TỔNG QUAN
HYDROXYAPATITE
Hydroxyapatite (HA) có màu sắc đa dạng như trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tùy thuộc vào điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp HA có điểm nóng chảy ở 1760 °C và điểm sôi ở 2850 °C, với độ tan trong nước là 0,7 g/l Khối lượng phân tử của HA là 1004,60 g/mol, khối lượng riêng đạt 3,156 g/cm³ và độ cứng theo thang Mohs là 5.
57] HA là hợp chất bền nhiệt, chỉ bị phân hủy ở khoảng 800-1200 o C tùy thuộc vào phương pháp điều chế và dạng tồn tại.
Tinh thể HA thường xuất hiện dưới nhiều hình dạng như hình que, hình kim, hình vảy và hình cầu Để nhận diện các dạng tồn tại của tinh thể HA, phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc hiển vi điện tử truyền qua (TEM) có thể được sử dụng.
Hình 1.1 Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HA
Cấu trúc mạng của HA gồm: Ca 2+ , PO4 3- và OH - đƣợc sắp xếp trong các ô đơn vị.
Hình 1.2 Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA
Trong tổng số 14 ion Ca 2+, có 6 ion thuộc về hydroxyapatite (HA) nằm hoàn toàn trong ô mạng đơn vị, trong khi 8 ion còn lại nằm trên chu vi hai mặt đáy, với 4 ion định vị trong mỗi ô Đối với 10 nhóm PO4 3-, chỉ có 2 nhóm nằm trong ô đơn vị, còn 8 nhóm nằm trên chu vi hai mặt đáy, trong đó 6 nhóm thuộc về ô đơn vị, bao gồm 2 nhóm bên trong và 4 nhóm trên chu vi Tương tự, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH- thuộc về ô đơn vị Số lượng ion trong ô đơn vị có thể không phản ánh đúng công thức phân tử của HA do sự lặp lại của các ô trong hệ đối xứng ba chiều Từ đó, một phân tử HA bao gồm 10 ion Ca 2+, 6 nhóm PO4 3- và 2 nhóm OH-, khẳng định công thức hóa học tỷ lệ của HA là Ca10(PO4)6(OH)2.
Nestor J Zaluzec [48] đã nghiên cứu và chỉ ra công thức cấu tạo của phân tử
Phân tử HA, như thể hiện trong hình 1.3, có cấu trúc mạch thẳng với các liên kết Ca – O là liên kết cộng hoá trị Hai nhóm OH được gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch, tạo nên đặc điểm cấu trúc độc đáo của phân tử này.
Hình 1.3 Công thức cấu tạo của phân tử HA
• HA không phản ứng với kiềm nhƣng phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước:
Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl 3Ca3(PO4)2↓ + CaCl2 + 2H2O (1.1)
• HA tương đối bền nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800 o C đến 1200 o C tạo thành oxy-hydroxyapatite theo phản ứng:
Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 ≤ x ≤ 1) (1.2) Ở nhiệt độ > 1200 o C, HA bị phân hủy thành β - Ca3(PO4)2 và Ca4P2O9 hoặc CaO:
Ca10(PO4)6(OH)2 2β-Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + 2H2O (1.3)
Ca10(PO4)6(OH)2 2β- Ca3(PO4)2 + CaO + 2H2O (1.4)
Hyaluronic Acid (HA) tự nhiên và nhân tạo đều có tính tương thích sinh học cao nhờ vào thành phần hóa học và cấu trúc tương tự nhau Dạng bột mịn kích thước nano của HA là dạng canxi photphat dễ hấp thụ nhất, với tỷ lệ Ca/P phù hợp với xương và răng Ở dạng màng và xốp, HA có đặc tính hóa học giống xương tự nhiên, với các lỗ xốp liên thông giúp mô sợi và mạch máu dễ dàng xâm nhập Điều này làm cho vật liệu này có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non, từ đó thúc đẩy quá trình tái sinh xương nhanh chóng mà không bị cơ thể đào thải.
HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính kháng khuẩn.
1.1.4 Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA
Các muối canxi photphat (CaP) là thành phần chính trong cấu trúc xương và răng của động vật có xương sống, chiếm 65-70% khối lượng xương Xương được xem như một vật liệu compozit tự nhiên, bao gồm các chất khoáng sinh học gắn trong một nền tảng polyme cùng với các chất hữu cơ và nước Nước chiếm khoảng 5-8% khối lượng xương, trong khi phần còn lại chủ yếu là collagen, tạo nên pha hữu cơ trong cấu trúc xương.
Collagen là chất nền quan trọng cho sự lắng đọng và tăng trưởng của các khoáng chất, trong đó hydroxyapatite (HA) là thành phần chính của pha khoáng sinh học Nghiên cứu tổng hợp HA đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học vật liệu trong nhiều thập kỷ qua nhờ vào tính tương thích sinh học vượt trội của nó.
30], gần gũi với các polyme sinh học [30] và có khả năng dẫn xương cao [8, 20, 23,
HA đã được chứng minh có khả năng thúc đẩy sự phát triển xương mới thông qua cơ chế dẫn xương mà không gây độc tính, viêm hay dị ứng Khi cấy ghép vật liệu gốm chứa HA vào cơ thể, một lớp mô mới hình thành trên bề mặt, giúp liên kết các mô cấy vào xương và định hình mô cấy một cách hiệu quả với các mô xung quanh.
Hyaluronic Acid (HA) và các muối Canxi Phosphat (CaP) đã được nghiên cứu như những hợp chất mô hình để tìm hiểu quá trình khoáng hóa sinh học trong cơ thể con người Nghiên cứu gần đây cho thấy rằng các hạt HA có khả năng ức chế sự phát triển của nhiều loại tế bào ung thư Hiện nay, HA được ưa chuộng trong các ứng dụng y sinh học, bao gồm thay thế xương, điều trị các khuyết tật nha chu, cấy ghép tai giữa, phát triển hệ thống kỹ thuật mô, truyền dẫn thuốc, điều trị bệnh loãng xương, và làm vật liệu nha khoa cũng như lớp phủ hoạt tính sinh học cho các miếng cấy ghép xương bằng kim loại.
Ngoài lĩnh vực dược học và y sinh học, HA và các muối CaP ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác Chúng được sử dụng làm chất xúc tác cho các phản ứng như cộng hợp kiểu Michael và oxy hóa metan, cũng như nguyên liệu cho phát laser và vật liệu huỳnh quang HA tổng hợp còn có thể áp dụng trong phương pháp sắc ký cột để tách biệt nhanh chóng và hiệu quả các protein và axit nucleic Hơn nữa, HA là vật liệu quý giá trong xử lý nước và hấp phụ kim loại nặng trong đất.
Nghiên cứu cho thấy vật liệu hydroxyapatite (HA) kích thước nano có tính tương thích và hoạt tính sinh học vượt trội so với vật liệu kích thước micro, nhờ vào hoạt tính bề mặt cao giúp giải phóng nhanh các ion canxi Kích thước nano cũng giúp ức chế phản ứng khử khoáng ở men răng và xương, từ đó ngăn ngừa bệnh sâu răng và loãng xương Hơn nữa, nano HA còn có khả năng giảm tế bào chết, cải thiện sự tăng sinh và hoạt tính tế bào liên quan đến phát triển xương, làm cho gốm sinh học và compozit sinh học chứa HA nano trở thành vật liệu tiềm năng cho ứng dụng y sinh Sự quan tâm nghiên cứu vật liệu HA ngày càng tăng, với số lượng ấn phẩm về các dạng vật liệu chứa HA tăng gấp ba lần từ năm 1999 đến 2011 Tuy nhiên, việc điều chế HA với các đặc trưng xác định vẫn là một thách thức, đặc biệt là trong việc kiểm soát cấu trúc tinh thể, thành phần hóa học và phân bố kích thước.
1.1.5 Các phương pháp tổng hợp HA Để tạo ra HA có những tính chất ƣu việt đáp ứng yêu cầu từng mục đích sử dụng cụ thể, rất nhiều phương pháp khác nhau đã được phát triển như kết tủa hóa học, điện hóa, thủy nhiệt, phản ứng pha rắn, đôi khi có sự hỗ trợ của các thiết bị siêu âm, vi sóng [4 – 6, 11 - 13, 21, 37 - 40, 50] Có thể phân thành 2 loại là phương pháp ướt và phương pháp khô… Trong đó, phương pháp khô: phương pháp phản ứng pha rắn, phương pháp hóa cơ, phương pháp vật lí Còn phương pháp ướt là phương pháp tạo ra pha rắn HA từ dung dịch chứa các nguyên liệu ban đầu khác nhau Phương pháp ướt bao gồm: phương pháp kết tủa, sol-gel hay phương pháp kết tinh từ dung dịch bão hòa, phương pháp phun sấy, phương pháp sử dụng vi sóng,
Phương pháp ướt thường được sử dụng để tổng hợp HA dạng bột với kích thước đa dạng Một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng điều chỉnh kích thước hạt HA theo yêu cầu cụ thể.
Trong luận văn này, chúng tôi chỉ quan tâm đến phương pháp kết tủa trong phương pháp ướt.
Tổng hợp hydroxyapatite (HA) thông qua quá trình kết tủa từ các ion Ca2+ và PO4^3- có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, và những phương pháp này được chia thành hai nhóm chính.
- Phương pháp kết tủa tử các muối chứa ion Ca 2+ và PO 4 3- dễ tan trong nước: Các muối hay đƣợc dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4,…
10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH4OH→Ca10(PO4)6(OH)2↓+20NH4NO3+6H2O (1.5)
Lượng Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 được chuẩn bị theo tỷ lệ mol Ca/P = 1,67, hòa tan trong nước cất với nồng độ 0,2M và 0,1M tương ứng Dung dịch (NH4)2HPO4 được nhỏ từ từ với tốc độ 2ml/phút vào cốc chứa Ca(NO3)2, trong khi đó máy khuấy từ hoạt động với tốc độ 300-400 vòng/phút Để đảm bảo phản ứng diễn ra trong môi trường pH từ 10 đến 12, dung dịch NH4OH được bổ sung.
POLYMALTOSE
Polymaltose là sản phẩm thủy phân không hoàn toàn từ tinh bột, với các sản phẩm khác nhau phụ thuộc vào mức độ thủy phân, loại enzyme và điều kiện thủy phân Những sản phẩm này được đặc trưng bởi giá trị đường khử dextrose equivalent (DE).
DE là chỉ số đo lường lượng đường khử trong sản phẩm, được so sánh với dextrose (glucose) và thể hiện dưới dạng phần trăm trên khối lượng chất thô Giá trị DE phản ánh mức độ chuyển hóa từ tinh bột sang dextrose; ví dụ, tinh bột tự nhiên như tinh bột sắn có DE gần bằng không, trong khi glucose có DE là 100.
Maltodextrin, dextrin và polymaltose là những sản phẩm thủy phân không hoàn toàn tinh bột phổ biến Tuy nhiên, giữa các loại này không có sự phân biệt rõ ràng về giá trị DE, dẫn đến sự nhầm lẫn trong việc hiểu và sử dụng chúng.
Maltodextrin thường được nghĩa rõ ràng hơn, để chỉ các sản phẩm có DE 20 hoặc thấp hơn, thường trong khoảng 3 - 20 [60, 61].
Dextrin để chỉ chung chung các sản phẩm thủy phân tinh bột có chiều dài mạch trung bình.
Polymaltose hay đƣợc chú thích nhƣ là một tên khác của dextrin, một số công bố lại cho rằng thuật ngữ polymaltose tương đương với maltodextrin.
Trong lĩnh vực vật liệu y sinh học, polymaltose là thuật ngữ phổ biến, đặc biệt liên quan đến các chất bổ sung sắt Do đó, trong nghiên cứu về sản phẩm thủy phân tinh bột có DE từ 12 đến 30, chúng tôi đã quyết định sử dụng tên gọi polymaltose để phát triển vật liệu ứng dụng trong y sinh học.
Polymaltose là một sản phẩm hòa tan trong nước, được cấu tạo từ các phân tử D-glucose liên kết với nhau Công thức cấu tạo của polymaltose là (C6H10O5)n, với khối lượng phân tử dao động từ 10.000 đến 100.000 Dalton Các phân tử glucose chủ yếu liên kết với nhau thông qua các liên kết α-1,4 và α-1,6 glicozit.
Hình 1.3 Công thức cấu tạo của polymaltose
1.2.2 Tính chất và ứng dụng của polymaltose [51, 52, 54]
Polymaltose có khả năng giữ ẩm hiệu quả và ngăn chặn sự kết tinh, đặc biệt là ngăn cản độ ẩm di chuyển từ hạt tinh bột Nhờ đó, polymaltose giúp giảm hiện tượng thoái hóa bằng cách ức chế quá trình tái cấu trúc chuỗi amylose và amylopectin, cùng với sự liên kết giữa tinh bột và gluten Do đó, polymaltose duy trì độ ẩm cao và giữ được độ ẩm lý tưởng trong thực phẩm, đặc biệt là các loại bánh tươi.
- Polymaltose có thể hấp thu từ từ trong máu, cung cấp năng lƣợng cho cơ thể một cách đều đều, giữ ổn định trong máu trong thời gian dài.
- Được dùng để căn chỉnh kích thước màng, ổn định các tính chất cảu các sản phẩm thực phẩm và nguyên liệu.
Polymaltose là một thành phần bổ sung trong thực phẩm và đồ uống, giúp giảm hàm lượng glucose trong máu bằng cách thay thế một phần glucose Ngoài ra, polymaltose còn ngăn chặn sự kết tinh của đường saccharose và bảo vệ cấu trúc sản phẩm trong quá trình bảo quản.
Polymaltose có độ ngọt thấp, chỉ bằng 30% so với đường saccharose trong dung dịch 10% ở nhiệt độ 25°C Do đó, polymaltose có thể được sử dụng để thay thế đường saccharose trong thực phẩm, giúp giảm độ ngọt của sản phẩm mà vẫn giữ nguyên hương vị.
Polymaltose mang lại hương vị hấp dẫn và dễ tiêu hóa, thường được sử dụng trong thực phẩm cho trẻ em, người già và bệnh nhân Đặc biệt, nó rất phù hợp cho người bệnh tiểu đường và người cao tuổi.
VẬT LIỆU COMPOZIT CỦA HA VÀ POLYME
1.3.1 Sự tạo thành vật liệu compozit HA/polyme
Trong việc hình thành vật liệu compozit HA/polyme, polyme không chỉ là chất nền mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc tạo mầm và điều chỉnh sự phát triển của tinh thể HA Các nhóm cacboxyl trên phân tử polyme có ảnh hưởng lớn đến quá trình tạo mầm tinh thể HA Nghiên cứu của Z X Liu cho thấy bề mặt chứa nhóm cacboxyl tạo ra lượng tinh thể HA gấp ba lần so với bề mặt amin, trong khi bề mặt nhóm methyl gần như không có tinh thể HA Sử dụng phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM), Nonoyama và cộng sự đã phát hiện rằng các nhóm cacboxyl tương tác với ion canxi, tiếp theo là ion photphat gắn lên ion canxi trong giai đoạn đầu của quá trình tạo mầm HA.
Hình 1.4 Sự tạo mầm của HA trên chất nền polyme.
Các nhóm chức trên phân tử polyme đóng vai trò quan trọng trong việc tạo mầm cho tinh thể hydroxyapatite (HA) Quá trình tạo mầm và phát triển tinh thể HA xảy ra trên các polyme được gắn lên bề mặt vàng (Au).
Nhóm cacboxyl và cacbonyl trên collagen có vai trò quan trọng trong việc tạo mầm tinh thể Đối với chất nền tơ sợi Fibroin, các nhóm amin và hydroxyl cũng tham gia vào quá trình tạo mầm Ngoài ra, các nhóm amin trên chitosan cung cấp cặp electron tự do, tương tác với ion canxi để hình thành phức chitosan - ion canxi trước khi tạo mầm.
L Wang và cộng sự đã áp dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (Molecular Dynamics – MD) để chứng minh rằng tương tác giữa các phân tử chất nền polyme và HA chủ yếu là lực Van der Waals Các nhóm mang điện tích âm trên phân tử polyme thường tạo liên kết mạnh với ion canxi trong tinh thể HA, trong khi các nhóm tích điện dương liên kết với ion photphat Do đó, các polyme tự nhiên phân cực như chitosan, alginat, và tinh bột có khả năng kết dính và tương tác tốt với HA Tương tác hóa học giữa HA và polyme bao gồm các liên kết hydro, lực Van der Waals, và phức chất cacboxyl-Ca-cacboxyl.
… cho phép phân tán đồng đều HA trong pha hữu cơ.
Các compozit HA/chitosan đã được tổng hợp qua nhiều phương pháp khác nhau Chitosan có khả năng tan trong dung dịch nước các axit hữu cơ như axit axetic, axit lactic, axit malic và axit xitric, do đó, ảnh hưởng của các dung dịch này đến vi cấu trúc sản phẩm đã được nghiên cứu Kết quả cho thấy HA ở dạng tinh thể hình thành khi sử dụng axit axetic và axit lactic, trong khi HA tồn tại ở dạng vô định hình khi sử dụng các axit hữu cơ có nhiều hơn hai nhóm cacboxyl.
Tinh bột và các sản phẩm biến tính từ tinh bột là nguồn polyme tự nhiên quan trọng và phổ biến, nhưng tài liệu về việc chế tạo vật liệu HA từ chúng còn hạn chế Sadjadi, Meskinfam và cộng sự đã thực hiện quá trình mô phỏng sinh học in situ với tinh bột và hỗn hợp genlatin/tinh bột, cho thấy hình thái hạt HA bị ảnh hưởng bởi các polyme này, tạo ra HA có dạng hình que giống như HA vô cơ trong xương tự nhiên Ngoài ra, Shakir và cộng sự đã thông báo về việc tổng hợp thành công hệ HA/chitosan/dextrin qua phản ứng đồng kết tủa, ứng dụng trong kỹ thuật mô xương.
1.3.2 Các phương pháp tổng hợp compozit HA/polyme
Có nhiều phương pháp để chế tạo các vật liệu này, như phương pháp trộn
HA và polyme là những phương pháp quan trọng trong công nghệ vật liệu, bao gồm cơ nhiệt và điện hóa như mạ điện và điện xoay tròn (electrospinning) Trong số đó, các phương pháp hóa học nổi bật với nhiều ưu điểm về công nghệ và tính chất đặc trưng của vật liệu.
1.3.2.1 Phương pháp trộn HA và polyme
Phương pháp chế tạo compozit HA/polyme phổ biến nhất là trộn HA dạng bột hoặc huyền phù với các polyme, tạo ra vật liệu compozit dạng bột, màng hoặc khung xốp Việc điều chỉnh tỉ lệ khối lượng giữa HA và polyme sẽ dẫn đến các đặc tính khác nhau của compozit HA có thể được sản xuất thương mại hoặc chiết xuất từ các nguồn tự nhiên như xương động vật, vỏ chuối và san hô.
HA có nhiều hình dạng khác nhau như hình cầu, hình que, hình kim và hình phiến, thường kết tập thành khối do năng lượng bề mặt lớn của các tinh thể nano Hình dạng bất thường của HA giúp polyme dễ dàng thâm nhập vào bề mặt hạt và tạo ra các liên kết với tinh thể HA, trong khi bề mặt trơn mịn của hạt HA hình cầu lại khó tạo ra tương tác tương tự.
Murugan và các cộng sự đã áp dụng phương pháp hai bước để chế tạo các hệ compozit cấu trúc nano của hydroxyapatite (HA) với chitosan Đầu tiên, họ tiến hành kết tủa HA trong môi trường kiềm bằng cách sử dụng NH4OH ở pH 10 từ các muối CaCl2 và (NH4)2HPO4 Sau đó, HA cấu trúc nano được trộn với các dung dịch chitosan có nồng độ khác nhau trong axit axetic tại một nhiệt độ cố định.
Finisie và các cộng sự [28] đã sử dụng phương pháp trộn để chế tạo compozit
HA và chitosan được cấu trúc thành dạng xốp từ hỗn hợp HA, nhôm và chitosan với tỉ lệ khác nhau, trong đó nhụm đóng vai trò tạo ra các lỗ xốp có kích thước lớn hơn 100 nm thông qua quá trình tương tác giữa natri aluminat và dung dịch NaOH đậm đặc, giải phóng hydro Compozit HA/collagen được chế tạo bằng cách trộn bột HA với dung dịch hoặc gel collagen, sau đó thực hiện quá trình đông khô Kết quả phân tích cấu trúc cho thấy các hạt HA chỉ bị “mắc kẹt vật lý” trong nền collagen, tuy nhiên, việc phân tán đồng nhất HA trong chất nền polymer gặp khó khăn do thiếu sự tương tác giữa pha vô cơ và hữu cơ.
Hình 1.5 Compozit HA/collagen (a) Sơ đồ mô tả các hạt HA bị “mắc kẹt” vật lí trong chất nền collagen,
(b) ảnh SEM HA kết tập trong chất nền collagen [34]
1.3.2.2 Phương pháp kết tủa trực tiếp
Mặc dù các phương pháp trộn, cơ nhiệt và điện hóa có nhiều ưu điểm, nhưng compozit thu được thường không đồng nhất ở mức vi cấu trúc do khó khăn trong việc phân bố đồng đều pha vô cơ trong chất nền polyme, dẫn đến suy giảm các đặc tính lý, hóa, cơ, tương thích sinh học và phân hủy sinh học Vì vậy, trong những thập niên gần đây, nghiên cứu đã chuyển hướng sang phương pháp kết tủa trực tiếp (in situ method), mô phỏng quá trình tạo thành compozit vô cơ-hữu cơ trong tự nhiên Đối với compozit HA/polyme, việc kết tủa trực tiếp HA trong chất nền polyme cho phép kiểm soát cấu trúc và thành phần, tạo ra các tinh thể HA nhỏ, độ tinh thể thấp và phân tán đồng đều, tương tự như pha khoáng HA sinh học Phương pháp này cho phép trộn polyme với các tiền chất vô cơ của HA, và tỉ lệ các thành phần cùng điều kiện phản ứng sẽ ảnh hưởng đến các tính chất đặc trưng của compozit HA/polyme.
Tampieri và cộng sự đã nghiên cứu và chế tạo compozit HA/collagen, so sánh với mô xương tự nhiên qua hai phương pháp khác nhau Phương pháp đầu tiên là phân tán HA trong dung dịch collagen và thu được sản phẩm cuối cùng bằng kỹ thuật đông khô, tạo ra compozit có cấu trúc tương tự như collagen không khoáng hóa nhưng không có sự tương tác thực sự giữa HA và collagen Ngược lại, phương pháp thứ hai kết tủa trực tiếp HA trên các sợi collagen, cho phép hình thành tinh thể nano HA trên collagen và tạo ra một vật liệu tương tác mạnh mẽ, giống như mô xương tự nhiên.
S –C Liou và cộng sự đã phát triển vật liệu compozit HA/polyacrylic axit (PAA) thông qua phương pháp kết tủa trực tiếp Quá trình này tạo ra các tinh thể HA hình kim với độ tinh khiết thấp, có cấu trúc nhân vỏ, được hình thành khi dung dịch H3PO4 được nhỏ vào hỗn hợp chứa (CH3COO)2Ca và PAA Hình thái học của HA phụ thuộc vào pH của dung dịch và tỷ lệ PAA có trong hỗn hợp.
1.3.3 Đặc trưng của vật liệu compozit HA/polyme
Tính chất của vật liệu compozit bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiều yếu tố, bao gồm hình dạng, kích thước, tính chất, tỷ lệ, và sự tương tác giữa hydroxyapatite (HA) và polyme.
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ HA VÀ COMPOZIT HAP Ở NƯỚC TA
- Axit photphoric H3PO4 85% (d = 1,69), loại PA (Trung Quốc)
- Canxi hiđroxit Ca(OH)2, loại PA (Trung Quốc)
- Cồn tuyệt đối Đức Giang (Việt Nam)
- Polymaltose: Sản phẩm từ tinh bột sắn do Viện Công nghiệp Thực phẩm cung cấp.
2.2 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ PHẢN ỨNG ĐẾN HA/POLYMALTOSE
2.2.1 Lựa chọn phương pháp tổng hợp HA/polymaltose
Chuẩn bị huyền phù Ca(OH)2 nồng độ 0,25 M, dung dịch H3PO4 nồng độ 0,15M Sử dụng thí nghiệm với mẫu polymaltose có DE = 25.
Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu tổng hợp compozit HA/polymaltose thông qua phương pháp kết tủa trực tiếp (in situ) Quá trình thêm polymaltose vào bình phản ứng được thực hiện theo ba phương pháp khác nhau.
Phân tán Ca(OH)2 trong nước trong 30 phút với tốc độ 500 vòng/phút, sau đó thêm polymaltose và khuấy trong 3 giờ Tiếp theo, từ từ cho axit H3PO4 vào trong 30 phút và khuấy hỗn hợp trong 4 giờ Để yên sản phẩm trong 15 giờ, sau đó chia thành 2 phần để rửa với nước và hỗn hợp nước: Etanol = 1:1 đến pH = 7 Cuối cùng, ly tâm với tốc độ 4000 vòng/phút trong 4 phút và làm khô sản phẩm bằng phương pháp sấy đông khô.
Mẫu đƣợc kí hiệu là HAPa
Tiến hành phản ứng tương tự như PPA nhưng nhỏ đồng thời Etanol và axit
H3PO4 vào bình phản ứng Sản phẩm được rửa với hỗn hợp nước: Etanol = 1:1.Mẫu đƣợc kí hiệu là HAPb.
THỰC NGHIỆM
HÓA CHẤT
- Axit photphoric H3PO4 85% (d = 1,69), loại PA (Trung Quốc)
- Canxi hiđroxit Ca(OH)2, loại PA (Trung Quốc)
- Cồn tuyệt đối Đức Giang (Việt Nam)
- Polymaltose: Sản phẩm từ tinh bột sắn do Viện Công nghiệp Thực phẩm cung cấp.
2.2 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ PHẢN ỨNG ĐẾN HA/POLYMALTOSE
2.2.1 Lựa chọn phương pháp tổng hợp HA/polymaltose
Chuẩn bị huyền phù Ca(OH)2 nồng độ 0,25 M, dung dịch H3PO4 nồng độ 0,15M Sử dụng thí nghiệm với mẫu polymaltose có DE = 25.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tổng hợp compozit HA/polymaltose thông qua phương pháp kết tủa trực tiếp (in situ) Quá trình thêm polymaltose vào bình phản ứng được thực hiện bằng ba phương pháp khác nhau.
Phân tán Ca(OH)2 trong nước trong 30 phút với tốc độ 500 vòng/phút, sau đó thêm polymaltose và khuấy hỗn hợp trong 3 giờ Tiếp theo, từ từ thêm axit H3PO4 trong 30 phút và khuấy thêm 4 giờ Để yên sản phẩm trong 15 giờ, sau đó chia thành 2 phần để rửa với nước và hỗn hợp nước: Etanol = 1:1 đến pH = 7 Cuối cùng, ly tâm ở tốc độ 4000 vòng/phút trong 4 phút để thu sản phẩm và làm khô bằng phương pháp sấy đông khô.
Mẫu đƣợc kí hiệu là HAPa
Tiến hành phản ứng tương tự như PPA nhưng nhỏ đồng thời Etanol và axit
H3PO4 vào bình phản ứng Sản phẩm được rửa với hỗn hợp nước: Etanol = 1:1.Mẫu đƣợc kí hiệu là HAPb.
Ly tâm thu kết tủa Rửa, lắng, gạn
Tiến hành phản ứng tương tự như PPA bằng cách nhỏ đồng thời polymaltose và axit H3PO4 vào bình phản ứng Sản phẩm sau đó được chia thành hai phần để rửa: một phần với nước và phần còn lại với hỗn hợp nước và ethanol theo tỷ lệ 1:1.
Mẫu đƣợc kí hiệu là HAPc.
Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp compozit HA/polymaltose theo phương pháp kết tủa
2.2.2 Lựa chọn polymaltose có chỉ số DE thích hợp
Có 4 mẫu polymaltose với giá trị DE lần lƣợt là 12, 20, 25, 30 đƣợc kí hiệu là P1, P2, P3, P4.
Làm thí nghiệm theo PPC với 4 mẫu polymaltose có DE 12, 20, 25, 30 và kí hiệu là HAP1, HAP2, HAP3, HAP4 với các thông số nhƣ sau:
Tốc độ khuấy: 500 vòng/phút
Tốc độ cấp axit: 3 ml/phút
Nồng độ dung dịch H3PO4: 0,15 M
Nồng độ huyền phù Ca(OH)2: 0,25 M
2.2.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến sản phẩm HAP
2.2.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng polymaltose
Các mẫu compozit HA/Polymaltose đƣợc tổng hợp với các hàm lƣợng khác nhau của HA theo bảng:
Kí hiệu mẫu HAP20 HAP25 HAP35 HAP50 HAP65 HAP80
Bảng 2.1: Hàm lượng polymaltose trong các mẫu compozit
Các thí nghiệm đƣợc thực hiện ở nhiệt độ nhƣ trên theo PPC với mẫu polymaltose có DE = 25.
Tốc độ khuấy: 500 vòng/phút
Tốc độ cấp axit: 3 ml/phút
Nồng độ dung dịch H3PO4: 0,15 M
Nồng độ huyền phù Ca(OH)2: 0,25 M
2.2.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H 3 PO 4
Tiến hành khảo sát tốc độ cấp axit H3PO4ở ba mức độ nhƣ sau:
Thí nghiệm 1: Tốc độ nhỏ axit là 1 ml/phút.
Thí nghiệm 2: Tốc độ nhỏ axit là 3 ml/phút
Thí nghiệm 3: Tốc độ nhỏ axit là 6 ml/phút
Thực hiện các phản ứng ở 30 0 C, các thông số khác (nồng độ, tốc độ khuấy) đƣợc duy trì nhƣ mục đƣợc duy trì nhƣ mục 2.2.3.1 theo PPC
C AC PHƯƠNG PHAP XAC DịNH DặC TRƯNG
Các thí nghiệm đƣợc thực hiện ở các nhiệt độ:
Thí nghiệm T1: 30 0 C Mẫu đƣợc kí hiệu là HAPT1.
Thí nghiệm T2: 60 0 C Mẫu đƣợc kí hiệu là HAPT2.
Thí nghiệm T3: 90 0 C Mẫu đƣợc kí hiệu là HAPT3.
Các phản ứng được thực hiện với các thông số khác như nồng độ, tốc độ khuấy và tốc độ cấp axit, được duy trì theo mục 2.2.3.1 trong quy trình PPC.
2.2.3.4 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Các thí nghiệm đƣợc thực hiện ở các thời gian khuấy:
Thí nghiệm t1: 3 giờ Mẫu đƣợc kí hiệu là HAP3h.
Thí nghiệm t2: 6 giờ Mẫu đƣợc kí hiệu là HAP6h
Thí nghiệm t3: 8 giờ Mẫu đƣợc kí hiệu là HAP8h.
Thực hiện các phản ứng ở 30 0 C, các thông số khác (nồng độ, tốc độ cấp axit, tốc độ khuấy) đƣợc duy trì nhƣ mục 2.2.3.1 theo PPC
2.2.3.5 Ảnh hưởng của chế độ làm khô sản phẩm
Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của làm khô sản phẩm ở 3 điều kiện sau: Sấy sản phẩm trong máy đông khô Mẫu đƣợc kí hiệu là ĐK.
Sấy sản phẩm trong tủ sấy ở 60 o C Mẫu đƣợc kí hiệu là ST60
Sấy sản phẩm trong tủ sấy ở 100 o C Mẫu đƣợc kí hiệu là ST100.
Thực hiện các phản ứng ở 30 o C, các thông số khác (nồng độ, tốc độ khuấy, tốc độ cấp axit) đƣợc duy trì nhƣ mục 2.2.3.1
Các mẫu được đánh giá bằng các phương pháp XRD, SEM, TEM, FT – IR, DTA-TGA
2.3 Các phương pháp xác định đặc trưng
2.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) là công cụ hữu hiệu trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, giúp xác định nhanh chóng và chính xác các pha tinh thể, định lượng pha tinh thể cũng như kích thước tinh thể với độ tin cậy cao Đặc biệt, phương pháp này cho phép xác định kích thước trung bình của các hạt tinh thể thông qua công thức Scherrer.
Độ tinh thể trung bình (D) được xác định dựa trên bước sóng tia X (λ), bề rộng nửa chiều cao của vạch nhiễu xạ (B) và vị trí vạch nhiễu xạ (θB) Đối với hydroxyapatite (HA), vạch nhiễu xạ thường được lấy tại góc 2θ = 25,9°, tương ứng với mặt (002) Độ tinh thể (Xc) của HA trong vật liệu compozit HA/polyme thường được xác định thông qua mối quan hệ giữa Xc và β002 theo một công thức cụ thể.
Công thức tính KA được xác định bằng KA = β002 3 Xc (2.2), trong đó Xc đại diện cho độ tinh thể của HA, β002 là bề rộng ở nửa chiều cao của vạch nhiễu xạ tại góc 25,9 độ tương ứng với mặt (002), và KA là hằng số có giá trị là 0,24.
Trong luận văn này, giản đồ XRD đƣợc đo trên máy trên máy D8-
ADVANCE-BRUKER (Khoa Hóa Học, trường Đại học KHTN Hà Nội).
2.3.2 Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)
Phổ hồng ngoại là công cụ quan trọng trong việc xác định cấu trúc phân tử của các chất nghiên cứu, thông qua việc phân tích vị trí và cường độ các dải hấp thụ đặc trưng của các nhóm chức Trong nghiên cứu vật liệu compozit HA/polyme, phương pháp này được áp dụng để nhận diện các nhóm chức có mặt trong cả pha vô cơ và hữu cơ Các mẫu được phân tích bằng máy phổ hồng ngoại IMPACT 410-NICOLET tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội.
2.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
SEM là phương pháp nghiên cứu hình thái bề mặt vật liệu hiệu quả, hoạt động dựa trên nguyên tắc chùm electron được tăng tốc trong điện trường Chùm electron này qua các thấu kính từ để tạo thành chùm hội tụ, sau đó quét lên bề mặt mẫu và sinh ra chùm electron thứ cấp Những electron thứ cấp này được ghi nhận bởi detector và chuyển đổi thành tín hiệu hình ảnh, giúp phân tích chi tiết cấu trúc bề mặt của vật liệu.
SEM là một công cụ quan trọng trong việc phân tích hình thái học và kích thước của compozit HA/polyme, tương tự như các vật liệu nano khác.
Hình thái học và kích thước hạt của các mẫu được xác định bằng phương pháp SEM trên máy Hitachi S4800, Nhật Bản (Viện Vệ sinh Dịch tễ)
2.3.4 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là phương pháp nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn bằng cách sử dụng chùm điện tử năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật mỏng, tạo ra hình ảnh với độ phóng đại lớn Ảnh TEM có thể được ghi nhận trên màn huỳnh quang, film quang học hoặc bằng máy chụp kỹ thuật số Trong nghiên cứu cấu trúc của compozit HA/polyme, ảnh TEM giúp xác định hình dạng, kích thước và sự phân bố của các hạt HA trên nền polyme Các mẫu được phân tích bằng TEM trên thiết bị JEM 1010 tại Viện.
Vệ sinh Dịch tễ Trung ƣơng.
2.3.5 Phương pháp phân tích nhiệt (TGA-DTA)
Phân tích nhiệt, theo định nghĩa của Hiệp hội Quốc tế về phân tích nhiệt và đo nhiệt lượng năm 2004, là nhóm các kỹ thuật nghiên cứu mối quan hệ giữa tính chất và nhiệt độ của mẫu Kỹ thuật này cho phép xác định tính chất nhiệt của vật liệu, có thể thực hiện trực tiếp hoặc thông qua tác động nhiệt lên các tính chất cơ bản khác Ba dạng phổ biến trong phân tích nhiệt bao gồm: phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), theo dõi sự thay đổi khối lượng của mẫu theo thời gian hoặc nhiệt độ; phân tích nhiệt vi sai (DTA), đo sự chênh lệch nhiệt độ giữa mẫu nghiên cứu và mẫu so sánh; và phân tích nhiệt lượng vi sai quét (DSC), đo sự thay đổi nhiệt lượng của mẫu theo nhiệt độ.
Các mẫu đã được phân tích bằng phương pháp TGA – DGT trên thiết bị Labsys Evo, Setaram (Pháp) tại Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Phân tích được thực hiện từ nhiệt độ phòng đến 600 °C trong môi trường không khí.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Lựa chọn phương pháp tổng hợp HA/polymaltose
Trong bài viết này, chúng tôi trình bày việc tổng hợp compozit HA/polymaltose thông qua phương pháp kết tủa trực tiếp từ Ca(OH)2 và H3PO4 Quá trình hình thành HA diễn ra theo phản ứng cụ thể.
10Ca(OH)2 + 6H3PO4 → Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O
Kết quả phân tích XRD:
Hình 3.1 Giản đồ XRD của các mẫu HAP tổng hợp theo phương pháp khác nhau (vạch đánh dấu * đặc trưng cho CaHPO 4 )
Trên giản đồ XRD, mẫu HAPb xuất hiện pha lạ, trong khi mẫu HAPa và HAPc chỉ thể hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng cho hydroxyapatite (HA) theo tiêu chuẩn JCPDS 24.
Trong nghiên cứu, không phát hiện sự xuất hiện của các pha lạ trong mẫu Sự hiện diện của pha hữu cơ polymaltose và kích thước nhỏ của các hạt HA dẫn đến việc vạch nhiễu xạ mở rộng, với cường độ thấp, đặc biệt là ở mẫu HAPa và HAPc.
Phương pháp tổng hợp HA với sự thay đổi trình tự thêm polymaltose không ảnh hưởng đến sự hình thành đơn pha HA trong compozit Đối với mẫu HAPb, etanol được sử dụng để kết tủa polymaltose và HA, nhưng hầu hết các mẫu HAP thu được không cho HA đơn pha Nguyên nhân có thể là do etanol là dung môi kém phân cực hơn nước, hạn chế quá trình hòa tan và phân ly các chất phản ứng thành ion Hơn nữa, axit H3PO4 có tính phân ly khó khăn trong etanol, dẫn đến nồng độ ion HPO4 2- tăng và tạo thành CaHPO4, do đó, sản phẩm HAP cũng có vạch nhiễu xạ của CaHPO4.
Kết quả đo phổ hồng ngoại là tương tự nhau cho tất cả các mẫu, phổ FTIR của mẫu
Mẫu HAPc được trình bày trong Hình 3.2 cho thấy sự hiện diện của phổ hấp thụ đặc trưng cho cả HA và polymaltose P3 Hầu hết các dải hấp thụ đặc trưng của HA và polymaltose đều có mặt trong phổ của HAP, tuy nhiên, sự kết hợp giữa hai thành phần này dẫn đến một số dải hấp thụ yếu không quan sát được, trong khi một số dải khác có hiện tượng mở rộng hoặc dịch chuyển nhẹ do sự chồng chập lẫn nhau.
Hình 3.2 Phổ FTIR của mẫu HA, polymaltose P3 và mẫu HAPc
Các nghiên cứu trước đây đã xác nhận sự tương tác giữa axit hyaluronic (HA) và polyme, đặc biệt là mối liên kết giữa ion Ca2+ và nhóm COO- hoặc OH- của polyme Tuy nhiên, do sự chồng chéo của các dải hấp thụ đặc trưng cho các dao động chính trong HA và polymaltose, việc quan sát những thay đổi trên phổ FTIR của các mẫu hydroxyapatite (HAP) trở nên khó khăn.
PO4 3- ở 565 and 603 cm -1 và ở vùng 1000-1100 cm -1 [43] trùng với vùng hấp thụ đặc trƣng nhất cho polymaltose Một vạch sắc nhọn ở 3570 cm -1 đặc trƣng cho nhóm
Dải hấp thụ trong vùng 3600 đến 3200 cm -1 và khoảng 1600 cm -1 liên quan đến sự hấp thụ của nước và dao động hóa trị O-H trong gốc đường của polymaltose Ngoài ra, dải hấp thụ yếu tại 1410 cm -1 và 1450 cm -1 cho thấy sự hiện diện của tạp CO3 2- trong mạng HA Vạch hấp thụ kép gần 2900 cm -1 được tạo ra bởi dao động hóa trị C-H của nhóm CH3.
Kết quả phân tích TEM:
Hình 3.3 Ảnh TEM của các mẫu HAP tổng hợp theo các phương pháp khác nhau ở thang đo 100nm, độ phóng đại 60000x
Các ảnh TEM cho thấy sự khác biệt rõ rệt về hình dạng và kích thước hạt giữa mẫu chế tạo bằng phương pháp kết tủa trực tiếp và mẫu HA Hai mẫu HAPa và HAPc có hạt HA ngắn hơn nhiều, với chiều dài chỉ khoảng 10–15 nm và chiều rộng rất nhỏ HAPa và HAPc không có sự khác biệt lớn, nhưng giữa các hạt có lớp polymaltose bao phủ, cho thấy polymaltose đóng vai trò bảo vệ hạt HA, hạn chế sự kết tập và giảm kích thước hạt.
Việc bổ sung polymaltose vào huyền phù Ca(OH)2 hoặc kết hợp với H3PO4 cho kết quả tương tự về hình thái và kích thước hạt HA Tuy nhiên, lựa chọn thêm polymaltose cùng với H3PO4 giúp rút ngắn thời gian và thiết bị trong quá trình tổng hợp.
3.2 Lựa chọn polymaltose với DE thích hợp
Thí nghiệm đƣợc tiến hành trên cả bốn loại polymaltose P1, P2, P3 và P4 với
DE trong khoảng 12-30 Kí hiệu mẫu HAP là HAP1, HAP2, HAP3 và HAP4 tương ứng với 4 mẫu polymaltose P1, P2, P3 và P4.
Trong tất cả các thí nghiệm, HAP được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp, như đã nêu trong phần 2.2.1.
Giản đồ XRD của các mẫu được trình bày trong Hình 3.4 cho thấy sự tương đồng, với sự hiện diện của HA đơn pha trong mẫu HA và tất cả các mẫu HAP Các vạch nhiễu xạ mở rộng phản ánh kích thước hạt HA rất nhỏ, đặc biệt rõ rệt ở các mẫu HAP.
Hình 3.4 Giản đồ XRD các mẫu HAP tổng hợp với DE khác nhau
Ảnh SEM của các mẫu HAP với polymaltose có các giá trị DE thay đổi tử 12-30 đƣợc so sánh với mẫu HA trên Hình 3.5.
Hình ảnh SEM cho thấy các hạt HA có hình dạng gần như tròn với kích thước từ 20-30 nm Các hạt này được sắp xếp thành chuỗi ngắn, và một số chuỗi kết hợp lại thành các đám có kích thước hai chiều khoảng 30-60 nm và 80-100 nm.
Hình 3.5 trình bày ảnh SEM của các mẫu HAP với polymaltose có DE khác nhau Mẫu HAP1 và HAP2 với polymaltose DE 12-20 cho thấy sự kết đám rõ rệt của các hạt HA, trong đó HAP1 có kích thước hạt lớn, chiều dài lên tới 100nm và chiều rộng 40-60nm Ngược lại, mẫu HAP2 có kích thước hạt giảm đáng kể, chiều rộng chỉ còn 20-40nm Đặc biệt, với polymaltose DE 25-30, các mẫu HAP3 và HAP4 cho thấy sự phân tán tốt hơn, phần lớn các hạt rời rạc với kích thước khoảng 20-25nm và biên hạt rõ nét.
Quan sát từ ảnh SEM cho thấy chất nền polymaltose có ảnh hưởng đáng kể đến hình thái của hạt HA Đặc biệt, polymaltose với độ polymer hóa (DE) từ 25-30 tạo ra sự phân tán đồng nhất cho các hạt HA Kết luận này được củng cố thêm qua kết quả từ ảnh TEM (Hình 3.6).
Hình 3.6 Ảnh TEM của các mẫu HAP với giá trị DE khác nhau ở thang đo 100nm, độ phóng đại 60000x
Trên ảnh TEM của mẫu HAp, xuất hiện các tập hợp dạng que có chiều rộng khoảng 30-50nm và dài tới 100nm, tương ứng với các đám chuỗi hạt trên ảnh SEM Mẫu HAP1 cho thấy mức độ tập hợp hạt giảm, trong khi mẫu HAP2 có sự cải thiện đáng kể về sự phân tán của các hạt HA Đối với mẫu HAP3 và HAP4, mặc dù các hạt HA chưa hoàn toàn tách rời, nhưng có thể phân biệt được các hạt với kích thước rất nhỏ, khoảng 10-15nm.