4 2-dễtan trong nước:

Các muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4

Phản ứng diễn ra theo phương trình dưới được coi là phương pháp cơ bản để tổng hợp HAp

10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH→ CaO(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O

Lượng Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 được chuẩn bị theo tỷ lệ Ca/P = 1,67, pha trong nước cất với nồng độ 0,2M và 0,1M Sau đó, hỗn hợp này được nhỏ từ từ với tốc độ thích hợp.

Thêm 2ml/phút dung dịch (NH4)2HPO4 vào cốc chứa Ca(NO3)2 trên máy khuấy từ với tốc độ 300 ÷ 400 vòng/phút Cần bổ sung dung dịch NH4OH để duy trì pH trong khoảng 10 đến 12, đảm bảo phản ứng diễn ra hiệu quả.

Sau khi nhỏ dung dịch (NH4)2HPO4, tiếp tục khuấy hỗn hợp trong 2 giờ ở nhiệt độ đã định Kết thúc phản ứng, thu lấy kết tủa và làm sạch bằng cách lọc rửa nhiều lần với nước cất trên máy ly tâm hoặc thiết bị lọc hút chân không Sản phẩm sau đó được sấy khô ở nhiệt độ từ 75 đến 80 độ C và bảo quản để tránh tiếp xúc với không khí.

Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca 2+ ít tan hoặc không tan trong nước:

Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3 với axit H3PO4 trong môi trường kiềm Ví dụ:

Trong quá trình điều chế phản ứng giữa 10Ca(OH)2 và 6H3PO4, pH là yếu tố quan trọng cần được kiểm soát Để đạt được độ pH từ 9 đến 10, H3PO4 được thêm từ từ vào Ca(OH)2.

Chất lượng và hình dạng của tinh thể HAp chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ và môi trường phản ứng Để đạt được sản phẩm HAp bột với kích thước mong muốn, cần chú ý đến quá trình kết tinh của HAp trong suốt quá trình tổng hợp.

Theo lý thuyết sol-gel, hệ phân tán bao gồm môi trường liên tục và các tiểu phân nhỏ được phân tán đồng đều Tập hợp các tiểu phân này được gọi là pha phân tán, trong khi môi trường chứa pha phân tán được gọi là môi trường phân tán Khi môi trường phân tán là lỏng và pha phân tán là rắn, kích thước hạt sẽ quyết định việc hình thành hệ huyền phù hoặc hệ keo (sol).

Gel là một trạng thái lỏng hoá rắn, được tạo thành từ các hệ sol hoặc các

Dung dịch cao phân tử có thể chuyển từ sol thành gel thông qua việc tách dung môi, khiến các hạt keo gần nhau hơn và tạo điều kiện cho sự nối chéo Khi sự nối chéo đạt ngưỡng nhất định, độ nhớt của dung dịch tăng nhanh, dẫn đến sự hình thành gel Ngoài ra, việc khuấy mạnh dung dịch cũng có thể tạo gel, với cường độ và thời gian khuấy đủ lớn giúp tăng tần số va chạm giữa các hạt keo Thực tế, thường kết hợp cả hai phương pháp này để chuyển sol thành gel Phương pháp sol-gel mang lại độ đồng nhất cao ở mức độ phân tử, cho phép chế tạo vật liệu chất lượng tốt ở dạng khối, màng mỏng, sợi và dạng hạt.

Hình 1 11: Sơ đồ nguyên lý phương pháp Sol-Gel [34]

Quá trình tổng hợp hydroxyapatite (HAp) bằng phương pháp sol-gel có thể thực hiện với các tác chất như Ca(NO3)2.4H2O và (NH4)2HPO4, cho ra HAp nano dạng bột với kích thước từ 20 – 60 nm Ngoài ra, nhiều tác chất khác cũng được sử dụng để cung cấp canxi (Ca) và photpho (P) trong quá trình tổng hợp HAp, như việc sử dụng (CH3COO)2Ca và Triethyl phosphate (TEP) trong môi trường ethanol, hoặc tổng hợp HAp dạng bột ceramic từ dung dịch Ca(NO3)2.4H2O 1,67M và P2O5 0.5M với dung môi ethanol tinh khiết.

CƠ SỞ LÝ THUY ẾT PHƯƠNG PHÁP THỦ Y NHI Ệ T

Gi ớ i thi ệu phương pháp thủ y nhi ệ t

Phương pháp thủy nhiệt, được phát triển bởi nhà khoa học người Đức Robert Bunsen vào năm 1939, là kỹ thuật chế tạo các hạt đơn tinh thể Phương pháp này sử dụng một bình chịu áp suất và nhiệt độ cao, trong đó một gradient nhiệt độ được duy trì giữa hai đầu đối diện Ở đầu nóng, các khoáng chất sẽ được hòa tan, trong khi ở đầu lạnh hơn, các màn tinh thể bắt đầu hình thành và phát triển.

Phương pháp hiện nay đã tiến bộ vượt bậc so với phương pháp truyền thống, cho phép sử dụng không chỉ dung môi nước mà còn các dung môi hữu cơ và chất hoạt động bề mặt Điều này nhằm mục đích chế tạo các hạt có kích thước nhỏ, từ cỡ micromet đến nanomet.

Phương pháp thủy nhiệt hiện đang đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp và phát triển vật liệu Kết hợp với các kỹ thuật phân tích hiện đại như FTIR, SEM và TEM, phương pháp này ngày càng trở nên phổ biến, cho phép chúng ta quan sát cấu trúc và kích thước của vật liệu được tổng hợp.

Thủy nhiệt là quá trình phản ứng dị thể diễn ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, với sự hiện diện của dung môi như nước hoặc các dung môi khác Quá trình này cho phép hòa tan và tái kết tinh các vật liệu không tan trong dung môi ở điều kiện bình thường.

Ngày nay, phương pháp thủy nhiệt đã nổi bật như một phương pháp độc đáo, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học nhờ vào những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống Sự phát triển này đã dẫn đến sự xuất hiện của nhiều lĩnh vực nghiên cứu liên quan, bao gồm tổng hợp vật liệu nano, tổng hợp tinh thể và tách chiết bằng phương pháp thủy nhiệt.

Phương pháp thủy nhiệt mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như sản phẩm có độ tinh khiết cao, kích thước ổn định và đồng đều, quy trình đơn giản, tiêu tốn ít năng lượng, thời gian phản ứng nhanh và dễ dàng kiểm soát Với tiềm năng này, phương pháp thủy nhiệt không chỉ giới hạn trong việc kiểm soát sự lớn lên của tinh thể mà còn mở rộng ứng dụng sang nhiều lĩnh vực khác, kết hợp với các công nghệ hiện đại trong hóa học, sinh học, địa chất và vật liệu học.

Cơ sở lý thuy ế t

Phương pháp thủy nhiệt là quá trình sử dụng phản ứng trong môi trường lỏng để kết tinh vật liệu từ dung dịch, đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp các vật liệu, bao gồm cả hydroxyapatite (HAp) Công nghệ này nổi bật với thời gian phản ứng nhanh chóng, thường dưới 24 giờ, và khả năng dễ dàng điều chỉnh các thông số phản ứng Kết quả thu được là các tinh thể có độ đồng nhất cao về hình dạng và kích thước.

Phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp HAp có thể sử dụng các hợp chất giàu canxi như CaCO3 và CaO kết hợp với các nguồn photpho như triethyl phosphate hoặc axit H3PO4, (NH4)2HPO4 Quá trình tổng hợp này diễn ra theo hai hướng khác nhau.

Hướng phản ứng trực tiếp dùng CaCO3

Hướng phản ứng gián tiếp qua giai đoạn trung gian phân hủy CaCO3 của vỏ ngao thành CaO

Chất phản ứng được đưa vào bình phản ứng Ở nhiệt độ thích hợp, phản ứng thủy nhiệt diễn ra theo phương trình.

Phản ứng thủy nhiệt diễn ra trong môi trường chứa OH - theo phản ứng:

10 CaCO3 + 6 (C2H5)3PO4 + 10 H2O→Ca10(PO4)6(OH)2 + 18 C2H5OH + 10 CO2

Phản ứng gián tiếp từ CaO:

Vỏ ngao sau khi làm sạch được nung ở nhiệt độ 900 0 C để CaCO3 phân hủy hoàn toàn theo phương trình sau:

Tiến hành phản ứng thủy nhiệt ngay sau nung để giữ nguyên cấu trúc xốp của CaO Phương trình phản ứng:

10 CaO + 6 (NH4)2HPO4 + 4 H2O→ Ca10(PO4)6(OH)2 + 12 NH4OH

Phương pháp thủy nhiệt cho phép tổng hợp nhiều dạng hydroxyapatite (HAp), bao gồm dạng sợi, bột, tinh thể đơn, khối ceramic nguyên khối và các chất phủ trên kim loại cũng như polymer.

Quá trình thủy nhiệt diễn ra khi nước kết hợp với hỗn hợp dung môi trong một phạm vi rộng, cho phép tự động hóa trong các đơn vị vận hành Điều này bao gồm sự trộn lẫn và phân chia sản phẩm, mang lại hiệu quả cao trong quá trình sản xuất.

So với trạng thái rắn, dạng lỏng có khả năng khuếch tán, hấp thụ, tốc độ phản ứng và kết tinh nhanh hơn, đặc biệt trong điều kiện thủy nhiệt Phương pháp thủy nhiệt có chi phí thiết bị, năng lượng và tiền chất thấp hơn so với các phương pháp khác, đồng thời thân thiện với môi trường hơn Phương pháp này còn giúp lưu trữ năng lượng nhờ vào nhiệt độ quá trình thấp, giảm thiểu rủi ro xảy ra sự cố so với quá trình ở nhiệt độ cao.

Trong phương pháp này có rất nhiều yếu tố chính ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình hình thành HAp như:

Nhiệt độ buồng phản ứng

Giá trị pH của dung dịch

Thời gian giữ nhiệt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hình thái sản phẩm cuối cùng Bằng cách kiểm soát các thông số phản ứng, chúng ta có thể can thiệp vào quá trình phản ứng để tạo ra sản phẩm HAp đạt chất lượng mong muốn.

Các sản phẩm sau phản ứng được xác định các đặc trưng cơ bản thông qua các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FTIR) và hiển vi điện tử quét (SEM).

Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng phương pháp thủy nhiệt và tiến

Bài nghiên cứu đã thực hiện 27 hành thay đổi các thông số như tỷ lệ Ca/P, nhiệt độ, giá trị pH và thời gian, nhằm đánh giá ảnh hưởng của những yếu tố này đến mức độ tập trung và phân bố kích thước của thanh nano hydroxyapatite được hình thành.

 Một số yêu cầu về thiết bịtrong phương pháp thủy nhiệt

Do yêu cầu thí nghiệm ở nhiệt độ và áp suất cao, thiết bị cần có khả năng chịu áp suất lớn và chống ăn mòn hiệu quả Các yếu tố này rất quan trọng để đảm bảo quá trình thủy nhiệt diễn ra an toàn và hiệu quả Ngoài ra, thiết bị cũng phải đáp ứng một số yêu cầu tối thiểu khác để đảm bảo chất lượng thí nghiệm.

Trơ về mặt hóa học đối với bất kỳ loại hóa chất nào

Dễ dàng lắp ráp và tháo gỡ

Kích thước cần thiết phải đủ lớn để đáp ứng yêu cầu về nhiệt độ và áp suất, đồng thời đảm bảo độ bền để sử dụng lâu dài, tránh việc phải sửa chữa hỏng hóc sau mỗi lần thí nghiệm.

Dễ vận hành và sửa chữa

Việc chế tạo thiết bị hoặc tìm kiếm thiết bị này trên thị trường là phần khó khăn nhất trong quy trình thí nghiệm

Một yêu cầu quan trọng trong thiết bị là thể tích dung môi, thường được nạp vào chiếm khoảng 20%.

Để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình phản ứng, thể tích thiết bị cần có khoảng 30% dành cho phần hơi, bao gồm hơi của dung môi lỏng hóa hoặc hơi sinh ra từ phản ứng Lượng dung môi thêm vào không cần phải cố định, tùy thuộc vào loại dung môi và sự giãn nở của pha khí trong điều kiện làm việc Tuy nhiên, cần lưu ý không để dung môi chiếm quá 70-80% thể tích thiết bị, vì điều này có thể dẫn đến thể tích lớn trong buồng phản ứng, gây nguy cơ nổ cao.

VẬ T LI Ệ U, THI Ế T B Ị VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰ C NGHI Ệ M

Gi ớ i thi ệ u v ề nguyên li ệ u và hóa ch ấ t s ử d ụ ng

Việt Nam sở hữu nguồn nguyên liệu phong phú và dễ dàng tìm thấy ở khắp mọi nơi trên lãnh thổ, không bị giới hạn bởi mùa vụ hay thời gian trong năm.

Vỏngao được thu thập rửa sạch và xử lý

Hình 3 1: Vỏ ngao được sử dụng làm nguyên liệu thô

3.1.2 Gi ớ i thi ệ u hóa ch ấ t s ử d ụ ng

Trong nghiên cứu này một số hóa chất sử dụng như sau:

Bảng 3 1: Hóa chất sử dụng

STT Tên hóa chất Xuất xứ

1 Triethyl phosphate (C 2 H 5 ) 3 PO 4 99% (Ấn Độ)

2 Dung dịch Axit axetic (CH 3 COOH) Việt Nam

4 Dung dịch amoni hydroxit (NH 4 OH) Việt Nam

Hình 3 2: Dung dịch Triethyl phosphate

Triethyl phosphate là một hợp chất hóa học có công thức (C2H5)3PO4

Là một chất lỏng không màu

Khối lượng phân tử: 182,15g/mol

Khối lượng riêng: 1,07g/cm 3 Điểm sôi: 215 0 C

Tên viết tắt TEP, OP(OEt)3

Tác dụng là làm chất xúc tác công nghiệp, biến tính nhựa polymer và làm dẻo, làm chất chống cháy…

Hình 3 3: Cấu trúc hóa học của Triethyl phosphate

• Axit axetic: CH3COOH hay còn gọi là etanoic, là một axit hữu cơ (axit cacboxylic)

Hình 3 4: Dung dịch axit axetic

CH3COOH là chất lỏng không màu, có vịchua và tan hoàn toàn trong nước

Nhiệt độ sôi của axit axetic lớn hơn rượu, chúng có cùng phân tử khối do liên kết bền vững của các phân tử hydro

Khi đun nóng, axit axetic có thể hòa tan một lượng nhỏ photpho và lưu huỳnh

Tan tốt trong xelulozo và nitroxenlulozo

Hình 3 5: Cấu tạo phân tử axit axetic

Nguyên tử hydro trong nhóm cacboxyl có thể cung cấp một proton H + , làm chúng có tính chất axit, tuy nhiên axit axetic là một axit yếu

Axit axetic là dung môi phân cực với hằng sốđiện ly khoảng 6.2

Nó có khảnăng hòa tan các hợp chất không phân cực như dầu, các nguyên

CH3COOH được tạo thành bằng việc liên kết nhóm methyl (CH3-) với nhóm cacboxyl (-COOH)

Hình 3 6: Dung dịch NH 4 OH

Amonihydroxit là một chất lỏng không màu, có mùi khai

Khí amoniac tan trong nước tạo thành Amonihydroxit

Amonihydroxit có tính bazo, làm quỳ tím hóa xanh và phenolphthalein chuyển sang màu hồng Để phát hiện khí amoniac, người ta sử dụng quỳ tím ẩm.

Dung dịch Amonihydroxit dễ dàng trung hòa axit tạo thành muối amoni

Bảng 3.2: Dụng cụ sử dụng Stt D ụng cụ thí nghiệm Stt D ụng cụ thí nghiệm

2 Giấy thử pH 6 Túi bảo quản

• Dụng cụ thí nghiệm bình định mức, pipet và giấy chỉ thị màu pH

Hình 3 7: Các dụng cụ tiến hành sử dụng

Hình 3 8: Dụng cụ phản ứng: dụng cụ phản ứng gốm hai phần: vỏ bảo vệ bên ngoài và phần ruột

Vỏ bảo vệ được chế tạo từ thép không gỉ, với nắp và miệng bình được gia công tạo ren, giúp nén chặt nắp bình Teflon bên trong khi vặn Chức năng của vỏ bảo vệ không chỉ là tạo lớp ngoài mà còn tạo áp lực giữ chặt và làm kín bộ phận chứa mẫu, từ đó ổn định bộ phận này.

Phần ruột được chế tạo từ nhựa teflon, một chất liệu không phản ứng với bất kỳ hóa chất nào Nhựa teflon có khả năng truyền nhiệt tốt, đồng thời chịu được áp suất cao và nhiệt độ dao động từ 220°C đến 260°C.

Hydroxyapatite sau khi tổng hợp trong lò sẽ được lọc rửa nhiều lần trước khi được cho vào chén nung Chén nung này có nắp đậy hở để quá trình sấy diễn ra hiệu quả, giúp hơi nước thoát ra ngoài và ngăn ngừa tình trạng ngưng tụ hơi nước.

Vỏ bảo vệ Ruột teflon

33 chảy xuống sản phẩm tạo thành một vòng tuần hoàn

Quy trình t ạ o b ộ t CaCO 3 t ừ v ỏ ngao và thi ế t b ị s ử d ụ ng

Hiện nay, có nhiều phương pháp nghiền nguyên vật liệu như nghiền vỡ, nghiền đập và nghiền nổ Trong nghiên cứu này, quá trình tạo bột được thực hiện bằng phương pháp nghiền đập, tùy thuộc vào điều kiện thực tế và trang thiết bị sẵn có.

Quá trình nghiền cơ học vỏ ngao diễn ra thông qua sự va đập giữa bi nghiền và tang nghiền, làm nhỏ vỏ ngao nhờ động năng của các viên bi Khi bi nghiền chuyển động lên cao và rơi xuống, chúng va đập vào các viên bi phía dưới, giúp vỡ nhỏ vỏ ngao Để đảm bảo chất lượng bột CaCO3 cho việc chế tạo tinh thể nano HA, vỏ ngao được nghiền ở tốc độ 250 vòng/phút trong các chế độ 1h, 2h, 3h và 4h Sau quá trình nghiền, mẫu được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét, máy quang phổ hồng ngoại, máy XRD và đo kích thước bằng máy laser để đánh giá kết quả.

Hình 3 10: Hỗn hợp bi nghiền và vỏ ngao khi nghiền

Bột vỏ ngao Sấy khô

Hình 3 11: Quy trình tạo bột CaCO 3

Vỏngao sau khi thu gom được rửa sạch bằng nước sạch và loại bỏ các phần thịt còn dính lại trên vỏ bằng phương pháp cơ học Sau đó, vỏ ngao được sấy lần 1 ở nhiệt độ 80°C Cuối cùng, vỏngao được đập nhỏ thành những mảnh có kích thước khoảng 10×10 mm bằng chày và cối inox 304.

Vỏ ngao được sấy ở nhiệt độ 80°C cho đến khi hoàn toàn khô Sau quá trình sấy, vỏ ngao được bảo quản trong túi zip cùng với các gói hút ẩm, với khối lượng phù hợp để chuẩn bị cho việc nghiền mịn.

Hình 3 12: Quy trình sấy vỏ ngao

Tiếp tục, vỏngao được đem đi nghiền mịn trong máy chuyên dụng với khối lượng CaCO3, tốc độ và thời gian thích hợp Cuối cùng thu được bột mịn

Hình 3 13: Tang nghiền và vỏ ngao trước khi nghiền

T (o C) t (phút) Quy trình sấy vỏ ngao

Bột mịn sau khi nghiền được bảo quản trong các túi zip để tránh bị hút ẩm như hình bên dưới

Hình 3 14: Túi Zip bảo quản bột CaCO 3

Bột mịn sau đó được chụp ảnh SEM và phân tích thành phần hóa học, đem đi đo kích thước hạt

Trong quá trình tạo bột CaCO3 sử dụng một số thiết bịnhư:

Hình 3 15: Máy nghiền hành tinh

Máy nghiền hành tinh là thiết bị nghiền mịn, hiệu quả cao, tiếng ồn thấp

Máy nghiền trong quá trình thực hiện được trang bị một trạm nghiền trên bàn xoay, với hai chế độ nghiền là 1 chiều và 2 chiều Người dùng có thể lựa chọn chế độ phù hợp theo yêu cầu cụ thể Máy cũng cho phép điều chỉnh tốc độ quay, thời gian nghiền và thời gian nghỉ cho mỗi mẻ, phù hợp với nhu cầu của phòng thí nghiệm.

37 thuộc Bộ môn Vật liệu kim loại màu & Composite – DHBKHN

Tủ sấy cho phép người dùng điều chỉnh nhiệt độ và thời gian sấy theo nhu cầu thực tế, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng Trong thí nghiệm, vỏ ngao cần được sấy khô trước khi nghiền để ngăn ngừa hiện tượng kết dính, đảm bảo quá trình nghiền diễn ra thuận lợi.

Cân điện tử là thiết bị điện tử dùng để đo khối lượng mẫu vật Việc chọn loại cân phù hợp phụ thuộc vào trọng lượng và kích thước của mẫu Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng cân có độ chính xác đạt 10 -3 gam.

Quy trình t ổ ng h ợ p hydroxyapatite

Bột ngao sau khi được nghiền được bảo quản ở nhiệt độ và độ ẩm thích

38 hợp Được phản ứng với các dung môi, hóa chất để tổng hợp thành tinh thể HAp

 Quy trình tổng hợp hydroxyapatite diễn ra các bước như sau:

Thay đổi nhiệt độ và thời gian buồng phản ứng để đánh giá ảnh hưởng

Dung dịch kết tủa Điều chỉnh pH bằng

NH 4 OHĐiều chỉnh giá trị pH để đánh giá ảnh hưởng

Điều chỉnh thay đổi tỷ lệ Ca/P để đánh giá ảnh hưởng

Hình 3 18: Quy trình tổng hợp HAp

Quá trình tổng hợp HAp được diễn ra theo phản ứng sau:

10CaCO3 + 6(C2H5)3PO4 + 10H2O→ Ca10(PO4)6(OH)2 + 18C2H5OH + 10CO2

Để chuẩn bị dung dịch 1, hòa tan 10g bột CaCO3 vào 25ml dung dịch axit axetic trong cốc thủy tinh Khuấy đều bằng máy khuấy từ trong 10 phút ở nhiệt độ phòng.

Bước 2 : Cho thêm dung dịch Triethyl phosphate (thay đổi tỉ lệ Ca/P) lượng

Triethyl phosphate thêm vào dung dịch 1,261/1,248/1,231/1,217/1,203ml tương ứng với các tỉ lệ Ca/P là 1,65/1,67/1,69/1,71/1,73 vào dung dịch 1 ta thu được dung dịch 2

Bước 3: Nhỏ giọt dung dịch NH4OH vào dung dịch 2 và sử dụng quỳ tím để kiểm tra pH cho đến khi đạt các mức pH 6-7, 7-8, 8-9 và 9-10, từ đó tạo ra dung dịch 3.

Trong bước 4, dung dịch 3 được đưa vào buồng phản ứng và tiến hành thí nghiệm với các nhiệt độ 1200C, 1400C, 1600C, và 1800C trong thời gian phản ứng 8h, 10h, 12h, và 14h Để đánh giá ảnh hưởng của các thông số chính, tác giả nghiên cứu tỷ lệ Ca/P với các tỷ lệ 1,65/1,67/1,69/1,71/1,73, duy trì nhiệt độ ở 140 o C, pH trong khoảng 7-8, và thời gian phản ứng 12h Đồng thời, ảnh hưởng của giá trị pH được khảo sát trong các vùng 6-7, 7-8, 8-9 và 9-.

Để đánh giá ảnh hưởng của giá trị pH, nhiệt độ được duy trì ở 140 °C, với tỷ lệ Ca/P trong dung dịch là 1,67 và thời gian phản ứng là 12 giờ Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ buồng phản ứng tại các mức nhiệt độ khác nhau.

Nghiên cứu đã tiến hành đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ ở các mức 120 o C, 140 o C, 160 o C và 180 o C, với giá trị pH được duy trì trong khoảng 7-8 Tỷ lệ Ca/P được giữ ổn định ở mức 1,67 và thời gian phản ứng là 12 giờ Đồng thời, ảnh hưởng của thời gian cũng được khảo sát tại các mốc 8 giờ, 10 giờ, 12 giờ và 14 giờ.

40 Để đánh giá ảnh hưởng của thời gian, giá trị pH được duy trì trong khoảng 7-8 trong khi tỷ lệ Ca/P là 1,67 và nhiệt độ thực hiện tại 140 o C

Tác giả chọn tỷ lệ Ca/P là 1,67 vì đây là tỷ lệ phần trăm về khối lượng của

Canxi và photpho trong tinh thể hydroxyapatite (HAp) có tỷ lệ cân đối, điều này đảm bảo khả năng hình thành tinh thể HAp Khi tỷ lệ này bị lệch quá nhiều, sẽ dẫn đến sự hình thành các hợp chất khác.

Tác giả chọn tỷ lệ pH là 7-8 vì HAp ổn định trong môi trường có pH = 7,4

Tác giả chọn nhiệt độ buồng phản ứng là 140 0 C thời gian giữ nhiệt là 12h vì đây là điều kiện lí thuyết của phản ứng

 Quy trình thu bột HAp dạng mịn

Kết tủa thu được được đổ vào bình định mức thủy tinh và để lắng trong thời gian dài nhằm loại bỏ tạp chất và thu được kết tủa HAp tinh khiết Quá trình lắng được lặp lại nhiều lần, sau đó kết tủa được sấy ở nhiệt độ 80°C cho đến khi khô hoàn toàn Bột HAp được thu thập bằng thìa inox sạch, đảm bảo không có tạp chất, và được bảo quản trong túi zip nhỏ có túi hút ẩm, ở nơi khô ráo và thoáng mát.

Các thi ế t b ị s ử d ụ ng

3.4.1 Các thi ế t b ị s ử d ụng để t ổ ng h ợ p hydroxyapatite

Hình 3 19: Qúa trình thu bột mịn HAp

Lò N – 11/H của hãng Nabertherm, sản xuất tại Đức, là thiết bị nung có khả năng thực hiện theo chu trình đã định sẵn, với cách sử dụng đơn giản Thiết bị này rất phù hợp cho quá trình thực nghiệm, mang lại hiệu quả cao với các thông số chính được tối ưu hóa.

Sử dụng điện 3 pha 230V, tần số f= 50, 60 Hz

Quá trình phản ứng diễn ra tại phòng thí nghiệm C1 - 308 thuộc bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt và Bề mặt của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Hình 3 21: Máy khuấy từ MS – 11

Máy khuất từ MS-11 là thiết bịđược sử dụng trong quá trình thí nghiệm với các thông sốchính như:

Thang tốc độ: 0÷ 2300 vòng/phút

Thể tích khuấy tối đa: 1000 ml. Đường kính làm việc: 120 mm

Máy khuấy từ là thiết bị sử dụng lực từ trường để khuấy các dung dịch hiệu quả Thiết bị này hoạt động bằng cách xoay một thanh nam châm gọi là cá từ, được đặt trong dung dịch cần khuấy Khi thanh nam châm quay, nó tạo ra lực khuấy đảo dung dịch, nhờ vào lực từ sinh ra từ một nam châm điện nằm dưới bệ đặt bình dung dịch.

Cá có hình dạng thanh dài và được bọc trong chất dẻo, với vỏ bọc có tính trơ, không bị dính bẩn hoặc ăn mòn bởi dung dịch cần khuấy.

Máy khuấy được đặt tại phòng Lab C10 – 208 Trường Đại học Bách Khoa

3.4.2 Các thi ế t b ị s ử d ụng để phân tích hydroxyapatite

Hiển vi điện tử quét SEM là thiết bị được sử dụng để chụp ảnh các mẫu tại phòng thí nghiệm hiển vi điện tử và vi phân tích BKEMMA, thuộc viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ, trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Không bị rung và đặc biệt phải rất ít bụi Điện nguồn 220V-AC

Hình 3 22: Máy hiển vi điện tử quét

Mẫu vật đã được gửi đến thiết bị nhiễu xạ tia X tại phòng thí nghiệm Hóa phân tích thuộc Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam, địa chỉ số 18 Hoàng Quốc Việt, Phường Nghĩa Đô, Cầu Giấy, Hà Nội để tiến hành phân tích.

Hình 3 23: Máy nhiễu xạ XRD

 Máy quang phổ hồng ngoại FTIR

Phổ FTIR của các mẫu được gửi mẫu phân tích máy của bộ môn Hóa lý, Khoa Hóa học, trường đại học Khoa học Tự nhiên

Không bịrung và đặc biệt phải rất ít bụi Điện nguồn 220V-AC

 Máy phân tích kích thướ c h ạ t

Các mẫu được đo XRD trên máy SALD 2011 Shimadzu, phòng thí nghiệm

Hình 3 24: Máy phổ hồng ngoại FTIR

44 hóa phân tích, khoa Hóa lý-Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên Điều kiện:

Không bị rung và đặc biệt phải rất ít bụi Điện nguồn 220V-AC

Hình 3 25: Máy phân tích kích thước hạt

3.4.3 Các ph ầ n m ề m ph ụ c v ụ nghiên c ứ u hydroxyapatite

 Phần mềm phân tích hình ảnh Rod Size Analysis ImageJ

Phần mềm ImageJ, được phát triển tại Viện Y tế quốc gia Mỹ (NIH) và cải tiến bởi cộng đồng người dùng, là một công cụ đa chức năng mạnh mẽ Với ImageJ, người dùng có thể phân tích Western blots, định lượng tín hiệu từ kính hiển vi huỳnh quang, và điều khiển kính hiển vi Các chức năng cơ bản của phần mềm bao gồm lọc hình ảnh, crop, chỉnh kích thước, xoay, xử lý độ sáng và độ tương phản, ghép nhiều ảnh trong một series, tạo hình chiếu 3D, ghi nhớ thao tác, cùng nhiều chức năng hữu ích khác Trong đồ án này, ImageJ được sử dụng chủ yếu để đo định lượng đường kính các thanh/sợi trên hình ảnh chụp từ kính hiển vi điện.

Hình 3 26: Giao diện phần mềm ImageJ

Origin là phần mềm vẽ biểu đồ và phân tích thông tin hàng đầu do OriginLab phát hành, nổi bật với giao diện thân thiện, dễ sử dụng cho cả người mới bắt đầu Phần mềm cho phép tùy chỉnh dữ liệu và biểu đồ thông qua các chủ đề, mẫu và báo cáo tùy chỉnh Phiên bản Origin 2018 đáp ứng tốt nhu cầu của các nhà khoa học và kỹ sư trong việc phân tích dữ liệu biểu đồ, với nhiều tính năng chính nổi bật.

Sử dụng hơn 100 loại biểu đồ, Origin giúp tùy chỉnh các biểu đồ chất lượng phù hợp với nhu cầu

Origin cung cấp các công cụ mạnh mẽ cho nhu cầu tính toán, bao gồm điều chỉnh đường cong, thống kê, phân tích đỉnh và xử lý tín hiệu Để tối ưu hóa dữ liệu, Origin Pro hỗ trợ nhiều định dạng phổ biến.

Công cụphân tích đỉnh Origin cung cấp nhiều khảnăng hơn để tìm và phù hợp với nhiều điểm trong quá trình làm việc

Origin có thểđịnh vị các điểm dữ liệu 3D trên các mức tọa độ X, Y và Z, và các mức và điểm có thểđược hiển thị cùng nhau

Với Origin, có nhiều cách hơn để sử dụng dữ liệu trực quan

Trong luận văn này, phần mềm Origin được sử dụng kết hợp với hàm phân phối chuẩn hóa để xác định mật độ xác suất của các vùng đường kính thanh/sợi tối ưu của tinh thể hydroxyapatite.

Hình 3 27: Giao diện phần mềm Origin

KẾ T QU Ả VÀ TH Ự C NGHI Ệ M

K ế t qu ả đánh giá đố i v ớ i m ẫ u b ộ t CaCO 3

Để đảm bảo chất lượng nguyên liệu thô ảnh hưởng đến chất lượng tổng hợp HAp, nghiên cứu này tiến hành phân tích kích thước hạt của bột mịn từ vỏ ngao sau khi nghiền Các phương pháp được sử dụng bao gồm tán xạ và nhiễu xạ Laser, XRD và SEM.

Hình 4 1: Bột ngao sau nghiền

4.1.1 K ế t qu ả ch ụ p ả nh hi ển vi điệ n t ử quét SEM

Kết quả chụp SEM của bột CaCO3được thể hiện như hình 4 2

Hình 4 2: Ảnh SEM của bột CaCO 3 chế độ nghiền 4h với các độ phóng đại khác nhau

Kết quả chụp ảnh SEM cho thấy bột CaCO3 sau khi nghiền trong 4 giờ có hình dạng hạt đa cạnh, mịn và kích thước đồng đều, được quan sát ở các độ phóng đại khác nhau (x 30.000, x 15.000) Dựa trên những phát hiện này, nhóm nghiên cứu quyết định tiếp tục tạo ra bột CaCO3 trong khoảng thời gian tương tự.

4.1.2 K ế t qu ả phân tích b ằng phương pháp XRD

Hình 4 3: Giản đồ XRD của mẫu bột CaCO 3

Dựa trên phân tích XRD mẫu bột CaCO3, nhóm nghiên cứu xác định rằng các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của CaCO3 đều xuất hiện, với cường độ tương đồng với phổ chuẩn (PDF 00-041-1475) Điều này cho thấy thành phần chính của mẫu bột sau khi nghiền chủ yếu là CaCO3, trong khi các tạp chất, nếu có, rất nhỏ và không thể phát hiện qua nhiễu xạ tia X.

4.1.3 K ế t qu ảxác đị nh phân b ố c ấ p h ạ t Để đánh giá ảnh hưởng của thời gian nghiền đến kích thước hạt CaCO3, nhóm nghiên cứu thay đổi thời gian nghiền đối với mỗi chế độ để tìm ra kích thước hạt phù hợp làm nghiên cứu này

Kết quả của các chếđộ nghiền được thể hiện như sau:

Chế độ nghiền trong 1 giờ cho thấy kích thước hạt thu được không đồng đều, với phân bố kích thước rộng từ 0,5 đến 100 µm Thời gian nghiền ngắn dẫn đến sự tồn tại của nhiều hạt có kích thước lớn.

Hình 4 5: Biểu đồ phân bố kích thước hạt của CaCO 3 ở chế độ 2h

Qua biểu đồ nhận thấy, kích thước hạt đã giảm so với chế độ 1h, tuy nhiên vẫn cũn nhiều hạt cú kớch thước lớn hơn 100àm

Chế độ nghiền trong 3h, kích thước hạt đã được cải thiện, các hạt có kích thước lớn đã giảm

Trong chế độ nghiền này, kích thước hạt đã thay đổi đáng kể, kích thước hạt phõn bố tập trung chủ yếu trong khoảng từ 0,5ữ5 àm

Theo biểu đồ phân bố kích thước hạt, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng sau 4 giờ nghiền (hình 4.7), tần suất kích thước hạt nhỏ gia tăng và mức độ đồng đều của các hạt cũng cao Kết quả này phù hợp với những nghiên cứu trước đây về quá trình tổng hợp bột CaCO3.

Hình 4 8: Bột ngao sau khi nghiền trong thời gian 4h

T ổ ng h ợ p hydroxyapatite

Hydroxyapatite được tổng hợp dựa trên tỷ lệ Ca/P, sau đó mẫu được phân tích bằng các phương pháp như SEM (Kính hiển vi điện tử quét), XRD (Phân tích nhiễu xạ tia X) và FTIR (Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier), cùng với các công cụ Image J và Origin.

 Kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử SEM

Kết quả chụp ảnh bằng phương pháp SEM được thể hiện như hình 4 9

Hình 4 9: Ảnh SEM của bột HAp

Kết quả phân tích ảnh SEM của mẫu bột HAp tổng hợp với tỷ lệ Ca/P = 1,67 cho thấy các thanh có kích thước tương đối đồng đều, đan xen nhau và có kích thước khoảng vài chục nm Hình ảnh được chụp ở các mức độ phóng đại khác nhau (x100.000, x50.000, x30.000) cho thấy rõ dạng cấu trúc của các thanh HAp.

4.2.1 Phân tích b ằng phương pháp XRD

Dựa vào những dữ liệu nhận được khi phân tích XRD của mẫu HAp (hình

Các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của HAp xuất hiện với cường độ tương tự như phổ chuẩn (ICDD 9-432), chứng minh rằng sản phẩm HAp đã được tổng hợp thành công theo quy trình đã nêu Kết quả này khẳng định tính chính xác của phương pháp tổng hợp được áp dụng.

Hình 4 10: Kết quả phân tích bằng nhiễu xạ XRD của HAp

Hình 4 11: Kết quả so sánh với phổ chuẩn ICDD 9-432

4.2.2 Phân tích b ằng phương pháp FTIR

Hình 4 12: Phổ FTIR của mẫu HAp

Phổ FTIR của mẫu Hydroxyapatite (HAp) được ghi nhận ở nhiệt độ phản ứng 140 oC trong khoảng quét từ 4000 cm -1 đến 400 cm -1 cho thấy sự hiện diện của nhóm PO4 3-, OH - và CO3 2- Các vạch đặc trưng cho dao động của PO4 3- xuất hiện tại 570,93; 603,72; 1051,20; 1091,71 cm -1, trong khi vạch O-H xuất hiện ở 632,65; 1269,16; 1992,47 cm -1 và liên kết CO3 2- ở 875,68; 1421,54; 1458,18 cm -1 Những kết quả này hoàn toàn phù hợp với dữ liệu chuẩn, khẳng định rằng chất thu được là Hydroxyapatite (HAp).

Đánh giá ảnh hưở ng c ủ a t ỷ l ệ Ca/P

Sau khi chụp ảnh SEM, mẫu HAp được sử dụng để đo kích thước đường kính các thanh tinh thể HAp bằng phần mềm Image J Dữ liệu thu được sau đó được phân tích và vẽ đường phân bố kích thước thanh bằng phần mềm Origin Đường cong phân bố đường kính thanh được xây dựng dựa trên hàm normal.

Trong đó: σ: Phương sai (độ lệch chuẩn) μ: Trung bình

Sau quá trình đo kích thước thanh và vẽ biểu đồ, nhóm nghiên cứu đã xây

53 dựng lên được biểu đồ phân bốđường kính thanh với các tỷ lệ Ca/P khác nhau

Hình 4 13: Đồ thị phân bố đường kính thanh với tỷ lệ Ca/P=1,65

Biểu đồ phân bố kích thước thanh với tỷ lệ Ca/P = 1,65, như thể hiện trong hình 4.13, cho thấy đường kính thanh nằm trong khoảng từ 30 đến 140 nm, với đường kính trung bình từ 60 đến 80 nm được thể hiện ở đỉnh của đường màu đỏ Đặc biệt, đường kính nano phổ biến nhất rơi vào khoảng 40 đến 50 nm, bên cạnh đó vẫn tồn tại một số thanh có đường kính nhỏ hơn.

Hình 4 14: Đồ thị phân bố đường kính thanh với tỷ lệ Ca/P 1,67

Kết quả biểu đồ phân bốkích thước đường kính thanh của tỷ lệ Ca/P = 1,67 được thể hiện ở hình 4.14 Biểu đồ phân bố cho thấy đường kính trung bình trong

Đường kính trung bình của thanh có xu hướng giảm và đỉnh của đường màu đỏ dịch chuyển sang bên trái, với kích thước chủ yếu tập trung trong khoảng 40÷80 nm, đặc biệt là trong khoảng 50÷70 nm.

Kết quả từ biểu đồ phân bố đường kính thanh với tỷ lệ Ca/P = 1,69 cho thấy đường kính thanh trung bình nằm trong khoảng 40÷55 nm, với đỉnh của đường cong phân bố dịch sang trái Đường kính thanh tối đa được ghi nhận trong khoảng 30÷50 nm.

Kết quả biểu đồ phân bố đường kính thanh của tỷ lệCa/P = 1,71 được thể hiện ở hình 4.16 Biểu đồ phân bố cho thấy đường kính thanh trung bình trong

Kích thước của thanh nano thường nằm trong khoảng 20 đến 50 nm, với đỉnh của đường phân bố đường kính trung bình dịch sang trái và có xu hướng thu nhỏ vùng đỉnh của đường cong lại, đạt khoảng 35 đến 45 nm.

Biểu đồ phân bố đường kính thanh của tỷ lệ Ca/P = 1,73, như thể hiện trong hình 4.17, cho thấy đường kính thanh trung bình nằm trong khoảng 35÷40 nm Đỉnh của đường cong phân bố dịch sang trái và bị thu hẹp lại, với đường kính thanh nano chủ yếu tập trung trong khoảng 20÷40 nm.

Đồ thị phân bố kích thước sợi theo tỷ lệ Ca/P cho thấy xu hướng giảm kích thước sợi trung bình khi tỷ lệ Ca/P tăng từ 1,65 đến 1,73 Cụ thể, kích thước sợi trung bình tại tỷ lệ Ca/P = 1,65 đạt khoảng 70nm, trong khi tại tỷ lệ Ca/P = 1,73, kích thước này giảm xuống còn khoảng 35nm.

Đánh giá ảnh hưở ng c ủ a giá tr ị pH

Chế độ tổng hợp HAp được thực hiện ở điều kiện pH 6÷7, tuy nhiên, sau khi phản ứng, nhóm nghiên cứu không quan sát thấy sự hình thành kết tủa HAp trong dung dịch.

 Chếđộ tổng hợp ởđiều kiện pH 7÷8

Cũng như phương pháp phân tích như mẫu trễn Kết quả phân bố đường kính thanh của điều kiện tổng hợp pH=7÷8 được thể hiện ởhình dưới:

Hình 4 18: Đồ thị phân bố đường kính thanh HAp ở điều kiện pH =7÷8

Kết quả phân bố đường kính tinh thể nano HAp ở điều kiện pH từ 7 đến 8 được trình bày trong hình 4.18 Phân bố này cho thấy dạng biểu đồ cột kết hợp với đường cong, trong đó phân phối xác suất của các vùng đường kính tinh thể HAp hình thành một đường cong chuông Các vùng đường kính cụ thể bao gồm 20÷30 nm, 30÷40 nm, 80÷90 nm, 90÷100 nm và 110÷120 nm.

Tỷ lệ 120÷130nm rất thấp và nằm ở sườn thoải của đồ thị phân bố, trong khi đỉnh của đường cong chuông ở vùng đường kính 60 nm cho thấy xác suất phân bố cao nhất tại đây Trong chế độ tổng hợp này, tinh thể HAp được hình thành với đường kính khá lớn.

Cũng như phương pháp phân tích như 2 mẫu trễn Kết quả phân bố bố đường kính thanh của điều kiện tổng hợp pH=8÷9 được thể hiện ở hình dưới:

Hình 4 19: Đồ thị phân bố đường kính thanh HAp ở điều kiện pH 8÷9

Kết quả phân bố đường kính của thanh HAp ở pH=8÷9 cho thấy đồ thị có dạng biểu đồ kết hợp cột và đường, với đường phân phối xác suất hình chuông So với mẫu pH=7÷8, vùng đường kính 20÷30nm có xác suất phân bố cao hơn, trong khi các vùng 80÷90nm, 90÷100nm, 110÷120nm, và 120÷130nm có tỷ lệ thấp hơn Đỉnh của đường cong chuông nằm ở vùng đường kính 55nm, cho thấy xác suất phân bố cao nhất tại đây Qua đó, có thể khẳng định rằng tinh thể HAp được hình thành ở pH=8÷9 có đường kính lớn hơn nhưng xu hướng nhỏ hơn so với điều kiện pH=7÷8.

Cũng như phương pháp phân tích như các mẫu trễn Kết quả phân bố bố đường kính thanh của điều kiện tổng hợp pH=9 ÷ 10 được thể hiện ởhình dưới:

Hình 4 20: Đồ thị phân bố đường kính thanh HAp ở điều kiện pH 9÷10

Kết quả phân bố đường kính thanh HAp tại pH=9÷10 cho thấy đồ thị dạng cột kết hợp đường, với đỉnh đường cong chuông ở vùng 50 nm So với mẫu ở pH=7÷8 có đỉnh 60 nm và mẫu pH=8÷9 có đỉnh 55 nm, đồ thị tại pH=9÷10 thể hiện sự khác biệt rõ rệt Điều này cho thấy sự thay đổi quy luật trong phân bố đường kính HAp giữa các mẫu pH khác nhau.

Trong nghiên cứu, chúng tôi nhận thấy rằng kích thước hạt HAp có xu hướng giảm dần khi giá trị pH trong dung môi tăng lên Cụ thể, ở khoảng 10÷20 nm, tỷ lệ xuất hiện khá cao, trong khi các mẫu có pH=7÷8 và pH=8÷9 lại không thấy xuất hiện Ngược lại, các vùng đường kính 80÷90 nm, 90÷100 nm và 110÷120 nm có tỷ lệ xác suất phân bố rất thấp, thấp hơn so với các mẫu pH=7÷8 và pH=8÷9 Đặc biệt, vùng đường kính 120÷130 nm hoàn toàn không xuất hiện trong điều kiện tổng hợp pH=9÷10.

Nghiên cứu cho thấy giá trị pH có ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước tinh thể nano HAp, với sự giảm dần kích thước khi pH tăng Cụ thể, đỉnh đường cong chuông phân phối xác suất của đường kính thanh nano HAp lần lượt là 60 nm tại pH 7-8, 55 nm tại pH 8-9, và 50 nm tại pH 9-10.

Đánh giá ảnh hưở ng c ủ a nhi ệt độ

Hình 4 21: Đồ thị phân bố đường kính thanh khi phản ứng ở nhiệt độ 120 0 C

Kết quả phân bố đường kính thanh khi phản ứng ở 120°C được thể hiện trong hình 4.21 Biểu đồ cột minh họa phân bố đường kính các thanh, trong khi đồ thị hình chuông biểu diễn hàm mật độ xác suất phân bố kích thước trung bình của thanh Phân bố cho thấy đường kính thanh nằm trong một khoảng nhất định.

20÷140nm, đường kính thanh phân bố chủ yếu tập trung trong khoảng

56÷60 nm Ở chế độ tổng hợp này, tinh thể HAp hình thành có đường kính tương đối lớn

Kết quả phân bố kích thước thanh hình thành khi phản ứng ở 140 0 C được thể hiện ở hình 4.22 Biểu đồ phân bố cho thấy đường kính thanh trong khoảng từ

Khi nhiệt độ tăng, đường kính trung bình của các tinh thể HAp hình thành sẽ tăng, với đường kính phân bố tập trung trong khoảng 58 đến 62 nm Đặc biệt, đỉnh đường màu đỏ có xu hướng dịch chuyển sang bên phải khi chế độ nhiệt độ đạt 120 °C, cho thấy sự tương quan giữa nhiệt độ và kích thước tinh thể.

Kết quả phân bố kích thước thanh hình thành khi phản ứng ở 160 o C được thể hiện ở hình 4.23 Biểu đồ phân bố cho thấy đường kính thanh trong khoảng từ

20÷ 140nm, đường kính thanh phân bố tập trung trong khoảng 63÷67 nm, đỉnh của đường màu đỏ có xu hướng dịch chuyển mạnh sang bên phải so với chế độ

140 0 C hay đường kính thanh trung bình có xu hướng tăng Ở chếđộ này, tinh thể HAp hình thành có đường kính trung bình khá lớn

Kết quả phân bố đường kính thanh sau phản ứng ở 180°C được thể hiện trong hình 4.24 Biểu đồ cho thấy đường kính thanh nằm trong khoảng từ 20 đến 170 nm, với sự tập trung chủ yếu trong khoảng 78 đến 82 nm Đỉnh của đường màu đỏ có xu hướng dịch chuyển mạnh sang bên phải so với chế độ.

160 0 C hay đường kính thanh trung bình có xu hướng tăng Ở chếđộ này, tinh thể HAp hình thành có đường kính trung bình lớn

Nhận xét: từđồ thị hàm phân bố đường kính thanh ứng với từng nhiệt độ

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phân bố đường kính trung bình của thanh, với xu hướng tăng đường kính khi nhiệt độ tăng Cụ thể, khi tổng hợp tinh thể HAp ở 140 °C, các thanh thu được đạt đường kính như mong muốn.

Đánh giá ảnh hưở ng c ủ a th ờ i gian

Hình 4 25: Đồ thị phân bố đường kính thanh khi phản ứng tại 8 giờ

Kết quả phân bốđường kính thanh hình thành khi phản ứng trong thời gian

Hình 4.25 trình bày kết quả của quá trình nghiên cứu, trong đó biểu đồ cột thể hiện sự phân bố đường kính của các thanh, còn đồ thị hình chuông phản ánh hàm mật độ xác suất phân bố đường kính trung bình Qua hình ảnh SEM, sản phẩm thu được có dạng thanh nano khi thực hiện ở chế độ trên Biểu đồ phân bố cho thấy đường kính thanh nằm trong khoảng 10 đến 130 nm, với phần lớn tập trung trong khoảng 56 đến 60 nm Ở chế độ này, tinh thể HAp hình thành có đường kính trung bình khá nhỏ, và chiều dài của các thanh vẫn chưa đạt đủ kích thước mong muốn.

Hình 4.26 thể hiện rằng sau 10 giờ, sản phẩm tạo thành có dạng thanh với đường kính nano Qua ảnh SEM, ta thấy đường kính thanh nằm trong khoảng 10 đến 120 nm, với sự tập trung chủ yếu từ 57 đến 61 nm Đặc biệt, đỉnh của đường phân bố màu đỏ có xu hướng dịch chuyển sang bên phải so với chế độ 8 giờ, cho thấy đường kính thanh trung bình có xu hướng tăng Tuy nhiên, ở chế độ này, tinh thể HAp hình thành vẫn có đường kính trung bình khá nhỏ và chưa đạt kích thước lớn như mong muốn, tương tự như chế độ tổng hợp 8 giờ.

Hình 4 27:Đồ thị phân b ố đường kính thanh khi phản ứng tại 12 giờ

Hình 4.27 cho thấy sản phẩm sau 12 giờ có dạng thanh kích thước nano, với đường kính thanh phân bố trong khoảng 20÷130nm, chủ yếu tập trung từ 57÷61 nm Đỉnh đường màu đỏ trong biểu đồ phân bố tương ứng với chế độ 10 giờ, cho thấy đường kính trung bình của thanh ở cả hai chế độ này là bằng nhau Tinh thể HAp hình thành trong chế độ này có đường kính trung bình mong muốn, và qua ảnh SEM, đường kính các thanh đã phát triển đáng kể so với trường hợp 10 giờ.

Sau 14 giờ, hình ảnh SEM cho thấy sản phẩm tạo thành có dạng thanh kích thước nano Biểu đồ phân bố chỉ ra rằng đường kính thanh nằm trong khoảng 20÷140nm, với sự tập trung chủ yếu ở khoảng 61÷65nm Đỉnh đường phân bố màu đỏ có xu hướng dịch chuyển mạnh sang bên phải so với chế độ 12 giờ, cho thấy đường kính thanh trung bình đang gia tăng Trong chế độ này, tinh thể HAp hình thành có đường kính trung bình lớn, với nhiều thanh HAp có kích thước lớn xuất hiện.

Nhận xét từ đồ thị hàm phân bố đường kính thanh HAp cho thấy thời gian phản ứng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phân bố đường kính trung bình của thanh Cụ thể, đường kính trung bình tăng khi thời gian phản ứng kéo dài từ 8 giờ đến 10 giờ, và từ 12 giờ đến 14 giờ Tuy nhiên, sự gia tăng đường kính diễn ra chậm hơn giữa 10 giờ và 12 giờ Đặc biệt, sau 12 giờ, xuất hiện các thanh có đường kính lớn, trong khi ở thời gian dưới 10 giờ, chiều dài thanh chưa phát triển đủ, dẫn đến đường kính bị hạn chế.

Tiêu đề	Nghiên cứu chế tạo tinh thể nano hydroxyapatite từ vỏ ngao trên địa bàn tỉnh Thái Bình
Tác giả	Phan Đình Vũ
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Ngọc Minh
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật vật liệu
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	69
Dung lượng	1,72 MB