Phương pháp tổng hợp composit HA/alg được đưa ra ở Mục 2.3.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần (HA/alg: 1/9, 3/7, 5/5 và 7/3, kí hiệu mẫu tương ứng HG1, HG3, HG5 và HG7) đến các đặc trưng của composit HA/alg được khảo sát và trình bày sau đây.
3.5.1.1. Đặc trưng XRD
Hình 3.53 và các Phụ lục 51-54 trình bày giản đồ XRD của các composit HA/alg với tỉ lệ thành phần thay đổi.
Hình 3.53. Giản đồ XRD của các composit HA/alg
Trên các giản đồ đều chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng cho HA (JCPDS 24 - 0033), không thấy sự có mặt của các pha lạ. Có thể nhận thấy, khi hàm lượng alg tăng lên, các vạch có cường độ giảm xuống và mở rộng. Điều này chứng tỏ, tinh thể HA tạo thành trong các composit có kích thước nhỏ và độ tinh thể thấp tương tự như HA trong mô xương tự nhiên. Thêm nữa, trong các composit có sự thay đổi vị trí các vạch so với HA ban đầu. Vạch tại vị trí 2θ = 31,8; 32,2o tương ứng với các mặt (112) và (300) chuyển về 31,3; 31,9o ở các composit HG3, HG5. Các vạch nhiễu xạ chồng chập, không quan sát được một cách riêng rẽ ở mẫu có hàm lượng alginat cao nhất (HG1). Như vậy, sự có mặt của alginat đã ảnh hưởng đến sự tạo mầm và phát triển của các tinh thể HA.
Tương tự với kết quả này, nghiên cứu của A. Tampieri và cộng sự [183], khi tổng hợp composit HA/alginat theo phương pháp trộn và kết tủa trực tiếp cho thấy, giản đồ XRD của mẫu trộn có các vạch với cường độ cao và độ rộng nhỏ tương tự như
HG7
HG5
HG3
HA trước khi trộn, còn mẫu theo phương pháp kết tủa trực tiếp có các vạch mở rộng, chứng tỏ HA tạo thành có kích thước và độ tinh thể thấp.
Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA từ giản đồ XRD tính theo các công thức 2.4 và 2.5 được trình bày trong Bảng 3.19.
Bảng 3.19. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong các composit HA/alg
Mẫu D (nm) Xc
HG7 21 0,22
HG5 14 0,12
HG3 9 0,03
HG1 Không xác định được Không xác định được
Từ kết quả ở Bảng 3.19 cho thấy, tinh thể HA trong composit có kích thước khá nhỏ và độ tinh thể rất thấp. Khi hàm lượng alginat tăng lên, kích thước trung bình và độ tinh thể giảm xuống. Đối với mẫu HG1, không xác định được kích thước và độ tinh thể của HA do không quan sát được các vạch riêng rẽ. Điều này chứng tỏ HA trong mẫu HG1 thu được có độ tinh thể rất thấp hoặc ở dạng vô định hình.
Như vậy, bằng phương pháp kết tủa trực tiếp đã hình thành nên các tinh thể HA có kích thước nhỏ và độ tinh thể rất thấp trong vật liệu composit HA/alg. Điều này được cho là do các chuỗi phân tử alg đã bao bọc các mầm tinh thể HA vừa mới hình thành và cản trở việc vận chuyển các ion tiền chất trong suốt quá trình tạo mầm và lớn lên của HA [143, 183].
3.5.1.2. Đặc trưng SEM và TEM
Ảnh SEM của mẫu alginat và các composit HA/alg được trình bày trên Hình 3.54.
Hình 3.54. Ảnh SEM của các composit HA/alg
Quan sát các ảnh SEM trên Hình 3.54 cho thấy, sự có mặt của alg không chỉ ảnh hưởng đến kích thước mà còn ảnh hưởng đến hình dạng của hạt HA. Khi hàm lượng alg tăng, kích thước và sự phân bố của các hạt HA có sự thay đổi.
Mẫu HG7 và HG5 có các tinh thể HA ở dạng hình que, phân bố đều trên chất nền alginat. Các hạt kết dính bởi nền alginat tạo thành từng đám có kích thước không đồng đều.
HG7 HG5
HG1
alg
Ở mẫu HG3 và HG1, các tinh thể HA chuyển sang dạng gần cầu và phân bố lẫn trong lớp vỏ alginat. Biên hạt composit không rõ nét, chúng được bao phủ hoàn toàn bởi bề mặt lớp vỏ alginat. Mẫu alg tồn tại dạng khối, có nhiều nếp gấp, không tồn tại các biên trong khối.
Như vậy, sự có mặt của alginat đã làm thay đổi kích thước và sự phân bố của các hạt HA trong composit. Tùy thuộc vào hàm lượng, alginat làm thay đổi hình dạng của tinh thể, kìm hãm sự phát triển kích thước của HA.
Ảnh TEM của các mẫu composit HG5 và HG1 thể hiện trong Hình 3.55.
Hình 3.55. Ảnh TEM của mẫu HG5 và mẫu HG1
Mẫu HG5 cho thấy, các hạt HA hình que, dài 15-20 nm, đường kính 6 nm phân tán đồng đều trên nền alg. Mẫu HG1 có các hạt HA với kích thước rất nhỏ, dài 8-10 nm, đường kính 2-4 nm. Phần mờ xung quanh hạt HA được xem là alginat và HA vô định hình hoặc rất kém tinh thể [183]. Bằng phương pháp kết tủa trực tiếp, Li Wang và cộng sự [191] đã tổng hợp được các composit HA/alginat có cấu trúc tương tự như xương tự nhiên. Với hàm lượng alginat từ 30-40% khối lượng, HA tạo thành có dạng hình kim, dài 20-50 nm, đường kính 5 nm, độ tinh thể thấp và chứa ion cacbonat tương tự HA sinh học. Hơn nữa, các hạt HA được gắn hoàn toàn trong chất nền alginat, tránh được hiện tượng di trú hạt HA trong cấy ghép mô xương.
3.5.1.3. Đặc trưng FT-IR
Phổ FT-IR của alg và các composit HA/alg được trình bày trên Hình 3.56.
Hình 3.56. Phổ FT-IR của alg và các composit HA/alg
Các mẫu composit đều xuất hiện các dải đặc trưng cho HA và alg, tuy nhiên, vị trí của các dải có nhiều biến đổi. Các dải ở vùng từ 3500 đến 3300 cm-1 được gán cho dao động của nhóm OH trong cấu trúc của HA và alginat, dải này trải rộng ra và không có các pic sắc nét do tạo liên kết hydro [144, 183]. Dải hấp thụ ở vùng 2926 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm -CH của alginat [182, 191]. Dải đặc trưng cho dao động của nhóm PO43- của HA tại 603 và 563 cm-1, chuyển về số sóng thấp hơn (575-601, 547-568) trong các composit. Như vậy, sự có mặt của alginat đã làm thay đổi cấu trúc của HA, điều này cũng đã được xác nhận từ giản đồ XRD ở trên. Alginat trong composit đã có sự thay đổi đáng chú ý, dải phổ tại 1644 và 1438 cm-1 ban đầu đặc trưng cho dao động hóa trị bất đối xứng và đối xứng của nhóm COO- chuyển mạnh về số sóng thấp hơn (1612- 1619, 1416-1419 cm-1). Điều này chứng tỏ, sự tương tác giữa HA và alginat đã xảy ra ở mức độ phân tử và chủ yếu là ở nguyên tử Ca với nhóm COO- [144, 182, 183].
3.5.1.4. Đặc trưng nhiệt
Hình 3.57. Giản đồ phân tích nhiệt của alginat
Đường DTA có pic thu nhiệt yếu tại 74,65oC và ba pic tỏa nhiệt tại 234,92, 267,45 và 612,57oC tương ứng với quá trình mất nước và phân hủy nhiệt của alginat. Đường TGA cho thấy, sự giảm khối lượng của mẫu bắt đầu từ khoảng 60 đến 200oC, được gán cho quá trình mất nước (giảm 22,6%). Tiếp đến là sự giảm mạnh khối lượng (40,0%) từ 200 đến 400oC là do quá trình cắt mạch và cháy của alginat. Từ 380 đến 700oC, khối lượng mẫu giảm 18,23% là do quá trình tiếp tục phân hủy alginat natri tạo ra Na2CO3 [104]. Khối lượng mẫu còn 19,17%, là phần dư lượng Na2CO3 không phân hủy bởi nhiệt[144].
Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu HG5 được đưa ra ở hình 3.58.
Đường DTA có đỉnh thu nhiệt yếu tại 103oC do hiện tượng mất nước ẩm và đỉnh tỏa nhiệt tại 319oC được gán cho sự phân hủy nhiệt của composit. Quá trình giảm khối lượng của mẫu được thể hiện trên đường TGA, gồm 3 giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất từ nhiệt độ phòng đến 165o
C ứng với đỉnh thu nhiệt đầu tiên trên DTA, khối lượng mẫu giảm 13,493% do hiện tượng mất nước. Giai đoạn thứ hai, từ 165 đến 355oC tương ứng với đỉnh tỏa nhiệt trên DTA, khối lượng mẫu giảm 21,198% do các quá trình cháy của alginat. Trong giai đoạn thứ ba, từ 335 đến 800oC, khối lượng mẫu giảm nhẹ và từ từ (7,084%) được gán cho sự phân hủy nhiệt tiếp tục của alginat natri đến Na2CO3 và quá trình phân hủy cacbonat của HA có trong mẫu. Sản phẩm còn lại là HA và Na2CO3.
Đường TGA của mẫu HG5 có khoảng nhiệt độ và tỉ lệ giảm khối lượng tương đối ở mỗi bước là tương tự với mẫu alginat, trừ sự mất khối lượng ở gần 800oC do quá trình phân hủy cacbonat của HA. Điểm khác biệt đáng chú ý giữa hai giản đồ là đường DTA của composit chỉ có một pic rất mở rộng so với mẫu alginat có hai pic hẹp như trên Hình 3.57. Điều này cho biết, các thành phần vô cơ trong composit đã cản trở và làm chậm lại quá trình phân hủy của alginat. Kết hợp các phân tích từ XRD, SEM, TEM và FT-IR chứng tỏ hai pha (HA và alginat) trong vật liệu composit đã kết hợp hoàn toàn tạo nên vật liệu lai vô cơ-hữu cơ.