Tổng hợp nano canxi hydroxyapatite từ phế phẩm xương cá chẽm biến tính zno và đánh giá khả năng kháng khuẩn của vật liệu

THI U V CANXI HYDROXYAPATITE (HA)

C u t o hóa h c và c u trúc tinh th

Trong t nhiên, apatite là tên chung c a m t nhóm khoáng ch t, có công th c t ng quát Ca5X(PO4)3 Trong đó X có th là m t trong s các g c OH  , Cl  , F  ho c

Br  Canxi hydroxyapatite là m t d ng apatite ch a nhóm OH  có công th c

Ca5(PO4)3OH là công thức hóa học của hydroxyapatite (HA), trong khi công thức hóa học của HA khi tinh thể hóa là Ca10(PO4)6(OH)2 HA được hình thành từ hai phân tử liên kết với nhau, và cấu trúc của HA được thể hiện trong hình 1.1.

Phân t HA có cấu trúc mạnh mẽ, bao gồm ba vòng canxi photphat Ca3(PO4)2 liên kết với nhau bằng cầu nối canxi Hai nhóm OH nằm ở hai đầu mạch và liên kết trực tiếp với nguyên tử P.

HA có hai dạng tinh thể chính, bao gồm dạng lục phương (hexagonal) và dạng đơn tà (monoclinic) Dạng đơn tà được hình thành khi nung dạng lục phương ở nhiệt độ 850 °C trong không khí, sau đó làm nguội nhanh Trong khi đó, dạng lục phương thường được tạo ra trong quá trình điều chỉnh nhiệt độ từ 25 °C.

Ở nhiệt độ 100 °C, hai dòng tia X này hoàn toàn tương đồng về lượng và vị trí của các vật nhiễu xạ Tuy nhiên, chúng khác nhau về cường độ của đỉnh đỉnh, dẫn đến sự khác biệt trong các đỉnh có cường độ yếu hơn 1%.

Hình 2.2 trình bày kết quả XRD của hai dạng tinh thể là phẳng (a) và đèn tà (b) Trong thực tế, dạng lục phẳng xuất hiện nhiều hơn, đây cũng là cấu trúc thường gặp trong xương và răng của con người Cấu trúc ô mạng tinh thể phẳng bao gồm các ion Ca²⁺, PO₄³⁻ và OH⁻ được sắp xếp trong các ô đơn vị, như mô tả trong hình 1.3.

Hình 2.3: C u trúc ô m ng c s c a tinh th l c ph ng

Hình 1.3 cho thấy có 6 ion Ca²⁺ trong ô đơn và tổng cộng 14 ion Ca²⁺, trong khi 8 ion còn lại nằm trên hai mặt đáy và được chia sẻ với các ô đơn vị kề bên Trong 10 nhóm PO₄³⁻, có 2 nhóm nằm trong ô đơn và 8 nhóm trên hai mặt đáy, nhưng chỉ có 6 nhóm thuộc về ô đơn.

Trong ô đ n v, có 6 nhóm bên trong và 8 nhóm chia đều trên 2 mặt đáy, với tổng cộng 2 trong 8 nhóm OH- được xác định là thuộc về ô đ n v Số lượng các ion trong ô đ n v không tương ứng với công thức phân tử của HA, điều này được giải thích do sự sắp xếp của các ô đ n v trong hệ thống ba chiều Cụ thể, trong một phân tử HA có 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH-, dẫn đến việc không đạt được công thức hóa học lý tưởng của HA.

Ca10(PO4)6(OH)2 C u trúc m ng tinh th l c ph ng c a HA có các thông s m ng nh sau: a = b = 0,9423 nm, c = 0,6875 nm, = = 90 o , = 120 o

Tính ch t v t lý

HA th ng có màu tr ng ho c tr ng ngà, ngoài ra khi hình thành ngoài t nhiên,

Hyaluronic Acid (HA) có thể xuất hiện dưới nhiều màu sắc khác nhau như xanh, vàng, nâu, tùy thuộc vào điều kiện hình thành và phương pháp tổng hợp Các yếu tố này ảnh hưởng đến cấu trúc của HA, cho phép nó tồn tại dưới dạng hình cầu hoặc hình kim Sau khi xác định được trạng thái pha của HA, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về tính chất và ứng dụng của nó.

HA b ng ph ng pháp nhi u x tia X và các ph ng pháp phân tích nh kính hi n vi đi n t quét (SEM) hoặc kính hi n vi đi n t truy n qua (TEM) để nh n bi t các hình d ng t n t i c a tinh th HA Hình 1.4 minh h a quy trình này Bên cạnh đó, HA cũng có m t s tính ch t v t lý đ c tr ng nh đ c trình bày b ng 1.1.

B ng 2.1: Tính ch t v t lý c a HA

STT Tính ch t v t lý Giá tr

Tính ch t hóa h c

Do trong phân t ch a nhóm OH  nên HA có th ph n ng v i axit t o thành các mu i c a canxi và n c:

Ca PO OH  2HCl3Ca PO  CaCl 2H O

HA t ng đ i b n nhi t, b phân h y ch m trong kho ng nhi t đ t 800 o C đ n

1200 o C t o thành oxy-hydroxyapatite theo ph n ng:

Ca PO OH Ca PO OH O xH O (0 ≤ x ≤ 1) nhi t đ l n h n 1200 o C, HA b phân h y thành –Ca3(PO4)2 ( –TCP) và

Ca PO OH  2 –Ca PO  Ca P O 2H O

Tính ch t sinh h c

Thành phần hóa học của xương người bao gồm 10% nước, 20% chất hữu cơ và khoảng 70% là hợp chất vô cơ, chủ yếu là khoáng apatite Tỷ lệ nguyên tố Ca/P trong thành phần khoáng vô cơ này gần giống với tỷ lệ Ca/P trong hydroxyapatite (HA) Nhờ có cùng bản chất và thành phần hóa học với xương, HA tự nhiên hoặc nhân tạo là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao.

Khi dung màng và xương HA có tính chất giống như xương tự nhiên, các lớp xếp liên thông với nhau giúp mô sống và mạch máu dễ dàng xâm nhập, neo đậu và cố định HA còn được chứng minh là có khả năng thúc đẩy sự phát triển của xương mới thông qua cách dẫn xương mà không gây ra đặc tính cục bộ toàn thân Khi cấy ghép vật liệu chứa HA vào cơ thể, một lớp mô mới hình thành trên bề mặt của nó và góp phần vào sự liên kết của các mô cấy vào xương, dẫn đến sự định hình vững chắc của mô cấy đến các mô xung quanh Hơn nữa, một số nghiên cứu còn cho thấy HA có thể được khai thác như một hợp chất mô hình để nghiên cứu quá trình khoáng hóa sinh học trong cơ thể Dưới dạng nano, HA là dạng canxi photphat dễ dàng được hấp thụ với tỉ lệ mol Ca/P là 1,67 tương đương với thành phần vô cơ trong xương và răng Hợp chất HA có đặc điểm tương thích tốt với dịch men tiêu hóa, khi nano có thể được hấp thụ nhanh chóng qua niêm mạc miệng và thực quản, do đó còn được sử dụng như một hợp chất bổ sung canxi cho cơ thể.

ng d ng ph bi n c a v t li u HA

2.1.5.1 ng d ng làm v t li u y sinh

Do tính chất cơ học của hàm tăng tỉ vết và rỗng của gân, nên hàm được coi là một loại vật liệu thích hợp đặc biệt, sửa chữa các khiếm khuyết của mô cứng trong cơ thể 40 năm trước (Hench, 1991) Trong thực hành lâm sàng, găm sinh học hàm thường được ứng dụng để tái tạo các chi tiết lấp đầy khiếm khuyết: trám răng, cấy ghép các xương nhai, không phải chui tịt (xương tai giữa) hoặc làm lấp phẫu thuật sinh học trên vật liệu cấy ghép kim loại được cấy ghép phù hợp hình các khớp, xương có chức năng chịu lực lớn Thực tiễn cho thấy vật liệu hàm có khả năng thích nghi tốt với môi trường sinh học.

9 môi tr ng d ch t bào, thúc đ y hình thành x ng m i, t o liên k t v i các mô x ng b t n th ng

HA không chỉ có khả năng giữ ẩm mà còn kích thích sự sinh trưởng của nguyên bào sợi, thúc đẩy quá trình hình thành lớp biểu bì và tăng cường sự di chuyển của tế bào sừng vào lớp biểu bì Do đó, HA được nghiên cứu và ứng dụng trong điều trị các tổn thương trên bề mặt da.

2.1.5.2 ng d ng làm ch t d n truy n thu c

Hyaluronic Acid (HA) không chỉ có khả năng sinh học mà còn có tính chất đặc biệt là thay đổi tính tan theo pH, điều này rất quan trọng cho việc ứng dụng làm chất dẫn truyền thuốc Khi pH giảm xuống mức axit, khả năng phân hủy của HA tăng lên rõ rệt, dẫn đến sự giải phóng các phân tử thuốc từ HA Nghiên cứu cho thấy pH trong các tế bào bình thường xấp xỉ 7,4, tuy nhiên, trong các khối u có pH thấp hơn (khoảng 5), đây chính là pH kích thích quá trình phân hủy HA.

Trong quá trình nghiên cứu, nhiều phương pháp đã được áp dụng để điều chỉnh kích thước, hình thái và cấu trúc xếp của vật liệu HA Điều này cũng góp phần giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về ứng dụng của HA trong việc sản xuất thực phẩm bổ sung chất dinh dưỡng.

Canxi đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển xương, giúp điều hòa quá trình nội tiết Mặc dù canxi có trong thực phẩm, khả năng hấp thụ của cơ thể thường không cao, vì vậy cần kết hợp với vitamin D để tối ưu hóa việc hấp thụ và chuyển hóa canxi thành hydroxyapatite (HA) cho sự phát triển xương HA có khả năng hấp thụ nhanh qua niêm mạc ruột và thực quản, ít bị ảnh hưởng bởi axit dạ dày, do đó HA kích thích nano được sử dụng làm thực phẩm bổ sung canxi với hiệu quả cao.

2.1.5.4 ng d ng trong k thu t y sinh

Trong thời gian gần đây, kỹ thuật xét nghiệm bệnh phẩm ngày càng trở nên quan trọng, đóng vai trò thiết yếu trong quá trình đánh giá và điều trị của bác sĩ Hiện nay, HA đã được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực này.

HA được sử dụng nhằm tách biệt protein, axit nucleic và kháng thể trong sinh ký, nhờ khả năng hấp thụ cao và tính chọn lọc tốt Nó ổn định trong môi trường phân tách, gần như không có tác động phụ với các thành phần của bữa ăn Hơn nữa, vật liệu này có khả năng tái tạo và sử dụng lâu dài.

Các ph ng pháp t ng h p HA

Hiện nay, việc nghiên cứu và phát triển hợp chất HA đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, với nguồn nguyên liệu đa dạng Các hợp chất được tổng hợp từ hóa học và sinh học, bao gồm nguyên liệu như vỏ sò, xương bò và xương cá, thông qua nhiều phương pháp khác nhau Dưới đây là một số phương pháp phổ biến thường được sử dụng trong thực tiễn.

Ph ng pháp c h c [10] th ng đ c s d ng đ đi u ch ch t r n đa tinh th ,

HA đ c sinh ra b ng ph n ng gi a hai pha r n, ph n ng đ c th hi n m t trong các ph n ng d i đây:

4CaCO3 + 6CaHPO4.2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H2CO3

2Ca3(PO4)3 + Ca4P2O9 + H2O Ca10(PO4)6(OH)2

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

2Ca 3 (PO 4 ) 3 + Ca(OH) 2 Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2

Phương pháp này được phát triển trong một hệ thống gồm nhiều bi nghiền và máy nghiền, yêu cầu có lực ma sát lớn giữa các pha rắn Lực này phải đảm bảo tạo ra sự khuếch tán nội tại, dẫn đến sự hình thành pha thứ ba Phương pháp này thường được thực hiện dưới điều kiện kiểm soát quá trình Nhược điểm là cần có thời gian phản ứng dài, sản phẩm thu được là sản phẩm trung gian, và sản phẩm phù hợp với những gì sinh ra do sự mài mòn của hệ thống máy nghiền.

Phương pháp kích thích hóa học thường được áp dụng trong công nghiệp nhờ vào tính đơn giản và khả năng điều chỉnh kích thước hạt HA theo yêu cầu Phương pháp này thường sử dụng các nguyên liệu hóa chất có sẵn.

11 ho c d ng d tan, d t o huy n phù trong n c

Quá trình phản ứng xảy ra qua hai giai đoạn: hòa tan và phân li các chất phản ứng, cùng với giai đoạn kết hợp các ion để tạo thành HA có kích thước nano Hai giai đoạn này diễn ra rất nhanh và gần như đồng thời, giúp rút ngắn thời gian phản ứng Thêm vào đó, các thông số như nhiệt độ, thời gian, pH và dung môi được kiểm soát để điều chỉnh kích thước của sản phẩm mong muốn.

Nh c đi m c a ph ng pháp này là s n ph m có th l n m t s ch t không mong mu n nh Ca 3 (PO 4 ) 2 , CaHPO 4 ,…

2.1.6.3 Ph ng pháp sol-gel

H phân tán là môi trường liên kết, nơi các tiểu phân (hạt) có kích thước nhỏ được phân tán đồng đều Tập hợp các tiểu phân này gọi là pha phân tán, và 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, tùy thuộc vào kích thước hạt, chúng ta có thể thu được huyền phù hoặc hệ keo.

Sol là dung huyền phù chứa các tiểu phân có đường kính không từ 1 – 100 nm phân tán trong môi trường lỏng, trong đó chuyển động Brown giúp các hạt lơ lửng Gel là trạng thái mà chất lỏng và rắn phân tán vào nhau, trong đó vẫn còn dung môi trong hệ chất rắn dẻo hoặc polymer Có thể chuyển sol thành gel bằng cách tách dung môi; khi dung môi bị tách ra, các hạt keo hoặc chất cao phân tử liên kết lại với nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng kết nối với nhau, dẫn đến sự chuyển đổi từ dung dịch sang gel Một cách khác để tạo gel là khuấy nhũ dung dịch; khi thời gian và công suất khuấy đủ lớn, sẽ làm tăng tần số va chạm giữa các hạt và tạo điều kiện cho chúng liên kết với nhau Tóm lại, có thể kết hợp hai phương pháp nêu trên HA tổng hợp theo phương pháp sol-gel thường được thực hiện với nguyên liệu là Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4 và các chất tạo gel như (C2H5O)3P(O), CH3O(CH2)2(OH) trong một tủ lạnh có nhiệt độ không quá 60–70 độ C, trong thời gian 3–4 giờ, sẽ tạo thành gel.

S y gel nhi t đ 120 o C trong th i gian 24 gi và nung nhi t đ kho ng 800 o C s thu đ c HA có kích th c nano [14]

Ph ng pháp sol-gel có th cho s n ph m có đ đ ng nh t cao, d dàng ch t o v t li u d ng màng m ng, s i ho c h t có ch t l ng t t

2.1.6.4 Ph ng pháp th y nhi t

Phương pháp thuỷ nhiệt chủ yếu được áp dụng để chiết xuất HA từ các nguồn tự nhiên như xương bò, xương cá, và sò Sản phẩm HA thu được qua phương pháp này thường giữ nguyên hình thái và cấu trúc sinh học ban đầu Với thành phần và cấu trúc sinh học này, vật liệu HA có khả năng tương thích sinh học cao hơn so với HA được chiết xuất bằng các phương pháp khác.

Trong các vật liệu sinh học phổ biến như sò và xương cá, thành phần canxi cacbonat (CaCO3) thường cao hơn trong xương ngà, dẫn đến tỷ lệ canxi/phospho (Ca/P) cũng cao hơn Phần ngà này có thể được sử dụng để biến đổi thành hydroxyapatite (HA) trong dung dịch chứa phosphate (PO43-) dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.

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

Phương pháp này tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao, sản phẩm thu được là sản phẩm đẳng pha Tuy nhiên, thiết bị và điều kiện thực hiện cần phải phù hợp với các phương pháp khác.

THI U V K M OXIT

Tính ch t sinh h c và kh n ng kháng khu n c a ZnO

Kẽm là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể, đóng vai trò quan trọng trong nhiều chức năng sinh lý Khoảng 85% kẽm trong cơ thể tập trung ở xương và da Các chuyên gia dinh dưỡng khuyến nghị rằng người trưởng thành cần bổ sung khoảng 15 mg kẽm mỗi ngày để duy trì sức khỏe tối ưu.

14 động hoạt động bình thường Nếu chức năng không đáp ứng được nhu cầu, có thể dẫn đến nhiều vấn đề về sức khỏe, bao gồm phản ứng miễn dịch thay đổi, vật thể không lành, thay đổi biểu bì da và rối loạn cảm xúc Lý do là bởi vì cảm xúc đóng một vai trò quan trọng trong việc phục hồi và kích thích giám sát miễn dịch Những điều này cho thấy cảm xúc là nguyên tắc “thân thiện” với cơ thể.

Qua m t s nghiên c u, cho th y k m oxit có kh n ng kháng khu n thông qua b n c ch nh sau:

ZnO có khả năng hấp thụ lên màng tế bào của vi khuẩn, tạo ra sự cân bằng điện tích giữa ZnO (điện tích dương) và màng tế bào vi khuẩn (điện tích âm) Khi ZnO gắn kết với màng tế bào, nó sẽ làm thay đổi điện tích và cấu trúc hình dạng của tế bào vi khuẩn, từ đó giúp tiêu diệt vi khuẩn.

C h 2: Kích thước nano của ZnO có diện tích bề mặt lớn, cho phép nó dễ dàng hấp thụ vào vi khuẩn Sau khi hấp thụ vào màng tế bào, ZnO sẽ tấn công vào bên trong tế bào vi khuẩn, gây ra rối loạn và ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của tế bào vi khuẩn với môi trường Điều này giúp ngăn chặn sự phát triển của tế bào vi khuẩn.

Ion Zn2+ xâm nhập vào tế bào chất của vi khuẩn và phá hủy các nhóm chức năng như amino -NH2 và hydroxy -OH Một lượng nhỏ ZnO hòa tan và phân ly tạo ra ion Zn2+, dễ dàng xâm nhập vào tế bào vi khuẩn thông qua quá trình trao đổi ion Sau khi vào tế bào chất, Zn2+ xen kẽ giữa các cấu trúc axit amin và axit nucleic, làm rối loạn hoạt động tế bào của vi khuẩn, dẫn đến việc vi khuẩn giảm sức sống và chết dần.

C ch 4: T o ra nh ng phân t ROS (Reactive Oxygen Spcecies) ch a nguyên t oxi (OH, O2…) có ho t tính m nh [18] M t vài ROS đi n hình minh h a hình 1.6

Do có tính chất electron chật bão hòa, ROS có hoạt tính hóa học mạnh mẽ và thời gian tồn tại ngắn Sau khi được sinh ra, chúng nhanh chóng phản ứng với các chất khác, dẫn đến trạng thái bền hơn ROS dễ dàng phản ứng với hợp chất hữu cơ như ADN, ARN, axit amin, gây hại cho màng sinh chất và vật chất di truyền của vi khuẩn.

15 khu vực mà ZnO tham gia vào quá trình kháng khuẩn chủ yếu thông qua việc sản sinh các phản ứng oxy hóa khử, làm hủy hoại cấu trúc và chức năng của tế bào vi khuẩn Quá trình này được xem là cơ chế chính của khả năng kháng khuẩn do ZnO tạo ra Bên cạnh đó, các phản ứng oxy hóa khử (ROS) cũng có thể được sinh ra từ các tác động xấu của môi trường như tia cực tím, khói thuốc, và ô nhiễm không khí Do đó, việc bổ sung ZnO vào các vật liệu cần được xem xét và cân nhắc kỹ lưỡng bởi các bác sĩ chuyên môn.

Hình 2.6: Nh ng c u trúc ROS đi n hình

Hình 2.7: Mô ph ng c ch kháng khu n c a ZnO

Trong tế bào sinh vật, có một quá trình quan trọng là hình thành các gốc tự do (ROS), diễn ra tại ti thể Đây là nơi diễn ra các phản ứng oxy hóa khử, tạo ra năng lượng cần thiết cho tế bào thực hiện chức năng sống Tại ti thể, nồng độ các phân tử ROS có thể tăng lên, ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào.

Khi tiếp xúc với các kim loại nặng, tế bào có thể bị tổn thương do sự hình thành các gốc tự do (ROS) Những gốc tự do này gây ra sự phá hủy các thành phần cấu trúc của tế bào thông qua quá trình oxy hóa, dẫn đến rối loạn chức năng tế bào và có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng.

Gi i thi u v ZnO@HA

ZnO và HA là những giải pháp hiệu quả trong việc tăng cường tính kháng khuẩn và ổn định hóa học cho vật liệu HA trong lĩnh vực y sinh Sự kết hợp của ZnO trong vật liệu ghép thúc đẩy sự tái sinh và biệt hóa của các tế bào mới, giúp quá trình phục hồi và hoàn thiện cấu trúc diễn ra nhanh chóng Hơn nữa, sự kết hợp ZnO và HA làm thay đổi một số thông số cấu trúc của vật liệu, như tham số mạng và tính chất vật lý, sinh học Vật liệu ZnO@HA có tính chất hóa học ổn định và tăng cường các phản ứng sinh học kháng khuẩn và chống nấm Ngoài ra, ZnO còn góp phần kiểm soát tốc độ phân hủy sinh học của HA.

Nghiên cứu về quá trình khoáng hóa khi cấy ghép vật liệu ZnO@HA đã chỉ ra khả năng thúc đẩy sự hình thành mô liên kết xung quanh các mô cấy và giảm thiểu tình trạng viêm nhiễm Đồng thời, khả năng kháng khuẩn và kháng nấm của ZnO@HA cũng đã được nghiên cứu và cho kết quả là cải thiện đáng kể hiệu suất chống lại vi khuẩn trong khoang miệng.

Kh n ng kháng khu n c a ZnO@HA

Khu vực sinh vật là nơi cư trú của các loài động thực vật có cấu trúc đơn giản, có khả năng thích nghi với nhiều loại môi trường khác nhau Những sinh vật này đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái và sức khỏe của cộng đồng.

Tế bào vi khuẩn khác biệt so với tế bào thực vật và động vật, vì vi khuẩn là sinh vật nhân sơ, không có cấu trúc màng bao quanh Một tế bào vi khuẩn bao gồm các thành phần như thành tế bào, vách ngăn, màng tế bào, tế bào chất, ribosome, ti thể và các mao Trong đó, thành tế bào, được cấu tạo bởi lớp peptidoglycan, đóng vai trò rất quan trọng trong việc bảo vệ vi khuẩn.

Khi k t h p ZnO vào HA, các h t nano ZnO có kích th c nh có th đi qua

Việc giải phóng ion Zn2+ từ ZnO có tác dụng tiêu diệt vi khuẩn bằng cách phá hủy lớp protein màng và lipid của tế bào, dẫn đến tổn thương tế bào Nghiên cứu của Ananth A và Dharaneedharan vào năm 2017 đã chỉ ra rằng Zn2+ là một trong những cơ chế chính của ZnO trong khả năng kháng vi khuẩn đối với E.coli, S.iniae, S.parauberis và E.tarda.

Hình 2.8: C ch kháng khu n c a ZnO@HA

Khi kết hợp ZnO vào HA, tính sinh học tự nhiên của HA giúp các tinh thể ZnO tồn tại ổn định trong môi trường dịch bào, từ đó tăng cường khả năng tạo ra ROS Điều này dẫn đến hoạt tính kháng khuẩn của ZnO@HA được cải thiện đáng kể.

M t s ph ng pháp t ng h p ZnO@HA

Phương pháp tẩm là phương pháp ngâm trực tiếp vật liệu nền vào dung dịch chất cần tẩm, giúp các nguyên tử/phân tử phân bố đều trên bề mặt và bên trong khối vật liệu Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, nhưng khó kiểm soát sự phát triển của kích thước hạt, dẫn đến sản phẩm thu được không đồng nhất.

Phương pháp sol-gel là kỹ thuật được sử dụng để tạo ra các sản phẩm có kích thước nano với độ đồng nhất và tính đồng đều cao Tuy nhiên, quy trình thực hiện phương pháp này phức tạp và cần được theo dõi cũng như điều chỉnh liên tục để đạt được kết quả tốt nhất.

Phương pháp vi sóng là một kỹ thuật sử dụng năng lượng của vi sóng để gia tăng quá trình chuyển động, va chạm và xen lẫn các hợp chất vật chất Phương pháp này cho hiệu suất cao, sản phẩm thu được đạt yêu cầu nội trị hơn so với các phương pháp khác Trong khuôn khổ nghiên cứu này, đậu nành biến tính ZnO có kích thước đồng đều được công nhận là tiết kiệm chi phí năng lượng cho quá trình tổng hợp, phương pháp tổng hợp có sự hỗ trợ của vi sóng sẽ được áp dụng.

NG D NG VI SÓNG TRONG CÔNG NGH HÓA H C

Vi sóng, hay còn gọi là sóng vi ba, là một dạng bức xạ điện từ có bước sóng từ 1 mm đến 1 m, với tần số giao động từ 300 MHz đến 300 GHz Sóng vi sóng được phát minh bởi hai nhà khoa học Randall và Boot vào năm 1940, ban đầu được sử dụng trong kỹ thuật rada Từ đó, công nghệ vi sóng đã phát triển mạnh mẽ với nhiều thiết bị vi sóng phục vụ cho các mục đích khác nhau, bao gồm nấu ăn và tiệt trùng thực phẩm, dược phẩm, tổng hợp vật liệu nano, tổng hợp hóa học, và hỗ trợ trong công nghệ chế tạo vật liệu.

Hình 2.9: C u t o bóng đèn cao t n ((Magnetron)

Vi sóng được sinh ra từ bóng đèn cao tần (Magnetron) có cấu tạo hình trụ Bóng đèn cao tần gồm có catot và anot được đặt trong môi trường chân không và từ trường Anot có cấu tạo đặc biệt bao gồm các mặt cong nhằm tối ưu hóa hiệu suất Khi áp dụng điện áp cao lên đến 5000 V giữa anot và catot, phần lõi catot sẽ nhanh chóng nóng lên, khiến nhiệt độ cao làm các electron bật ra và di chuyển.

19 vào thành anot Các t ng tác c a electron v i b m t anot trong t tr ng s t o ra các dao đ ng có t n s cao lên đ n 2,5 GHz đ c d n truy n và phát vào khoang ph n ng t i b ph n microwave radiation

Tính chất quan trọng giúp vi sóng được ứng dụng rộng rãi là sự dao động của các phân tử, đặc biệt là không quá lớn để phá hủy các liên kết hóa học Tuy nhiên, điều này gây ra chuyển động lớn cho các phân tử có trong môi trường vi sóng, làm cho vật chất đó nóng lên Khi xem xét vật chất có cấu trúc phân tử, chẳng hạn như H2O, trong môi trường vi sóng, hiện tượng này sẽ được thể hiện rõ ràng.

Khi sóng điện từ đi qua, phân tử nước quay theo hướng của điện trường Trong một giây, sóng điện từ đạt đến 2,5 tần số, khiến phân tử nước dao động mạnh mẽ Sự dao động nhanh và liên tục này làm cho các phân tử nước va chạm, tạo ra nhiệt độ, làm nóng cả khí và vật chất.

Hình 2.10: S đ dao đ ng c a phân t H2O trong môi tr ng vi sóng

Trong ngành công nghiệp hóa học, việc sử dụng vi sóng đã trở thành một xu hướng nghiên cứu quan trọng, giúp tối ưu hóa quá trình phản ứng và giảm thiểu thời gian cần thiết Vi sóng có khả năng đẩy nhanh tốc độ phản ứng, mang lại nhiều thành tựu đáng kể trong thực tiễn.

20 ph n ng, t ng n ng su t c a quá trình, gi m s n ph m ph và t ng đ tinh khi t cho s n ph m qua đó t ng cao hi u qu c a c quá trình công ngh …[27]

Nguyên lý tác động của vi sóng lên hợp phần ng là thông qua việc cung cấp năng lượng Khi một hợp phần ng xảy ra, năng lượng của trạng thái trung gian phải cao hơn năng lượng hoạt hóa của hợp phần ng Vi sóng không làm giảm năng lượng hoạt hóa mà chỉ làm hợp phần ng nóng lên, cung cấp năng lượng để đạt được trạng thái hoạt hóa Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng theo phương trình đã đề cập.

Vi sóng là phương pháp hiệu quả trong việc gia nhiệt và rút ngắn thời gian phản ứng, đặc biệt khi nhiệt độ tăng từ 17 oC lên 35 oC, dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong tốc độ phản ứng Khi sử dụng vi sóng, nhiệt độ của hỗn hợp sẽ đồng nhất hơn so với các phương pháp gia nhiệt truyền thống, giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm Nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng vi sóng có hiệu quả vượt trội so với các phương pháp thông thường Các tác giả đã thành công trong việc ứng dụng vi sóng để tổng hợp siêu nhanh vật liệu nano diopside trong y sinh, chứng minh tiềm năng của công nghệ này trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển.

Co, Ni) g n nh tinh khi t b ng cách s d ng vi sóng đ cung c p n ng l ng d n đ n phân h y nhi t h p ch t c kim N m 2019, Kalenga Pierre Mubiayi và c ng s

Nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công phương pháp vi sóng để tổng hợp vật liệu CIGSe QD (điểm lượng tử đồng indium gallium selenide) với các đặc điểm nổi bật, đạt tiêu chuẩn cho việc chế tạo pin mặt trời Bằng cách sử dụng nguyên liệu xeri (III) nitrat hexahydrat và natri hydroxit, họ đã tổng hợp thành công vật liệu ceria (CeO2) thông qua phương pháp thay nhiệt, với sự hỗ trợ của vi sóng, rút ngắn thời gian phản ứng chỉ còn 10 phút và giảm nhiệt độ.

Nghiên cứu về quá trình tổng hợp vật liệu nano ZnO bằng công nghệ vi sóng đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh nhiệt độ từ 1500 oC xuống còn 1200 oC vẫn đảm bảo các đặc tính kỹ thuật cần thiết Các yếu tố như thời gian vi sóng và công suất vi sóng đã được khảo sát kỹ lưỡng, ảnh hưởng đến kích thước hạt, hình thái tinh thể, tính chất quang học và hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu Để tối ưu hóa quy trình tổng hợp và giảm chi phí, việc đánh giá các điều kiện vi sóng phù hợp là rất quan trọng Đặc biệt, nghiên cứu về vật liệu HA có khả năng biến tính ZnO đã cho thấy tiềm năng ứng dụng cao, do đó cần xác định các điều kiện vi sóng cụ thể như thời gian và công suất để đạt được sản phẩm chất lượng.

Với tính năng nổi bật và khả năng rút ngắn thời gian phản ứng, sản phẩm này sử dụng sóng điện từ như một phương pháp phù hợp cho nghiên cứu vật liệu hữu cơ trên nền HA Đặc biệt, việc biến tính ZnO với độ tinh khiết cao trong khuôn khổ này mang lại nhiều tiềm năng cho các ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu.

CÁC PH NG PHÁP PHÂN TÍCH V T LI U

Ph ng pháp nhi u x tia X (XRD)

Phương pháp nhiễu xạ tia X là công cụ hiệu quả để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, cho phép xác định nhanh chóng và chính xác các pha tinh thể Phương pháp này không chỉ giúp định lượng pha tinh thể mà còn xác định kích thước hạt với độ tin cậy cao.

Nguyên lý chung của phương pháp nhiễu x quang là chiếu tia X vào tinh thể, làm kích thích các nguyên tử và tạo ra các tâm phát sóng thích hợp Các sóng này, bao gồm tia X, điện tử và neutron, tương tác với nhau theo một phương và tạo thành hình ảnh giao thoa Hình ảnh này phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể, và qua việc phân tích hình ảnh đó, chúng ta có thể xác định cách sắp xếp các nguyên tử trong ô mạng Điều này giúp xác định cấu trúc mạng tinh thể và các pha cấu trúc trong vật liệu.

Phương trình nhiễu xạ Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X qua các mặt phẳng tinh thể Theo đó, các mặt phẳng này được coi là tập hợp các mặt phẳng song song, cách nhau một khoảng nhất định Khi tia X chiếu vào bề mặt, do khả năng đâm xuyên của tia X, không chỉ các nguyên tử trên bề mặt mà cả các nguyên tử bên trong cũng tham gia vào quá trình tán xạ.

Hình 2.1: Hình nh mô t nhi u x tia X trên b m t v t li u i u ki n có c c đ i giao thoa (ph ng trình Vulf–Bragg) [40]:

Trong nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể, n là bậc phổ phản xạ (số nguyên dương), b là bậc sóng của tia X, d là khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song, và θ là góc giữa chùm tia X Phương trình này được sử dụng để xác định cấu trúc mạng tinh thể Trên giản đồ, cần căn cứ vào giá trị cường độ của hai đỉnh có thể tính được theo phương trình trên Bằng phương pháp này, nghiên cứu có thể xác định chính xác cấu trúc mạng tinh thể Ngoài việc xác định cấu trúc mạng tinh thể, phương pháp XRD còn cho phép xác định kích thước trung bình của tinh thể theo phương trình Scherrer.

V i D là kích thước tinh thể trung bình (nm) và góc nhiễu xạ, với đường vạch nhiễu xạ đặc trưng (radian) được xác định bởi giá trị băng ngắn, trong đó λ = 1,5406 là bước sóng của tia X Hằng số Scherrer k phụ thuộc vào hình dạng tinh thể và chỉ số Miller của vật liệu, với k = 0,9.

Thí nghiệm được thực hiện với các mẫu vật liệu đã được phân tích thành phần pha trên thiết bị đo XRD D2-PHARSER của hãng Brucker, tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ nano – Trung tâm Nghiên cứu Triển khai – Khu Công nghiệp cao, với các thông số quét cụ thể là 2θ = 23.

Mẫu bột được nghiền thành dạng bột mịn với kích thước không lớn hơn 100 micromet, sau đó tiến hành đo Phân tích mẫu được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM để xác định các pha có trong mẫu thử và đo nhiệt độ phòng Các mẫu vật liệu được kiểm tra để đảm bảo độ chính xác trong kết quả phân tích.

Phân tích XRD được thực hiện để xác định pha tinh thể của hydroxyapatite (HA) trong các mẫu ZnO@HA, với các yếu tố như nhiệt độ, thời gian, nhiệt độ nung, thời gian nung và tỉ lệ rắn lỏng ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp vật liệu HA Các mẫu này được nghiên cứu để xem xét đặc điểm pha và kích thước tinh thể khi được tổng hợp dưới các khoảng thời gian và công suất vi sóng khác nhau.

Ph ng pháp quang ph hu nh quang XRF

Phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) là kỹ thuật quang phổ được sử dụng chủ yếu trong các mẫu chất rắn, trong đó tia X được phát xạ từ các điện tử của mẫu bằng nguồn phát tia X XRF có khả năng xác định gần như tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học, đặc biệt là natri và uranium, bao gồm cả các nguyên tố âm điện như clo, photpho và lưu huỳnh, với giới hạn phát hiện trong khoảng 1–10 mg/kg.

Nguyên lý chung c a ph ng pháp XRF: ch đ c b n, nguyên t đ c c u t o b i nhân và các l p electron (đi n t ) xung quanh (K, L, M, N)

Khi tia X được chiếu vào mẫu vật, nó sẽ tương tác với các electron trong nguyên tử, dẫn đến sự phát xạ năng lượng Quá trình này giúp tạo ra hình ảnh quang học, cho phép phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu một cách chi tiết.

Các lớp electron bao quanh nhân K, M của nguyên tử bị ảnh hưởng bởi bức xạ Khi bị kích thích, các electron trong lớp này sẽ dịch chuyển và phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng, tạo ra hiện tượng huỳnh quang.

M i m t nguyên t khi phát x s có m t ph khác nhau, đ c tr ng cho hàm l ng c a nguyên t trong m u T đó s đ nh tính và đ nh l ng đ c nguyên t có trong m u phân tích

Trong nghiên c u này, thành ph n nguyên t c a các m u đ c đo trên máy dòng S2 Puma, hãng BRUKER s d ng Ag anode, max voltage 50 kV, max power

50 W t i Tr ng i h c Công nghi p Th c Ph m TP.HCM.

Ph ng pháp ph h ng ngoài FT-IR

Xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu thường dùng phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) Phương pháp này dựa vào các tần số đặc trưng của các nhóm chức trong phân tử, từ đó xác định sự hiện diện của các nhóm chức đó trong mẫu Phổ hồng ngoại chính là phổ dao động – quay, vì khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại, các nhóm chức sẽ có sự chuyển động dao động và chuyển động quay được kích thích.

Ph dao đ ng và quay c a phân t đ c phát sinh từ sự chuyển dịch giữa các m c n ng l ng dao đ ng và quay D ng n ng l ng được sinh ra khi sự chuyển dịch giữa các m c này diễn ra một cách liên tục, cho thấy khả năng biến thiên một cách gián tiếp.

Hi u s n ng l ng đ c tính theo công th c Bohr [43]:

Trong đó: E là bi n thiên n ng l ng, h là h ng s Planck và là t n s dao đ ng

Hình 2.3: S đ nguyên lý c a ph ng pháp ph h ng ngo i FT–IR

Phân tích vật liệu HA bằng phương pháp FT-IR cho thấy sự hiện diện rõ rệt của các nhóm chức năng chính, bao gồm nhóm OH– và PO43– Bên cạnh đó, mẫu còn có thể chứa các nhóm chức khác như CO32– và HPO42–, nếu mẫu thu được không bị phân hủy.

Trong nghiên c u này, ph FT-IR c a các m u đ c đo trên máy hi u BRUKER t i Vi n Công ngh Hóa h c T c đ quét 1 l n/giây, s l n quét 30 l n.

Ph ng pháp tán s c n ng l ng tia X (EDS)

Phân tích EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) là phương pháp quan trọng để xác định thành phần của mẫu vật, thông qua việc ghi lại phách tia X phát ra từ mẫu khi tương tác với các bức xạ Kỹ thuật này sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử, giúp cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc và thành phần hóa học của vật liệu.

Kỹ thuật EDS được thực hiện trong kính hiển vi điện tử, trong đó cấu trúc vật rắn được ghi lại thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với vật rắn Khi chùm điện tử có năng lượng lớn chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bức sóng đặc trưng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử theo định luật Moseley, f = Z Hz.

Tia X phát ra từ nguyên tử của một chất rắn chứa thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đang nghiên cứu Việc ghi nhận phóng xạ X từ vật rắn cung cấp dữ liệu về thành phần hóa học của các nguyên tố này Trong nghiên cứu này, phương pháp EDS mapping và phân tích EDX được thực hiện trên thiết bị JEOL JST-IT 200 tại Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM.

Ph ng pháp hi n vi đi n t quét (SEM)

Phương pháp hiển vi điện tử quét sử dụng chùm tia điện tử quét lên bề mặt mẫu và thu lại chùm tia phản xạ Qua việc xử lý chùm tia phản xạ này, ta có thể thu được những thông tin và hình ảnh bề mặt mẫu một cách chi tiết Phương pháp này cho phép quan sát mẫu với độ phóng đại cao, mang lại cái nhìn sâu sắc về cấu trúc và đặc tính của vật liệu nghiên cứu.

Hình 2.4: S đ nguyên lý c a ph ng pháp hi n vi đi n t quét

Chùm điện tử được tạo ra từ catot qua hai tấm quang dẫn chiếu lên màn nghiên cứu Khi chùm điện tử này va chạm với màn, nó phát ra các điện tử phụ Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tăng vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu sáng, chúng được khuếch đại để hiển thị rõ ràng trên màn hình.

Màu sắc trên màn hình phụ thuộc vào lượng ánh sáng phát ra từ đèn nền, đồng thời cũng bị ảnh hưởng bởi bề mặt của màn hình Một trong những ưu điểm của phương pháp SEM là khả năng thu thập thông tin chi tiết về cấu trúc bề mặt.

Ph ng pháp hi n vi đi n t truy n qua (TEM)

Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng chùm điện tử xuyên qua mẫu cần nghiên cứu Do đó, các mẫu đưa vào cần phải đáp ứng được chùm điện tử đi xuyên qua Chiều dày tối đa của mẫu là 500 nm, và đạt chất lượng tốt khi mẫu mỏng đi.

Chùm tia điện tử được tạo ra từ hai súng phóng điện chiếu lên mẫu nghiên cứu Khi chùm tia điện tử này va chạm vào mẫu, nó phát ra các chùm tia điện tử phản xạ và điện tử truyền qua Chùm tia điện tử truyền qua sẽ đi qua điện thế tác động vào phần thu và được biến đổi thành một tín hiệu sáng Tín hiệu này được khuếch đại và đưa vào mạng lưới điều khiển để tạo ra hình ảnh trên màn hình Mỗi điểm trên mẫu sẽ tạo ra một điểm sáng tương ứng trên màn hình nhờ vào lượng điện tử phát ra từ bộ thu.

Thấu kính điển tử đóng vai trò quan trọng trong việc phóng đại hình ảnh của phương pháp TEM Thấu kính này có khả năng thay đổi tiêu cự Khi tia điện tử có bước sóng khoảng 0,4 nm chiếu lên mẫu, với điện thế dưới 100 kV, nó cho phép thu được hình thái học chi tiết của mẫu theo hướng phân tán và tán xạ, từ đó xác định kích thước hạt một cách chính xác.

Trong nghiên c u này, các m u h t nano đ c phân tích nh TEM ch p trên thi t b TEM JEM 1400 t i Vi n Khoa h c V t li u - Vi n Hàn lâm Khoa h c và Công ngh Vi t Nam.

Ph ng pháp h p ph N 2

Phương pháp này dựa trên việc xác định lượng khí cần thiết để phủ bề mặt của một vật liệu phân tán Lượng khí này được xác định từ đồng công hợp với nitơ, cụ thể là nitơ lỏng (77,4 K) theo phương pháp Brunauer, Emmett và Teller (BET) Sau đó, N2 hấp phụ bề mặt chất hấp phụ Lượng N2 hấp phụ được đo ở áp suất cho trước để xác định các phép đo thể tích khi lượng khí lỏng Loại bột chất nhiễm bẩn bề mặt chất hấp phụ, mẫu được hút chân không và gia nhiệt trong điều kiện thích hợp trước khi phép đo được thực hiện.

Ph ng trình BET có d ng:

Trong đó: p là áp su t h i bão hòa, V là th tích khí h p ph áp su t p, V là th tích khí b h p ph l p th I (đ n phân t ), C là th a s n ng l ng

Ngoài ra, bi t V ta có th tính đ c b m t h p ph S theo bi u th c:

Trong đó: N là s Avogadro, Wm là b m t chi m b i m t phân t ch t b h p ph l p đ n phân t , V0 là th tích 1 mol khí đi u ki n chu n (22400 cm 3 /mol)

Trong nghiên cứu này, các mẫu được đo trên thiết bị BET NOVA 2200 E với số liệu được xử lý bằng phần mềm Quantan Chrome tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Diện tích bề mặt riêng được tính toán từ phần trình BET, đồng thời kích thước mao quản được xác định thông qua phương pháp BJH.

Xác đ nh ch tiêu vi sinh

2.5.8.1 Gi i thi u ánh giá gi i h n nhi m khu n là phép th nghi m b t bu c cho các v t li u ng d ng y sinh, d c ph m t nguyên li u đ n thành ph m không đ c ti t trùng trong quá trình s n xu t M c đích c a vi c đánh giá gi i h n nhi m khu n nh m xác đ nh gi i h n t i đa c a s l ng vi khu n hi u khí, vi n m có trong 1 gam (hay 1 ml) ch ph m th

2.5.8.2 Ch ng vi khu n đ c l a ch n đ đánh giá m c đ nhi m khu n c a v t li u đánh giá v t li u HA và HA bi n tính ZnO t ng h p đ c có đáp ng các ch tiêu v vi sinh hay không, ch n th nghi m v t li u trên 3 ch ng vi khu n là Salmonella, Escherichia coli (E.coli) và Coliform Các lo i vi khu n đ c ch n khá đ c tr ng vì chúng gây ra các b nh quen thu c nh vi khu n Salmonella gây ra b nh th ng hàn, các b nh nhi m trùng ng tiêu hóa; vi khu n E.coli th ng làm ng đ c th c n, gây b nh v đ ng ru t; còn vi khu n Coliform có th gây ra các r i lo n t o nên ch ng tiêu ch y gây m t n c, r i lo n máu, suy th n hay th m chí là t vong Các ch ng vi khu n này đ c ch n đ đánh giá gi i h n nhi m khu n theo quy đ nh ch đi m v sinh đ i v i v t li u đ c ng d ng làm v t li u y sinh

- TBX (Tryptone Bile X-Glucuronide) Agar : i v i vi khu n E.coli

- VBRG (Violet red bile glicose agar) Agar: i v i vi khu n Coliform

- SS (Samonella shigella agar) Agar: i v i vi khu n Samonella

- M u đ c pha v i n c c t vô trùng t l 5 mg/ml

- Ti n hành pha loãng m u theo n ng đ 10 -1 , 10 –2 mg/ml

- Dùng micropipet hút 1 ml m u đã pha loãng cho vào đ a Petri vô trùng

- Cho vào 3 đ a Petri, m i đ a 15 ml môi tr ng, đ c gi m 45–47 o C t ng ng v i t ng lo i vi khu n

- L c đ u đ a Petri m u v i môi tr ng và đ yên cho h n h p đông l i

- Cho vào t nuôi nhi t đ 37 o C/24 gi

- M t đ a môi tr ng t ng ng

- M t đ a môi tr ng t ng ng đ c b sung vi khu n

- m s khu n l c đi n hình c a t ng lo i vi khu n trên môi tr ng đ c tr ng

- C n đ m các khu n l c đi n hình trên ít nh t m i đ a ch a ít nh t 15 CFU vi khu n đi n hình

Trong nghiên cứu vi sinh, N đại diện cho số lượng tế bào vi khuẩn trong 1 gam hoặc 1 ml mẫu C là tổng số khuẩn lạc được đếm trên các đĩa petri đã chuẩn bị n1 là số đĩa petri được cấy tại độ pha loãng nhất định, di là hệ số pha loãng thứ I, và v là thể tích dịch mẫu (ml) được cấy vào mỗi đĩa petri.

ánh giá kh n ng kháng khu n c a v t li u HA bi n tính ZnO (ZnO@HA)

M u HA bi n tính ZnO đ c đánh giá kh n ng kháng khu n b ng ph ng pháp

Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) là nồng độ thấp nhất của một kháng sinh cần thiết để ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn trong vòng 24 giờ Đây là thông số quan trọng được sử dụng để xác định hoạt tính kháng khuẩn in vitro đối với các chủng vi khuẩn.

Chu n b các m u kháng khu n v i n ng đ khác nhau: M u kháng khu n đ c th nghi m n ng đ t ng d n, th ng là pha loãng g p đôi (ví d N, N/2, N/4, N/8,… v i N = 20 mg/ml)

Chuẩn bị các dịch truyền kháng khuẩn: Cân dịch truyền, đun sôi để hòa tan hoàn toàn, sau đó hấp ở 121 độ C trong 15 phút Đối với môi trường nuôi cấy vi khuẩn yêu cầu điều kiện dinh dưỡng cao (như S.pneumoniae), cần bổ sung thêm 5 – 10% máu vào môi trường Hấp cách thủy ở 80 độ C trong 20 phút, giữ nguyên trong suốt thời gian hấp Dịch truyền người cần được làm nguội từ 40 – 50 độ C, sau đó sử dụng ống đong để chuyển dịch vào bình nón đã chuẩn bị sẵn các mẫu kháng khuẩn theo các nồng độ khác nhau, lắc kỹ và đưa vào hấp lạnh Sau khi dịch truyền nguội, cần bảo quản trong tủ lạnh ở 4 – 8 độ C.

2.5.9.2.Ch ng vi khu n đ c ch n đ đánh giá

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã đánh giá khả năng kháng khuẩn của các mẫu ZnO@HA đối với các vi khuẩn như Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella và Bacillus cereus.

Escherichia coli (E coli) là một loại vi khuẩn Gram âm, thường sống trong đường tiêu hóa của người và động vật Vi khuẩn này có thể gây ra nhiều bệnh lý tiêu hóa như tiêu chảy, nhiễm khuẩn huyết, nhiễm khuẩn đường tiêu hóa và viêm màng não.

Staphylococcus aureus là một loại vi khuẩn Gram dương, là tác nhân chính gây ra nhiều bệnh nhiễm trùng ở người và các bệnh viêm khớp Chúng thường cư trú trên da và niêm mạc, nhưng khi xâm nhập vào máu, khớp, phổi hoặc tim, có thể dẫn đến tình trạng nhiễm trùng nghiêm trọng, gây nguy hiểm cho tính mạng.

 Pseudomonas aeruginosa (vi khu n Gram âm): Pseudomonas aeruginosa hay còn g i là tr c khu n m xanh Là m t lo i vi khu n nguy hi m, gây ra nhi u

Có 31 loại nhiễm trùng khác nhau ảnh hưởng đến con người, bao gồm nhiễm trùng đường ruột, nhiễm trùng đường tiểu và viêm phổi Khi tấn công vào các vật thể sống, vi khuẩn có thể gây ra tình trạng nhiễm trùng huyết nghiêm trọng.

Salmonella là một loại vi khuẩn gram âm gây ra các bệnh về đường tiêu hóa ở người và động vật Vi khuẩn này không chỉ gây ra triệu chứng tiêu hóa mà còn có thể lây lan trực tiếp vào máu và ảnh hưởng đến các cơ quan khác trong cơ thể.

Bacillus cereus (vi khu n Gram d ng): là m t lo i vi khu n s n sinh đ c t và là nguyên nhân chính gây ng đ c th c ph m ph bi n nh t, còn đ c g i là “h i ch ng c m chiên”

NGUYÊN LI U, HÓA CH T, CÁC D NG C VÀ THI T B S D NG

Nguyên li u

Xương cá chẻm sau khi được xử lý enzyme sẽ tách ra từ quá trình phi lê, giúp loại bỏ thịt cá còn sót lại Quá trình này nhằm mục đích tách biệt các thành phần thịt cá, từ đó thu được protein chất lượng cao từ cá chẻm.

X ng cá ch m sau giai đo n này đ c s y khô và nghi n m n thành b t (kích th c sau nghi n nh h n 0,25 mm)

K t qu phân tích thành ph n canxi và photpho có trong nguyên li u: canxi chi m 71,7 % và photpho chi m 23,5 %.

Hóa ch t

- Axit H3PO4 1% đ c pha t dung d ch g c H3PO4 85% (nhà s n xu t Merck)

- Dung d ch NH4OH 5% đ c pha t dung d ch g c NH4OH 25%

- K m nitrat Zn(NO 3 ) 2 (nhà s n xu t Merck)

D ng c , thi t b s d ng

Quá trình th c hi n đ tài có s d ng các d ng c c b n trong phòng thí nghi m nh : c c th y tinh, buret, pipet, cá t , bình n c c t, gi y cân, đ a th y tinh, thìa l y m u…

Cân đi n t có đ chính xác  10 –3 gam Máy khu y t Lò vi sóng: Sharp R-

Máy li tâm: Jouan T s y: memmert Lò nung khí tr

Thi t b ph n ng Máy đo pH: toledo

S đ quy trình t ng h p HA

34 Hình 3.1: S đ quy trình t ng h p HA m gam X ng cá ch m d mm m gam

Khuay t ml H O T nhiet đo phong t gi

Phan ng v i H PO ml H PO Cx

NH OH duy trı pH

Ly tam T nhiet đo phong t phut lan toc đo vong hut

Di n gi i quy trình

Để cân chính xác m gam x ng cá ch m đã được xử lý, cần sử dụng cân kỹ thuật Sau đó, cho mẫu vào cốc thủy tinh 250 ml, thêm 50 ml nước cất đã được khuấy nhiệt độ phòng và khuấy 300 vòng/phút trong thời gian quy định.

Sau khi khu y v i n c c t trong 30 phút, thêm t t t ng gi t đ n h t 14 ml dung d ch H3PO4 loãng có n ng đ xác đ nh vào c c ph n ng đ ng th i dùng

Dung dịch NH4OH pha loãng 5% được sử dụng để duy trì pH = 10 ± 0,2 trong suốt quá trình phản ứng Việc kiểm tra pH được thực hiện liên tục bằng thiết bị máy đo pH Mettler Toledo Hợp chất HA được tạo thành từ phản ứng hóa học giữa CaO (trong dạng xung kích) và H3PO4, được pha loãng tự động.

Tỷ lệ mol Ca/P được duy trì ổn định ở mức 1,67 trong giai đoạn phản ứng này Hỗn hợp và vận động được khuyến khích trong điều kiện nhiệt độ phòng Thời gian phản ứng kéo dài 2 giờ tính từ khi đánh giá H3PO4 cuối cùng Khối lượng xung cá và nồng độ H3PO4 sẽ có sự thay đổi khi khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến nồng độ phản ứng (thông số này sẽ được khảo sát sau cùng).

Hình 3.2: Quá trình b sung H3PO4 và duy trì ph n ng

Kết thúc phần ngưng tụ trong hình hạt phụ thuộc vào thiết bị ngưng tụ thể hiện áp suất cao và nhiệt độ đạt được trong quá trình xử lý Thời gian và nhiệt độ được điều chỉnh để kiểm soát sự ảnh hưởng của hai yếu tố này.

Sau khi nhiệt, sử dụng máy ly tâm để tách phần rắn và lỏng trong sản phẩm đặc Điều kiện vận hành máy ly tâm là 5.000 vòng/phút trong 15 phút cho mỗi lần ly tâm Tiếp tục rửa phần rắn trong ngược ly tâm bằng nước cất và ly tâm, tách bã phần lỏng cho đến khi phần lỏng sau rửa có pH bằng 7 thì dừng lại Lần rửa cuối cùng sử dụng nước cất để sản phẩm sau đó có thể sấy khô nhanh hơn.

Tiếp theo, mang phẩm rắn thu được sau li tâm sẽ được sấy bằng cách sử dụng nhiệt độ đạt 80 độ C trong 12 giờ Mang mẫu sau sấy đi nung bằng lò nung nhiệt độ cao để loại bỏ các thành phần hữu cơ còn sót lại trong sản phẩm Nhiệt độ nung và thời gian nung được thay đổi theo nhiều giá trị khác nhau để khảo sát và lựa chọn giá trị tối ưu của quá trình.

Hình 3.4: M u HA tr c nung (a) và sau khi nung (b)

Sau khi quá trình nung kết thúc, sản phẩm HA được nghiền nhuyễn và bảo quản trong các bình kín khác nhau với các mẫu khác nhau Với mỗi thông số đặc trưng, các điều kiện khác nhau sẽ được khảo sát, sử dụng phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) để đánh giá thành phần pha và lựa chọn điều kiện phù hợp với tiêu chí kích thước tinh thể HA nhánh nhất và không lẫn thành phần pha tạp khác Khi khảo sát thông số sau, giá trị phù hợp đã xác định trước đó sẽ được áp dụng để thực hiện quy trình tổng hợp.

Kh o sát nhi t đ c a giai đo n nhi t

B ng 3.1: Các giá tr nhi t đ nhi t đ c kh o sát

L ng dung d ch H3PO4 1 % (ml) 14

Có bốn mức nhiệt độ khác nhau là 80, 100, 120 và 140 độ C được sử dụng trong quá trình thu thập sản phẩm Sản phẩm thu được từ quy trình tổng hợp đã được phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Dựa vào kết quả phân tích XRD, chúng tôi đã đánh giá thành phần pha và xác định nhiệt độ tối ưu để tiến hành khảo sát yếu tố thời gian nhiệt.

Kh o sát th i gian c a giai đo n nhi t

B ng 3.2: Các giá tr th i gian c a giai đo n nhi t đ c kh o sát

L ng dung d ch H3PO4 1 % (ml) 14

Nhi t đ nhi t ( o C) Giá tr xác đ nh t ph n 2.2.3

Sau khi xác định được nhiệt độ phù hợp, chúng tôi tiến hành lập lại quy trình tổng hợp 05 mẫu HA ở 05 nhiệt độ khác nhau Sản phẩm thu được từ quá trình tổng hợp này sẽ được đem đi phân tích bằng nhiều tia X Kết quả phân tích XRD sẽ cung cấp đánh giá về thành phần pha và độ tinh khiết của sản phẩm HA, từ đó xác định thời gian nhiệt độ tối ưu cho quy trình tổng hợp HA.

Kh o sát nhi t đ c a giai đo n nung

B ng 3.3: Các giá tr nhi t đ c a giai đo n nung đ c kh o sát

Nhi t đ nhi t ( o C) Giá tr xác đ nh t ph n 2.2.3

Th i gian nhi t (gi ) Giá tr xác đ nh t ph n 2.2.4

Nhiệt độ nung ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả loại bỏ các tạp chất thừa còn sót lại trong sản phẩm Nghiên cứu thực hiện nung 05 mẫu ở 05 mức nhiệt độ khác nhau, nhằm đánh giá thành phần hóa và xác định tính chất của các sản phẩm thu được bằng phương pháp nhiễu xạ X-ray Các mức nhiệt độ nung được lựa chọn phù hợp nhất để tối ưu hóa quá trình loại bỏ tạp chất.

Kh o sát th i gian c a giai đo n nung

B ng 3.4: Các giá tr th i gian c a giai đo n nung đ c kh o sát

L ng dung d ch H3PO4 1 % (ml) 14

Nhi t đ nhi t ( o C) Giá tr xác đ nh t ph n 2.2.3

Th i gian nhi t (gi ) Giá tr xác đ nh t ph n 2.2.4

Nhi t đ nung ( o C) Giá tr xác đ nh t ph n 2.2.5

Tổng hợp thông tin từ các sản phẩm thu được, quy trình nung được thực hiện qua 5 mốc thời gian khác nhau Đánh giá sản phẩm dựa trên thành phần pha và đặc tính kỹ thuật của các sản phẩm thu được bằng phương pháp nhiễu xạ X, nhằm xác định thời gian nung phù hợp nhất cho quy trình.

Kh o sát s nh h ng c a t l r n l ng đ n hi u qu c a quá trình

B ng 3.5: Các t l r n l ng đ c kh o sát

L ng dung d ch H3PO4 (ml) 14

Nhi t đ nhi t ( o C) Giá tr xác đ nh t ph n 2.2.3

Th i gian nhi t (gi ) Giá tr xác đ nh t ph n 2.2.4

Nhi t đ nung ( o C) Giá tr xác đ nh t ph n 2.2.5

Th i gian nung (gi ) Giá tr xác đ nh t ph n 2.2.6

Bằng cách thay đổi nồng độ dung dịch axit photphoric và khí lỏng xung quanh, chúng tôi đã điều chỉnh tỉ lệ nồng độ của phân ngưng Khảo sát tại một lò nung trên, thu được sản phẩm HA Sản phẩm HA thu được được phân tích bằng XRD để đưa ra tỉ lệ nồng độ tối ưu cho quy trình tổng hợp.

QUY TRÌNH I U CH ZnO@HA

S đ quy trình đi u ch ZnO@HA

41 Hình 3.5: S đ quy trình đi u ch ZnO@HA

Khuay t ml H O T nhiet đo phong t gi

Khuay t gam HA nghien min

NH OH duy trı pH

H O t phut lan toc đo vong phut

Di n giãi quy trình

Cân chính xác 0,367 gam mu i Zn(NO3)2.6H2O cho vào c c th y tinh 250 ml

Tiến hành cho vào cốc chứa 50 ml nitrat và khuấy đều trên máy khuấy với tốc độ 300 vòng/phút trong 30 phút Cân 1,9 g HA, cho vào cốc thủy tinh trên đĩa nung, đồng thời sử dụng NH4OH 5% để điều chỉnh pH = 11 trong suốt thời gian phản ứng Duy trì phản ứng trong 2 giờ trên máy khuấy, ở nhiệt độ phòng Sau thời gian phản ứng, đưa hỗn hợp sau phản ứng vào bình có gắn sinh hàn để chiếu vi sóng trong lò vi sóng Thiết bị vi sóng (Sharp R-201VN-W) có công suất 800 W và có thể điều chỉnh với các mức công suất khác nhau: Medium Low, Medium, Medium High, High, tương ứng với các mức nhiệt độ khác nhau Quy trình thí nghiệm sẽ tiến hành khảo sát các khoảng thời gian khác nhau để tìm công suất Medium, từ đó lựa chọn giá trị thời gian vi sóng thích hợp Tại giá trị thời gian vi sóng này, khảo sát kết quả mẻ vi sóng cần đạt được công suất thích hợp, chi tiết các giá trị của thông số thời gian và công suất sẽ được trình bày trong phần 2.3.3.

Sau khi chi u vi sóng, ph n r n s đ c tách riêng b ng thi t b ly tâm t c đ

Quy trình ly tâm diễn ra ở tốc độ 5000 vòng/phút trong 15 phút, nhằm tách biệt các thành phần lỏng Sau khi tách, cần sử dụng nước cất để rửa phần rắn Lặp lại quy trình rửa và ly tâm cho đến khi pH của phần lỏng đạt 7 Cuối cùng, sau khi rửa xong, cần thay nước cất bằng nước rút để giảm thời gian sấy khô phần rắn thu được.

Ph n r n thu đ c sau li tâm đ c mang s y khô nhi t đ 80 o C trong vòng

Sau khi thu hoạch sản phẩm, cần bảo quản trong hộp kín để tránh ẩm và nhiễm khuẩn Đồng thời, trích một phần mẫu để phân tích, đánh giá kích thước tinh thể trung bình và thành phần hóa học Cần xác định diện tích bề mặt riêng, các nhóm chức và các liên kết trong sản phẩm.

Kh o sát th i gian vi sóng

B ng 3.6: Các m c th i gian vi sóng đ c kh o sát

Công su t vi sóng M c trung bình (Medium)

Th i gian vi sóng (phút) 15 30 45 60

Sản phẩm ZnO@HA chứa 5% ZnO đã được chế biến bằng vi sóng trong các khoảng thời gian khác nhau Để đánh giá kích thước tinh thể và khả năng phân bố của ZnO, các phương pháp XRD và EDS đã được sử dụng sau quá trình vi sóng.

HA và l a ch n th i gian vi sóng phù h p nh t.

Kh o sát công su t vi sóng

B ng 3.7: Các công su t vi sóng đ c kh o sát

Công su t vi sóng Medium-

Th i gian vi sóng (phút) Giá tr xác đ nh t ph n 2.3.3

Sau khi lựa chọn thời gian vi sóng phù hợp, tiếp tục thay đổi công suất vi sóng bốn mức khác nhau: ML, M, MH, H Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), tán xạ tia X (EDS) và khả năng kháng khuẩn đối với năm chủng vi khuẩn Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella, Bacillus cereus để đánh giá sản phẩm thu được và rút ra công suất vi sóng phù hợp nhất.

Ch ng 4 K T QU VÀ BÀN LU N

nh h ng c a nhi t đ nhi t

Th c hi n t ng h p 04 m u HA trong cùng đi u ki n th i gian nhi t 24 gi , nhi t đ nung 550 o C và nung trong 2 gi v i 04 giá tr nhi t đ khác nhau: 80, 100,

120 và 140 o C Gi n đ XRD c a các m u HA đ c t ng h p trong cùng đi u ki n th i gian nhi t 24 gi , nhi t đ nung là 550 o C và nung trong 2 gi v i th i gian nhi t kh o sát l n l t là 80, 100, 120và 140 o C nh d i

Hình 4.1 trình bày kết quả phân tích XRD của các mẫu hydroxyapatite (HA) được tổng hợp ở nhiệt độ khác nhau (Th) với thời gian và nhiệt độ nung khác nhau (th = 24 giờ, Tc = 550 °C và tc = 2 giờ) Kết quả cho thấy các đỉnh đặc trưng của HA xuất hiện và tỉ lệ cường độ các đỉnh tương đương với tiêu chuẩn HA (JCPDS card No: 9–0432), không có sự xuất hiện của các pha khác, chứng tỏ rằng sản phẩm là HA tinh khiết Các đỉnh đặc trưng của HA có cường độ cao xuất hiện tại các vị trí 2θ = 25,75°, 31,41°, 31,95°, 32,49° và 49,09°.

Nghiên cứu này tập trung vào 45 mẫu hợp vật liệu, trong đó có 3 mẫu đặc trưng được nung ở 120 °C và 140 °C Các mẫu nung ở 80 °C và 100 °C cho thấy cấu trúc không đồng nhất và không tách biệt rõ ràng So sánh phân tích XRD giữa các mẫu cho thấy rằng nhiệt độ nung ảnh hưởng đến cấu trúc của hydroxyapatite (HA), với các mẫu ở nhiệt độ cao hơn cho kết quả tốt hơn về độ đồng nhất.

B ng 4.1: Kích th c tinh th (d) c a các m u HA đ c t ng h p nhi t đ

(Th) khác nhau (th = 24 gi , Tc = 550 o C và tc = 2 gi )

D a vào k t qu tính toán kích th c tinh th HA tính theo công th c Scherrer

Các mẫu HA được tổng hợp ở nhiệt độ 120 °C và 140 °C có kích thước tinh thể tương đương nhau, khoảng 35,5 nm Nghiên cứu cho thấy, việc lựa chọn nhiệt độ 120 °C là phương án tối ưu để tiết kiệm chi phí cho quá trình tổng hợp, đồng thời hạn chế ảnh hưởng của các yếu tố như thời gian nhiệt, nhiệt độ nung và thời gian nung đến kích thước tinh thể của sản phẩm HA.

nh h ng c a th i gian nhi t

Sau khi chọn được nhiệt độ thích hợp là 120 °C, chúng tôi tiếp tục tổng hợp các mẫu HA ở các thời gian nhiệt khác nhau (6, 7, 8, 16 và 24 giờ) và nung chúng trong cùng điều kiện nhiệt độ 550 °C trong 2 giờ Kết quả phân tích XRD của các mẫu HA được thể hiện trong hình 3.2 Khi so sánh với phổ chuẩn của HA (JCPDS card No: 9–), chúng tôi đã thu được những kết quả đáng chú ý.

Các mẫu HA được phân tích cho thấy các đỉnh đặc trưng tại các góc 2θ là 25,75°, 31,41°, 31,95°, 32,49° và 49,09° Các đỉnh này tuân theo tiêu chuẩn mà không xuất hiện đỉnh đặc trưng của các pha khác Trong số các phép XRD của các mẫu, mẫu tương hợp với thời gian nhiệt 6 giờ có cấu trúc đồng nhất.

Mẫu 46 cao và sắc nét nhưng các mẫu còn lại có kết cấu tinh khiết kém hơn Khi so sánh kích thước tinh thể bằng 3.2, chúng ta nhận thấy mẫu tương hợp với thời gian 6 và 7 giờ có kích thước tinh thể tương đồng Dựa trên những nhận định này, thời gian phù hợp nhất là 7 giờ Do đó, điều kiện nhiệt phù hợp để tổng hợp là 7 giờ.

HA là nhi t đ 120 o C và th i gian 7 gi

Hình 4.2: Ph XRD c a các m u HA đ c t ng h p v i th i gian (th) khác nhau (Th = 120 o C, Tc = 550 o C và tc = 2 gi ); a) th = 6 gi ; b) th = 7 gi ; c) th = 8 gi ; d) th = 16 gi ; e) th = 24 gi

B ng 4.2: Kích th c tinh th (d) c a các m u HA đ c t ng h p v i th i gian

(th) khác nhau (Th = 120 o C, Tc = 550 o C và tc = 2 gi )

Th i gian nhi t (gi ) 6 7 8 16 24 d (nm) 28,5 28,8 31,3 32,2 35,5

nh h ng c a nhi t đ nung

Quá trình nung ở nhiệt độ cao giúp loại bỏ hoàn toàn phần hữu cơ liên kết chặt chẽ trong xương cá, dẫn đến việc hình dạng và kích thước của sản phẩm HA được tạo thành có sự thay đổi đáng kể.

Hình 4.3 trình bày kết quả phân tích XRD của các mẫu hydroxyapatite (HA) được tổng hợp ở nhiệt độ khác nhau (120 °C, thời gian 7 giờ, thời gian nung 2 giờ) với các nhiệt độ nung lần lượt là 550 °C, 650 °C, 750 °C, 800 °C và 850 °C Sau khi xác định được nhiệt độ và thời gian nung phù hợp, các mẫu HA được tổng hợp trong điều kiện nhiệt độ 120 °C và nung ở các nhiệt độ từ 550 °C đến 850 °C trong 2 giờ Kết quả phân tích XRD cho thấy, khi so sánh với tiêu chuẩn của HA (JCPDS card No: 9–0432), các mẫu HA đã xuất hiện các đỉnh đặc trưng, cho thấy sự hình thành cấu trúc tinh thể của chúng.

HA, đi u này ch ng t có s hình thành HA trong các m u t ng h p Tuy nhiên, t

550 o C đ n 750 o C các đ nh t i v trí 2 = 31,41 o và 31,95 o ch a tách bi t rõ ràng ch ng t HA t o thành v n có đ tinh khi t ch a cao i v i m u nung nhi t đ

Ở nhiệt độ 800 °C, các đỉnh đặc trưng của HA xuất hiện hoàn toàn trùng khớp với tiêu chuẩn, tách biệt nhau rõ ràng và không có sự xuất hiện của các pha lạ khác Điều này chứng tỏ HA sản phẩm đạt độ tinh khiết cao Khi nung ở nhiệt độ cao hơn (850 °C), ngoài sự xuất hiện của các đỉnh giống nhau,

Trong phân tích XRD của mẫu HA nung nhiệt độ cao, xuất hiện các đỉnh của pha khác, cụ thể là pha –TCP (Ca3(PO4)2) được ghi nhận tại các góc 2θ tương ứng, phù hợp với tài liệu trước đây [47] Bên cạnh đó, mẫu nung ở 850°C cũng cho thấy sự hiện diện của các đỉnh đặc trưng của thành phần pha CaO tại các góc 2θ là 37,43°, 37,72°, 53,18° và 64,18° [48], cho thấy sự trùng lặp với các đỉnh của –TCP Điều này chỉ ra rằng có sự chuyển đổi một phần từ HA sang –TCP và CaO khi nung mẫu theo phương trình đã định [49].

Ca10(PO4)6(OH)2  3Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (1)

Nghiên cứu cho thấy khi nung nhiệt độ 850 °C, kích thước tinh thể của hydroxyapatite (HA) lớn hơn so với nung ở 800 °C, điều này có thể do nhiệt độ cao đã gây ra hiện tượng thiêu kết các tinh thể HA Kết quả này phù hợp với nghiên cứu trước đây của Boutinguiza, khi tổng hợp HA từ các nguyên liệu xương cá và xương ngà, cũng như các nghiên cứu gần đây về các đặc tính của HA ở các nhiệt độ 600, 900 và 1200 °C Từ các kết quả thu được, nhiệt độ nung tối ưu cho mẫu HA được chọn là 800 °C.

B ng 4.3: Kích th c tinh th (d) c a các m u HA t ng h p đ c khi nung nhi t đ khác nhau (Th = 120 o C, th = 7 gi , tc = 2 gi )

nh h ng c a th i gian nung

Thời gian nung các nh h ng đến đ k t tinh c ng nh s thiêu k t c a sản phẩm HA đã được phân tích Kết quả cho thấy nh h ng c a thời gian nung m u HA khác nhau (0,5 giờ; 1 giờ; 1,5 giờ và 2 giờ) cùng nhiệt độ nung 800 độ C đã được tiến hành khảo sát.

Hình 4.4: Ph XRD c a các m u HA t ng h p đ c khi nung v i th i gian nung khác nhau (Th = 120 o C, th = 7 gi , Tc = 800 o C); a) tc = 0,25 gi ; b) tc = 0,5 gi ; c) tc = 1 gi ; d) tc = 1,5 gi ; e) tc = 2 gi

Phân tích ph XRD của các mẫu HA thu được khi nung ở 800 °C với thời gian khác nhau cho thấy các đỉnh đặc trưng phù hợp với tiêu chuẩn của HA (JCPDS card No: 9–0432) Các đỉnh thu được đều rõ ràng và đồng nhất so với mẫu chuẩn HA có kết tinh cao Không có sự xuất hiện của các đỉnh lạ so với mẫu chuẩn, cho thấy quá trình nung đã đạt được độ tinh khiết cao Mẫu nung trong thời gian 15 phút (0,25 giờ) cho thấy các đỉnh nhiễu xạ không sắc nét, điều này cho thấy có thể còn tồn tại các tạp chất do thời gian nung ngắn Kết hợp với việc so sánh kích thước tinh thể trong các khoảng thời gian khác nhau.

50 khác nhau (b ng 3.4) ch ng t th i gian nung đ t đ k t tinh cao và ít t n n ng l ng nên ch n là 0,5 gi

B ng 4.4: Kích th c tinh th (d) c a các m u HA t ng h p đ c khi nung v i th i gian nung khác nhau (Th = 120 o C, th = 7 gi , Tc = 800 o C)

Th i gian nung (gi ) 0,25 0,5 1,0 1,5 2,0 d (nm) 31,15 32,9 35,5 36,0 36,1

nh h ng c a t l r n/l ng

Sau khi khảo sát các yếu tố nhiệt độ và thời gian nung trong quá trình sản xuất vật liệu HA, chúng tôi tiến hành thực hiện các thí nghiệm kiểm tra ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hình thành vật liệu này.

Hình 4.5: Ph XRD c a các m u HA t ng h p v i t l r n/l ng khác nhau trong cùng đi u ki n và đi u ki n nung phù h p (Th = 120 o C, th = 7 gi ,

Tc = 800 o C, tc = 0,5 gi ); a) 0,5g/50mL; b) 1g/50mL; c) 2g/50mL; d) 3g/50mL; e) 4g/50mL

Hình 3.5 thể hiện kết quả phân tích XRD của 4 mẫu HA được tổng hợp theo tỉ lệ Ca/P bằng cách ngâm các mẫu vào dung dịch H3PO4, với tỷ lệ mol Ca/P lý thuyết là 1,67 So với tiêu chuẩn của HA (JCPDS 09–0432), các đỉnh được ghi nhận cho thấy sự hình thành HA Tuy nhiên, với mẫu có tỉ lệ Ca/P cao hơn 2g/50mL, xuất hiện các đỉnh tán xạ yếu và các đỉnh có phân tử hằng số so với mẫu chuẩn Ngoài ra, còn xuất hiện thêm đỉnh của pha khác (2θ = 31,3°), đây là sự xuất hiện của pha –TCP.

Ca3(PO4)2 trong mẫu được nghiên cứu với hai tỉ lệ 0,5g/50mL và 1g/50mL cho kết quả phân tích X-ray hoàn toàn gần giống nhau và phù hợp với tiêu chuẩn Điều này chứng tỏ rằng khi tổng hợp HA với hai tỉ lệ này, vật liệu HA thu được có độ tinh khiết cao Tỉ lệ 1g/50mL là lựa chọn phù hợp nhất cho nghiên cứu.

T k t qu kh o sát các y u t nh h ng đ n c u trúc v t li u HA, quy trình t ng h p HA t x ng cá ch m phù h p nh t đã đ c đ xu t v i các thông s đ c trình bày b ng 3.5

B ng 4.5: Các thông s cho quy trình t ng h p HA t x ng cá ch m

52 Hình 4.6: Quy trình t ng h p HA t x ng cá ch m đ xu t

(*) Giá tr T = 25 o C bi u di n cho đi u ki n th c hi n là nhi t đ phòng

Quy trình tổng hợp HA từ xương cá được trình bày như sau: Cân 1,00 gam xương cá đã được sấy khô và nghiền mịn (d < 0,25 mm) cho vào becher 250 ml, sau đó thêm vào 50 ml nước cất và khuấy nhiệt độ phòng với tốc độ 300 vòng/phút trong 30 phút Tiếp theo, thêm từ từ dung dịch H3PO4 (14 mL) vào hỗn hợp, đồng thời dùng dung dịch NH4OH pha loãng 5% để duy trì pH = 10 trong suốt quá trình phản ứng Sau khi nhũ hóa dung dịch H3PO4, hỗn hợp vẫn được khuấy và giữ nhiệt độ phòng trong 2 giờ.

Kết thúc phần ngâm, sản phẩm được gia nhiệt ở 120 độ C trong 7 giờ để đảm bảo cấu trúc của sản phẩm HA Sau khi gia nhiệt, phần rắn được thu hồi bằng cách lọc qua bàn lọc và ly tâm với tốc độ 5000 vòng/phút, thời gian ly tâm là

Quá trình thu nhận HA từ xương cá bắt đầu bằng việc thực hiện phản ứng và ly tâm nhiều lần cho đến khi pH dung dịch đạt 7±0,2 Tiếp theo, ly tâm cuối cùng được thực hiện với ethanol 95% Sau khi ly tâm, mẫu rắn được sấy khô ở nhiệt độ 80°C trong 12 giờ Mẫu sau sấy được nung ở 800°C trong 30 phút để loại bỏ các thành phần hữu cơ còn lại Kết quả thu được sản phẩm HA tinh khiết với hiệu suất tổng hợp đạt 56% so với khối lượng ban đầu.

CÁC TÍNH CH T LÝ HÓA C A HA THU C T X NG CÁ

Thành ph n pha c a v t li u HA

Ph nhi u x tia X c a v t li u HA t ng h p t x ng cá ch m t i nhi t đ

Nghiên cứu đã thực hiện quá trình nung ở 120 °C trong 7 giờ và 800 °C trong 0,5 giờ, cho thấy sự xuất hiện của các đỉnh đặc trưng của hydroxyapatite (HA) trên phổ XRD Các đỉnh này xuất hiện rõ nét, đặc biệt là đỉnh tại vị trí 31,41° cùng với các đỉnh khác ở 25,75°; 31,95°; 32,49°; 49,09° Sản phẩm HA thu được có kích thước nano và độ tinh khiết cao, với kích thước tinh thể trung bình đạt được theo công thức Scherrer là 32,9 nm.

Hình 4.7: Ph XRD c a m u HA thu đ c t x ng cá ch m theo quy trình

Thành ph n nguyên t c a v t li u HA

Thành phần chính của nguyên liệu xương cá bao gồm canxi (Ca) chiếm 71,7% và photpho (P) chiếm 23,5% Hàm lượng protein trong xương cá được xác định là khô và mỡ HA, cho thấy đây là nguồn nguyên liệu giàu dinh dưỡng và có tiềm năng ứng dụng cao trong ngành công nghiệp thực phẩm.

%), ngoài ra còn có ch a các nguyên t khác nh ng v i hàm l ng không đáng k

Phân tích XRF mẫu nguyên liệu cho thấy tỷ lệ mol Ca/P đạt 2,36 sau quá trình thủy phân protein và sấy khô, vượt xa so với tỷ lệ cho phép của vật liệu HA (Ca/P trong khoảng 1,6–1,8) Trong quá trình tổng hợp, lượng H3PO4 được tính toán thêm vào để đạt tỷ lệ mol Ca/P xấp xỉ 1,67 Kết quả cho thấy vật liệu đạt yêu cầu.

Sau khi phân tích thành phần nguyên tố, tỉ lệ Ca/P của HA đạt 1,61, hoàn toàn phù hợp với kỳ vọng Tỉ lệ này gần giống với tỉ lệ mol Ca/P (1,67) trong thành phần vô cơ của xương và răng Theo nhận định của tác giả [45], tỉ lệ mol Ca/P đã thu được cho thấy vật liệu HA có tính tương thích sinh học tốt.

55 h c cao Khi so sánh v i cùng lo i v t li u là HA, k t qu cho th y t l Ca/P thu đ c khá t t so v i các nhóm nghiên c u tr c đây (chi ti t nh b ng 3.7)

B ng 4.6: Hàm l ng các nguyên t c a m u x ng cá ch m nguyên li u và s n ph m HA

Nguyên li u x ng cá ch m HA

B ng 4.7: So sánh t l mol Ca/P trong s n ph m HA thu đ c t x ng cá ch m và các s n ph m HA các nghiên c u khác

Nhóm nghiên c u Nguyên li u T l Ca/P

Boutinguiza [50] X ng cá ng và cá ki m 1,87

N.Mustafa [52] X ng cá rô phi 1,69 tài này X ng cá ch m 1,61

Các nhóm ch c và liên k t đ c tr ng c a v t li u HA

Hình 4.8: Ph FT–IR c a m u HA thu đ c t x ng cá ch m

Quan sát phổ FT-IR cho thấy sự hiện diện của các đỉnh đặc trưng cho nhóm chức của HA, khẳng định việc tổng hợp thành công sản phẩm HA từ xương cá (như đã được xác nhận qua kết quả XRD) Các đỉnh trong phổ FT-IR của nhóm PO43– xuất hiện ở ba vùng chính: vùng đầu tiên có các đỉnh tại 1093,81 cm–1 và 1041,91 cm–1 tương ứng với dao động co giãn v3, cùng với đỉnh tại 962,95 cm–1 cho dao động v1 Vùng thứ hai của nhóm PO43– thể hiện dao động uốn v4 với các đỉnh 603,02 cm–1 và 569,39 cm–1 Vùng thứ ba ghi nhận đỉnh hấp thụ yếu tại 473,40 cm–1 tương ứng với dao động v2 Đối với nhóm chức OH–, dao động giãn được thể hiện tại các bậc sóng 3572,24 cm–1 và 632,91 cm–1.

S hi n di n c a v t ch t h u c (C–H) đ c phát hi n d i d ng các đ nh c ng đ r t y u b c sóng 2925,43 cm –1

Ngoài các đỉnh hấp thụ chính được xác định cho các nhóm chức của ion HA trong vùng ngoại vi của các mẫu, còn xuất hiện các đỉnh hấp thụ thuộc nhóm chức CO32– tại các vị trí 1463,78 cm–1, 1414,11 cm–1 và 2002,37 cm–1 Sự hình thành ion CO32– có thể là do sự hấp thu CO2 trong không khí trong quá trình thực hiện thí nghiệm, liên quan đến môi trường kiềm trong dung dịch khi duy trì phản ứng tại pH = 10.

Hình thái b m t c a c a v t li u HA

Hình 4.9 trình bày kết quả phân tích qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền (TEM) của vật liệu HA Phương pháp SEM cho thấy sự hiện diện của các hạt nano có kích thước đồng đều, trong khi TEM cung cấp cái nhìn sâu hơn về cấu trúc tinh thể của vật liệu Các kết quả này được sử dụng để đánh giá tính chất và cấu trúc của vật liệu trong điều kiện tự nhiên, hỗ trợ cho việc nghiên cứu và phát triển ứng dụng của vật liệu HA.

58 c m Nhìn chung các h t t ng đ i đ ng đ u có kích th c n m trong kho ng 30 –

Kích thước và cấu trúc của hạt HA được phân tích chi tiết bằng TEM, cho thấy hạt có kích thước dao động từ 30-40 nm Kích thước hạt quan sát được qua SEM và TEM phù hợp với kích thước trung bình tính theo công thức Scherrer So với các nghiên cứu trước đây về vật liệu HA, kích thước của vật liệu HA tổng hợp trong nghiên cứu này được xác định là nhỏ hơn đáng kể, như thể hiện trong bảng 3.8.

B ng 4.8: So sánh kích th c tinh th HA t x ng cá ch m v i các m u HA c a các nghiên c u khác

Nguyên li u Kích th c (nm)

X ng cá ch m (HA, đ tài này) 43–60

Di n tích b m t riêng, đ ng kính l x p và kích th c l x p (BET)

Diện tích bề mặt vật liệu HA được xác định bằng phân tích BET, với khả năng hấp phụ và giải hấp khí N2 như thể hiện trong hình 3.10a Kích thước lỗ xốp trong khoảng từ meso đến microporous (đường kính trong khoảng 0 – 500 Å) được xác định bằng phân tích BJH (hình 3.10b) nhằm nâng cao độ phân giải trong khoảng micropore Kích thước lỗ xốp phân bố trong phạm vi 15 – 50 Å, với đường kính của lỗ xốp là 24 Å Mẫu vật liệu HA tổng hợp có diện tích bề mặt riêng là 21,6 m²/g và tổng thể tích lỗ xốp là 0,029 cm³/g.

Hình 4.10: ng h p ph và gi i h p đ ng nhi t khí N2 (a) và đ ng phân b kích th c l x p đ c xác đ nh b ng phân tích BJH (b) c a v t li u HA

Tổng hợp kết quả cho thấy vật liệu HA được xử lý ở nhiệt độ 120 độ C trong 7 giờ và nung ở 800 độ C trong 0,5 giờ đạt được kết quả tốt, với diện tích bề mặt riêng lớn, hạt có kích thước nano và độ tinh khiết cao.

Các ch tiêu vi sinh c a v t li u HA

B ng 4.9: Hình nh đánh giá m t s ch tiêu vi sinh Salmonella, E coli và

Ch tiêu Samonella E.coli Coliform

Môi tr ng không có b sung vi khu n

Môi tr ng có b sung vi khu n

K t qu đánh giá m t s ch tiêu vi sinh Salmonella, E coli và Coliform c a m u HA t ng h p đ c t x ng cá ch m th hi n b ng 3.9 Khi so sánh m u HA

Sau khi pha loãng 10 lít mủ HA với các môi trường có bổ sung vi khuẩn và môi trường không có bổ sung vi khuẩn, kết quả cho thấy mủ HA đã được pha loãng giống với môi trường không có bổ sung vi khuẩn Điều này chứng tỏ mủ HA tích hợp tốt với các chất khác theo phương pháp thực hiện trong đề tài này, không bị nhiễm khuẩn và phù hợp trong việc ứng dụng làm vật liệu sinh học.

nh h ng c a th i gian vi sóng

Trong nghiên cứu này, bốn mẫu ZnO@HA với thành phần 5% ZnO trên HA đã được tổng hợp dưới điều kiện tối ưu và các tính chất được nêu trong phần 3.2 Quá trình tổng hợp được thực hiện bằng phương pháp sóng vi sóng Medium (M) với các mẫu ZnO không đổi 5% trong các khoảng thời gian khác nhau: 15, 30, 45 và 60 phút Các mẫu được ký hiệu lần lượt là ZnHA-M-15, ZnHA-M-30, ZnHA-M-45 và ZnHA-M-60 Thành phần pha của các mẫu vật liệu sau khi tổng hợp đã được đánh giá thông qua kết quả nhiều tia.

Hình 4.11: Ph XRD c a các m u ZnO@HA đ c t ng h p các th i gian vi sóng khác nhau (công su t: Medium, %kl ZnO: 5%)

Phân tích XRD cho thấy các mẫu HA biến tính ZnO được điều chỉnh với thời gian khác nhau xuất hiện các đỉnh rõ ràng tại nhiều giá trị 2θ, bao gồm 25,9°, 28,1°, 31,7°, 32,2°, 32,9°, 34,0°, 35,5°, 38,9°, 39,8°, 42,3°, 46,7°, 48,1°, 49,5°, 50,5°, 51,2°, 52,1° và 53,1° Các đỉnh này tương ứng với cấu trúc của HA (JCPDS 009-0432), cho thấy rằng việc biến tính ZnO không làm thay đổi thành phần pha của HA Hình dạng và cường độ của các đỉnh đặc trưng cho HA vẫn không có sự thay đổi so với HA thuần khi so sánh.

Các phân tích XRD của mẫu HA biến tính ZnO cho thấy sự xuất hiện của các đỉnh nhiễu xạ tại 2θ = 31,8°, 34,4°, 36,3°, 47,5° và 56,6°, xác nhận sự hiện diện của pha ZnO (JCPDS 36-1451) Các đỉnh này cho thấy ZnO phân tán tốt trên bề mặt HA với nồng độ 5% khối lượng Nhìn chung, các mẫu HA biến tính ZnO được tổng hợp bằng phương pháp vi sóng ở các thời gian khác nhau đều cho kết quả tương đồng, chứng tỏ rằng thời gian vi sóng không ảnh hưởng lớn đến cấu trúc pha của các mẫu Việc lựa chọn thời gian vi sóng phù hợp và kích thước các tinh thể ZnO và HA đã được xem xét để đánh giá sự phân bố của ZnO trên bề mặt HA Hình 3.12 và bảng 3.10 trình bày sự phân bố nguyên tố, thành phần Zn (hay ZnO quy đổi) trên bề mặt HA và kích thước trung bình của các tinh thể ZnO và HA.

Quan sát hình 3.12, mẫu ZnHA-M-30 (tổng hợp với thời gian vi sóng 30 phút) cho thấy bề mặt với các hạt trên bề mặt nhẵn và bề mặt tương đối xốp hơn so với các mẫu tổng hợp thời gian 15 phút, 45 phút và 60 phút Thời gian vi sóng từ 15 phút đến 30 phút sản phẩm thu được có bề mặt xốp hơn, với các hạt ZnO hình thành trên bề mặt có kích thước nhỏ, khoảng 25,2 nm còn 20,9 nm (như đã trình bày trong bảng 3.10) Điều này cũng được nhấn mạnh trong công trình của Shingange [34] và các công trình khác, khi nghiên cứu tổng hợp ZnO thuần (không mang trên chất mang) bằng phương pháp vi sóng với thời gian vi sóng khác nhau Tuy nhiên, khi thời gian vi sóng kéo dài 45 và 60 phút, bề mặt vật liệu trở nên thô hơn, điều này có thể giải thích rằng thời gian vi sóng dài khiến các hạt ZnO hình thành dày đặc hơn.

Kết quả nghiên cứu cho thấy cấu trúc và tương tác liên kết giữa ZnO và vật liệu HA có sự khác biệt đáng kể Tính toán kích thước tinh thể ZnO cho thấy kích thước trung bình lần lượt là 37,3 nm và 41,8 nm khi thời gian xử lý vi sóng là 45 phút và 60 phút Hình ảnh quan sát cũng cho thấy các vùng tập trung nguyên tử Zn của hai mẫu ZnHA-M-15 và ZnHA-M-30 có kích thước lớn hơn so với các mẫu khác.

Hình 4.12: EDS mapping th hi n s phân b c a các nguyên t c a các m u

ZnO@HA đ c t ng h p các th i gian vi sóng khác nhau

(công su t: Medium, %kl ZnO: 5%)

T k t qu kích th c tinh th ZnO và HA c ng nh thành ph n Zn trình bày b ng 3.10 nh n th y, m u v t li u HA bi n tính ZnO t ng h p v i th i gian vi sóng

Trong nghiên cứu này, mẫu ZnHA-M-30 được tạo ra với kích thước tinh thể ZnO và HA nhỏ gọn, trong đó thành phần Zn xác định đạt 4% khối lượng, phù hợp với giá trị tính toán lý thuyết Đồng thời, thành phần ZnO trong mẫu đạt 5% Điều này cho thấy sự đồng nhất trong cấu trúc của mẫu, trong khi các mẫu khác có sự chênh lệch đáng kể.

Kết quả tính toán lý thuyết cho thấy với thời gian vi sóng 30 phút, chất biến tính ZnO phân tán tốt trên HA, đồng thời các tinh thể ZnO và HA có kích thước trung bình nhỏ nhất Do đó, có thể xác định thời gian vi sóng 30 phút là phù hợp.

Bài viết đề cập đến việc kích thích tính thấm của hydroxyapatite (HA) bằng cách sử dụng ZnO và Zn trong các mẫu ZnO@HA, với các thí nghiệm được thực hiện ở nhiều thời gian vi sóng khác nhau Công suất vi sóng được sử dụng là Medium, với tỉ lệ khối lượng ZnO là 5% và tỉ lệ khối lượng Zn là 4,01%.

M u ZnHA-M-15 ZnHA-M-30 ZnHA-M-45 ZnHA-M-60 dHA, nm 40,9 35,3 41,7 36,1 dZnO, nm 25,2 20,9 37,3 41,8

nh h ng c a công su t vi sóng

T k t qu th i gian vi sóng 30 phút phù h p trên, ph n này 4 m u ZnO@HA v i cùng thành ph n 5%ZnO mang trên HA đ c ti n hành t ng h p v i

Bài viết nghiên cứu bốn mức công vi sóng khác nhau: High, Medium-High, Medium và Medium-Low trong thời gian 30 phút Các mẫu được ký hiệu lần lượt là ZnHA-H-30, ZnHA-MH-30, ZnHA-M-30 và ZnHA-ML-30 Thành phần của các mẫu vật liệu sau khi tổng hợp đã được đánh giá thông qua kết quả nhiều tia X, như thể hiện trong hình 3.12.

Hình 4.13: Ph XRD c a các m u ZnO@HA đ c t ng h p các m c công su t vi sóng khác nhau (th i gian vi sóng 30 phút; %ZnO = 5%)

Phân tích XRD của các mẫu hydroxyapatite (HA) biến tính với ZnO cho thấy sự xuất hiện của các đỉnh đặc trưng của HA tại các góc 2θ như 25,9°, 28,1°, 31,7°, 32,2°, 32,9°, 34,0°, 35,5°, 38,9°, 39,8°, 42,3°, 46,7°, 48,1°, 49,5°, 50,5°, 51,2°, 52,1° và 53,1° (theo JCPDS 009-0432), cùng với các đỉnh của ZnO tại 31,8°, 34,4°, 36,3°, 47,5° và 56,6° (theo JCPDS 36-1451) Kết quả cho thấy các đỉnh của HA rõ ràng hơn so với ZnO, điều này có thể giải thích bởi hàm lượng ZnO chỉ chiếm 5% trong mẫu, còn lại là HA Do đó, ZnO phân tán đều trên bề mặt của HA, dẫn đến sự xuất hiện yếu của các đỉnh ZnO, đặc biệt trong mẫu hỗn hợp với công suất vi sóng Medium Việc đánh giá công suất vi sóng phù hợp và kích thước tinh thể của ZnO và HA cho thấy sự phân bố đồng nhất trong mẫu.

Nghiên cứu về ZnO trên bề mặt HA đã được thực hiện, với hình ảnh thể hiện sự phân bố các nguyên tố và thành phần Zn (hoặc ZnO quy đổi) trên bề mặt HA Kích thước trung bình của các tinh thể ZnO và HA từ các mẫu ZnO@HA được trình bày trong Hình 3.14 và Bảng 3.11, bao gồm các mẫu: a) ZnHA-H-30, b) ZnHA-MH-30, c) ZnHA-M-30 và d) ZnHA-ML-30.

Hình 4.14: EDS mapping th hi n s phân b các nguyên t c a các m u ZnO@HA đ c t ng h p các công su t vi sóng khác nhau (th i gian vi sóng: 30 phút,

Mẫu HA biến tính với ZnO ở nồng độ 5% (ZnHA-H, ZnHA-MH, ZnHA-M và ZnHA-ML) cho thấy rằng mẫu ZnHA-H-30 có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các mẫu còn lại Điều này có thể giải thích bởi nồng độ cao của các tinh thể ZnO, tạo ra sự tương tác và liên kết mạnh mẽ giữa chúng Mặc dù kích thước tinh thể HA và ZnO có sự khác biệt, nhưng hàm lượng Zn trong các mẫu không chênh lệch quá cao, cho thấy sự phân bố đồng đều của Zn Các mẫu này cũng đáp ứng tiêu chí kháng khuẩn, đặc biệt là với công suất vi sóng phù hợp.

67 c a các v t li u K t qu đánh giá ho t tính kháng khu n c a các v t li u HA bi n tính ZnO t ng h p các m c công su t vi sóng khác nhau th hi n b ng 3.12

B ng 4.11: Kích th c tinh th c a HA (dHA), ZnO (dZnO) và thành ph n Zn (Zn) có trong các m u ZnO@HA đ c t ng h p công su t vi sóng khác nhau

(th i gian vi sóng: 30 phút, %kl ZnO: 5% )

M u ZnHA-H-30 ZnHA-MH-30 ZnHA-M-30 ZnHA-ML-30 dHA (nm) 41,7 44,7 35,3 39,3 dZnO (nm) 31,9 41,4 20,9 37,3

Kết quả khảo sát tính kháng khuẩn của các mẫu HA biến tính với hàm lượng chất biến tính 5% ZnO được tổng hợp bằng phương pháp vi sóng cho thấy, hai mẫu tổng hợp ở công suất vi sóng cao và trung-thấp (ZnHA-H-30 và ZnHA-ML-30) có hoạt tính kháng khuẩn yếu hơn so với hai mẫu tổng hợp ở công suất trung-cao và trung (ZnHA-MH-30 và ZnHA-M-30) Mặc dù kích thước các tinh thể trung bình không khác biệt nhiều giữa các mẫu, nhưng bề mặt vật liệu của hai mẫu ZnHA-MH-30 và ZnHA-M-30 có đặc điểm khác biệt, giúp tăng cường khả năng tiếp xúc của vi khuẩn với bề mặt vật liệu, từ đó nâng cao tính kháng khuẩn của vật liệu này.

B ng 4.12: N ng đ c ch t i thi u c a các m u ZnO@HA đ c t ng h p công su t vi sóng khác nhau (th i gian vi sóng: 30 phút, %kl ZnO: 5% ) đ i v i các lo i vi khu n khác nhau

E coli S aureus P aeruginosa Salmonella B.cereus

Chú thích: N = 20 mg/ml +: vi khu n m c; : vi khu n không m c

So sánh hoạt tính kháng khuẩn của hai mẫu ZnHA-MH-30 và ZnHA-M-30 cho thấy hoạt tính kháng khuẩn của hai mẫu này gần như tương đương với các loại vi khuẩn khác nhau Tuy nhiên, đối với vi khuẩn B cereus, hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu ZnHA-MH-30 tốt hơn so với vật liệu ZnHA-M-30 khi xét ở nồng độ 5 mg/ml so với 10 mg/ml.

Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa vật liệu HA biên tính ZnO nhằm ứng dụng trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt là trong cấy ghép xương nhân tạo Tiêu chí kháng khuẩn đối với vi khuẩn S aureus được đánh giá hàng đầu, do vi khuẩn này gây ra viêm khớp và đau nhức xương Hai mẫu ZnHA-MH-30 và ZnHA-M-30 cho thấy hoạt tính kháng khuẩn tương đương Về chi phí năng lượng trong quá trình tổng hợp, việc thực hiện công suất vi sóng Medium-High tốn kém hơn so với công suất Medium Kết quả phân tích cho thấy công suất vi sóng Medium là lựa chọn phù hợp để tối ưu hóa vật liệu HA biên tính ZnO.

Quy trình tổng hợp HA biến tính ZnO được thực hiện như sau: Cân 0,367 g muối Zn(NO3)2.6H2O vào cốc thủy tinh, sau đó thêm 50 ml nước cất và khuấy đều trên máy khuấy ở tốc độ 300 vòng/phút trong 30 phút Tiếp theo, cân 1,9 g HA và cho vào cốc thủy tinh, đồng thời sử dụng NH4OH 5% để điều chỉnh pH lên 11 trong suốt quá trình phản ứng Duy trì phản ứng trong 2 giờ trên máy khuấy ở nhiệt độ phòng Sau khi phản ứng hoàn tất, hỗn hợp được chuyển vào bình chịu nhiệt và đưa vào lò vi sóng, lặp lại quá trình này trong 30 phút với công suất Medium Sau khi vi sóng, mẫu được làm nguội đến nhiệt độ phòng rồi ly tâm ở 5000 vòng/phút trong 15 phút Tách biệt phần lắng và dùng nước cất để rửa phần rắn, lặp lại quy trình cho đến khi phần rắn có pH = 7 Cuối cùng, phần rắn thu được được sấy khô ở nhiệt độ 80°C trong 12 giờ, dẫn đến sản phẩm cuối cùng là vật liệu HA biến tính ZnO.

(*) Giá tr T = 25 o C bi u di n cho đi u ki n th c hi n là nhi t đ phòng (*) Giá tr T = 25 o C bi u di n cho đi u ki n th c hi n là nhi t đ phòng

(*) Giá tr T = 25 o C bi u di n cho đi u ki n th c hi n là nhi t đ phòng

Hình 4.15: Quy trình t ng h p HA bi n tính ZnO đ xu t

Khuay t gam HA nghien min

NH OH duy trı pH

Thành ph n pha trong v t li u HA bi n tính ZnO

Hình 4.16 cho thấy kết quả phân tích XRD của mẫu 5%ZnO@HA trong điều kiện tối ưu Các mẫu HA biến tính với ZnO thể hiện nhiều đỉnh X-ray khác nhau, tương ứng với các đỉnh của HA theo tiêu chuẩn JCPDS No.09-0432 Cụ thể, mẫu HA biến tính 5%ZnO có các đỉnh trùng khớp tại các góc 2θ là 26°, 31,5°, 39,7°, 46,5°, 49,5° tương ứng với các mặt phẳng Miller (002), (211), (310), (222), (213) Đặc biệt, đỉnh có cường độ cao nhất nằm ở 2θ = 31,5° Ngoài ra, phân tích XRD cũng cho thấy các đỉnh đặc trưng của ZnO (JCPDS 36-1451), với đỉnh nổi bật ở vị trí 2θ = 36,3°, tương ứng với một mặt phẳng Miller nhất định.

Các đ nh đ c tr ng ZnO xuất hiện trong mẫu HA biến tính ZnO không rõ nét do hàm lượng ZnO phân tán không đồng đều, với các tinh thể ZnO hình thành trong mạng tinh thể HA có kích thước nhỏ Các tinh thể ZnO tập trung chủ yếu bên trong, xen kẽ giữa các tinh thể HA Kết quả XRD cho thấy, theo công thức Scherrer, kích thước tinh thể trung bình của HA và ZnO lần lượt được xác định là 35,3 nm và 20,9 nm, cho thấy sự tương đồng về kích thước giữa hai thành phần này.

Thành ph n nguyên t trong v t li u HA bi n tính ZnO

Hình 4.17 trình bày bản đồ EDS thể hiện sự phân bố các nguyên tố trong vật liệu HA biến tính ZnO Bản đồ EDS cho thấy sự phân bố các nguyên tố trong mẫu HA biến tính ZnO (hình 3.17a), với các nguyên tố phân bố đồng đều trên bề mặt vật liệu.

Mẫu vật có chứa 73 m t, với vị trí tập trung các nguyên tố Zn (màu đ) Phân tích bằng tia X cho thấy sự hiện diện của các nguyên tố O, P, Ca và Zn, cùng với một số dấu hiệu của nguyên tố C Thành phần các nguyên tố được xác định, với khối lượng phần trăm của O, P, Ca và Zn lần lượt là 45,62%, 17,89%, 32,49% và 4,00% Thành phần này gần khớp với các nguyên tố tính toán theo lý thuyết, trong đó nguyên tố Zn chiếm 4% khối lượng, tương đương với 5% khối lượng ZnO, phù hợp với hàm lượng dự kiến ban đầu Kết quả này chứng minh sự phân bố khá đồng đều của chất biến tính ZnO trên vật liệu HA.

Các nhóm ch c và liên k t đ c tr ng c a v t li u HA bi n tính ZnO 73

Hình 4.18: Ph FT-IR c a HA bi n tính ZnO

Phương pháp FT-IR của mẫu HA biến tính ZnO được thực hiện bằng phương pháp vi sóng điều kiện tốt nhất cho thấy sự xuất hiện dao động của các nhóm chức trong HA, đặc biệt là các đỉnh PO và OH tại các vị trí 1043 cm⁻¹.

472 cm 1 , 1092 cm 1 và 570–602 cm 1 [54, 55] t ng t nh ph FT-IR c a HA thu n (hình 3.8) ; v ch dao đ ng c a OH xu t hi n v trí 632 cm 1 , 3570 cm 1 và 3445

Các nhóm chức của HA không bị thay đổi khi ZnO được biến tính, với các dải hấp thu trong khoảng 429–435 cm⁻¹ thể hiện rõ ràng sự dao động đặc trưng của ZnO Kết quả này chỉ ra rằng phương pháp tổng hợp ZnO trên HA bằng vi sóng đã thành công, cho sản phẩm có chất lượng cao mà không làm thay đổi trạng thái pha của HA so với ban đầu.

Hình thái b m t c a v t li u HA bi n tính ZnO

Hình thái bề mặt của vật liệu HA biến tính ZnO được đánh giá thông qua hình ảnh từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), như thể hiện trong hình 3.19 Dựa vào hình SEM (hình 3.19a), có thể thấy các hạt với kích thước đồng nhất (dao động từ 30 đến 60 nm) liên kết với nhau tạo nên bề mặt vật liệu tương đối đồng đều Điều này cũng được lý giải trên bề mặt vật liệu HA biến tính ZnO, nơi các hạt tinh thể HA và ZnO có kích thước khá đồng nhất (đã trình bày trong phần kết quả XRD) Hình ảnh TEM của ZnO@HA (hình 3.19b) cho thấy kích thước hạt trung bình của màng HA biến tính ZnO khoảng 50 nm So với màng HA thuần (hình 3.9b), kích thước hạt trung bình của màng sau khi biến tính ZnO gần như không thay đổi.

Hình 3.9 cho thấy sự so sánh giữa SEM và TEM của HA thuần, cho thấy rằng vật liệu HA biến tính ZnO không có sự khác biệt rõ rệt Điều này có thể giải thích bởi thành phần chất biến tính ZnO thâm nhập vào bên trong cấu trúc của vật liệu HA, như được minh chứng qua kết quả EDS mapping, cùng với kích thước tinh thể ZnO tăng lên so với trước.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc bổ sung ZnO vào HA không làm giảm kích thước trung bình của tinh thể HA Phương pháp tổng hợp sử dụng sóng siêu âm trong thời gian ngắn (30 phút) và công suất vi sóng thấp đã đạt được hiệu quả đáng kể.

75 a) b) Hình 4.19: nh SEM (a) và TEM (b) c a m u ZnO@HA.

Di n tích b m t riêng, đ ng kính l x p và kích th c l x p c a v t

li u HA bi n tính ZnO

Tổng hợp vật liệu HA cho thấy diện tích bề mặt vật liệu HA biến tính ZnO được xác định bằng phân tích BET, với khả năng hấp phụ và giải hấp khí N2 Kích thước lỗ xốp trong khoảng t meso đến microporous (đường kính trong khoảng 0 – 500 nm) được xác định bằng phân tích BJH.

- gi i h p đ ng nhi t N2 hình 3.20a cho th y m u ZnO@HA t ng h p đ c thu c nhóm v t li u lo i II, đ c tr ng cho v t li u có c u trúc không x p [58] Kích th c

Hạt ZnO@HA có đường kính trung bình 24,2 nm, với diện tích bề mặt riêng là 18,6 m²/g và tổng thể tích lấp đầy là 0,023 cm³/g So với vật liệu HA thuần, vật liệu HA biến tính ZnO có đường kính lấp đầy không thay đổi đáng kể, nhưng diện tích bề mặt riêng và thể tích lấp đầy giảm (HA thuần có diện tích bề mặt riêng là 21,6 m²/g và tổng thể tích lấp đầy là 0,029 cm³/g) Điều này chứng tỏ rằng sự biến tính bằng ZnO đã ảnh hưởng đến một phần cấu trúc của HA.

Hình 4.20: ng h p ph và gi i h p đ ng nhi t khí N2 (a) và đ ng phân b kích th c l x p đ c xác đ nh b ng phân tích BJH (b) c a v t li u ZnO@HA

Các ch tiêu vi sinh v a v t li u HA bi n tính ZnO

B ng 4.13: Hình nh đánh giá các ch tiêu vi sinh c a HA bi n tính ZnO

Ch tiêu nhi m khu n Samonella E coli Coliform

Môi tr ng không có b sung vi khu n

Môi tr ng có b sung vi khu n

Bài viết trình bày kết quả đánh giá khả năng tiêu vi sinh của màng HA được tăng cường bằng ZnO, thông qua việc kiểm tra hiệu quả kháng khuẩn đối với ba loại vi khuẩn: E coli, Salmonella và Coliform Nghiên cứu cho thấy ZnO@HA có khả năng tiêu diệt vi khuẩn hiệu quả, mở ra hướng đi mới trong việc phát triển vật liệu kháng khuẩn cho ứng dụng trong y tế và bảo vệ môi trường.

Nghiên cứu cho thấy, ở nồng độ 10 -2 và 10 -1 mg/ml, các mẫu HA biện tính ZnO không thể ức chế sự phát triển của vi khuẩn E.coli, Salmonella và Coliform trong cả môi trường thí nghiệm vô khuẩn và môi trường thí nghiệm có khuẩn Kết quả này cho thấy tổng thể các mẫu HA biện tính ZnO không có hiệu quả kháng khuẩn.

K t qu này ch ng t v t li u HA bi n tính ZnO t ng h p đ t các ch tiêu vi sinh, có th đ nh h ng ng d ng làm v t li u y sinh.

Kh n ng kháng khu n v t li u HA bi n tính ZnO

Hình 4.21: Ho t tính kháng khu n c a v t li u HA bi n tính ZnO (E- E coli, Sta - S aureus, P -P aeruginosa, Sal - Salmonella và B - B.cereus)

K t qu kháng khu n hình 3.21 và b ng 3.14 cho th y v t li u HA bi n tính ZnO có kh n ng kháng khu n đ i v i c 5 lo i vi khu n g m: 02 vi khu n Gram (+)

S aureus, B cereus và 03 vi khu n Gram () (E coli, P.aeruginosa, Salmonella), ch ng t vi c bi n tính ZnO vào HA đem l i k t qu kh quan trong ng d ng làm v t li u kháng khu n N ng đ c ch t i thi u đ i v i các vi khu n P.aeruginosa, Salmonella và B.cereus là 10 mg/ml, cao h n so v i n ng đ c ch t i thi u cu v t

Nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu HA biên tính ZnO có khả năng kháng khuẩn khác nhau đối với các loại vi khuẩn E coli và S aureus ở nồng độ 2,5 mg/ml Sự khác biệt trong hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu này phụ thuộc vào cấu trúc tế bào của từng loại vi khuẩn và khả năng tương tác giữa vật liệu và vi khuẩn.

B ng 4.14: N ng đ c ch t i thi u c a v t li u HA bi n tính ZnO đ i v i 5 lo i vi khu n khác nhau

Lo i vi khu n N ng đ c ch (mg/ml)

S aureus là một trong những vi khuẩn chính gây ra các bệnh nhiễm trùng nghiêm trọng ở người, có thể dẫn đến tình trạng nhiễm trùng nguy hiểm khi xâm nhập vào máu, khớp, phổi hoặc tim Vi khuẩn này thường cư trú ở da và màng nhầy Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng vật liệu HA biến tính ZnO với nồng độ 2,5 mg/ml và hàm lượng ZnO 5%kl có tiềm năng ứng dụng trong y sinh, đặc biệt trong cấy ghép xương trong tương lai.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi so sánh khả năng kháng khuẩn của vật liệu HA biến tính ZnO tổng hợp với vật liệu nano ZnO từ các nhóm nghiên cứu khác đối với hai loại vi khuẩn E coli và S aureus Kết quả cho thấy, mặc dù vật liệu ZnO biến tính vào HA chỉ có 5% khối lượng, nhưng hiệu quả kháng khuẩn của nó vẫn rất khả quan, với nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) đối với E coli và S aureus đều là 2,5 mg/ml So với vật liệu nano ZnO, nồng độ này thấp hơn đối với E coli và cao hơn đối với S aureus.

S chênh l ch này không quá l n T nh ng k t qu trên, có th k t lu n r ng, s n

Phương pháp vi sóng đã được sử dụng để tổng hợp hợp chất 80 pH m HA bi n tính 5%ZnO với kích thước nano, mang lại hoạt tính kháng khuẩn cao Hợp chất này có khả năng ứng dụng làm vật liệu kháng khuẩn và trong lĩnh vực vật liệu y sinh.

B ng 4.15: So sánh n ng đ c ch t i thi u đ i v i hai ch ng vi khu n E coli và S.aureus c a v t li u HA bi n tính ZnO v i v t li u nano ZnO m t s công trình đã công b

M u Vi khu n MIC (mg/ml) Tài li u tham kh o

Ch ng 5 K T LU N VÀ KI N NGH

T nh ng k t qu đ t đ c, đ tài này đi đ n m t s k t lu n sau:

Quy trình tổng hợp hydroxyapatite (HA) từ xương cá mập sử dụng nguồn gốc tự nhiên thông qua phương pháp thủy nhiệt Điều kiện phù hợp cho quy trình này là sử dụng 1 gam xương cá/50 ml nước, bổ sung H3PO4 để đạt tỉ lệ Ca/P = 1,67, và tiến hành xử lý nhiệt ở 120 độ C trong 7 giờ Sau đó, sản phẩm được nung ở nhiệt độ 800 độ C trong 30 phút để loại bỏ các hợp chất hữu cơ còn sót lại.

Sản phẩm HA thu được có kích thước tinh thể đạt 32,9 nm theo kết quả nhiễu xạ tia X, với thành phần nguyên tố Ca/P là 1,61, nằm trong khoảng cho phép 1,4 ÷ 1,8 Vật liệu này có cấu trúc mao quản với diện tích bề mặt riêng 21,6 m².g⁻¹, đường kính của lỗ xốp là 24 nm và thể tích lỗ xốp là 0,029 cm³.g⁻¹, cho thấy tính chất vô khuẩn đối với ba chủng vi sinh vật phổ biến Salmonella.

Quy trình tổng hợp vật liệu ZnO@HA đã được thực hiện bằng phương pháp vi sóng, với tỷ lệ 5% khối lượng ZnO trên nền vật liệu HA Các yếu tố như thời gian và công suất vi sóng có ảnh hưởng đáng kể đến kích thước và cấu trúc của ZnO Kết quả cho thấy, điều kiện vi sóng với công suất Medium trong 30 phút cho sản phẩm ZnO@HA đạt chất lượng tối ưu.

Việc biến tính ZnO trên bề mặt hydroxyapatite (HA) bằng phương pháp vi sóng trong 30 phút với công suất trung bình không làm thay đổi đáng kể thành phần pha cũng như hình dạng, kích thước của HA.

+ S n ph m HA bi n tính ZnO có kích th c h t