Tính chất của vật liệu composit chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi một số yếu tố như hình dạng, kích thước, tính chất, tỷ lệ cũng như tương tác giữa HA và polyme.
1.3.3.1. Thành phần
Sự tồn tại cũng như kích thước và độ tinh thể của HA trong vật liệu composit thường được đánh giá bởi phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) [131, 133, 146, 170, 173, 177-181]. Thành phần pha vô cơ tạo thành phụ thuộc vào lượng chất ban đầu và các điều kiện phản ứng. Để chế tạo HA, thường phải chuẩn bị các dung dịch với tỉ lệ mol Ca/P là 1,67 đúng như tỉ lệ phân tử HA và duy trì pH phản ứng ở vùng kiềm. Giản đồ XRD của các composit với các polyme như collagen [127], gelatin [169], chitosan [182], tinh bột [133, 176], alginat [183]… thường có các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của HA mở rộng, chứng tỏ HA tạo thành có kích thước nhỏ và độ tinh thể thấp tương tự như pha khoáng sinh học. Phương pháp XRD cũng phát hiện ra cơ chế hình thành pha HA trong composit thông qua các pha khoáng trung gian CaP. Các polyme đã hạn chế việc chuyển pha từ các CaP vô định hình sang tinh thể HA và cản trở việc khuếch tán các ion Ca2+, PO43-, OH- tạo mầm và phát triển tinh thể HA. Rusu và cộng sự [48] đã dùng kỹ thuật XRD để nghiên cứu sự hình thành cũng như xác định kích thước tinh thể HA trong nền chitosan bằng phương pháp kết tủa trực tiếp từ các dung dịch CaCl2 và Na2HPO4 (Hình 1.12). Một mẫu được giữ ở pH 5,6; các mẫu khác được điều chỉnh pH tăng lên 11 bằng cách nhỏ NaOH và giữ ở 0,3; 1; 2; 4; 8 và 24 giờ rồi đông khô. Ở pH 5,6, chỉ có pha brushit hình thành, còn ở pH 11, pha brushit và các pha CaP vô định hình chuyển dần theo thời gian sang pha HA bền hơn.
Hình 1.12. Sự chuyển pha từ brushit sang HA theo thời gian [48]
Sau 24 giờ già hóa, quá trình chuyển pha xảy ra gần như hoàn toàn, chỉ còn tồn tại pha brushit ở lượng vết. Kích thước trung bình và tốc độ phát triển tinh thể tăng lên cùng với thời gian phản ứng và thời gian già hóa tại nhiệt độ 22oC. Ngoài ra, hàm lượng chitosan càng cao, kích thước tinh thể HA càng nhỏ.
Hàm lượng của các thành phần trong hệ composit thường được xác định bởi phương pháp DTA-TGA [150]. Khối lượng thực của các pha thường có khác biệt một ít so với lượng chất tính toán ban đầu. Bằng phương pháp TGA, W. Y. Choi [131] đã xác định khối lượng cuối cùng của HA là 10,2, 18,4, và 32,8% tương ứng với khối lượng ban đầu 10, 20, và 30% trong composit HA/PCL.
Hình 1.13 trình bày giản đồ phân tích nhiệt (DTA-TGA) của các vật liệu composit HA/chitosan với tỉ lệ thành phần thay đổi [144].
Hình 1.13. Giản đồ DT-TGA của các vật liệu composit HA/chitosan với hàm lượng khác nhau [144]
Đường TGA cho thấy, trọng lượng mẫu giảm nhanh chóng khi nhiệt độ tăng, đặc biệt là trong phạm vi 40-130o
C và 250-600oC. Một pic thu nhiệt rộng được quan sát xung quanh 80oC trên đường DTA được gán cho sự mất nước, trong khi hai đỉnh tỏa nhiệt ở 345oC và trên 540oC được gán cho sự phân hủy nhiệt của chitosan. Như vậy, các composit có khả năng chịu nhiệt cao hơn 250oC và nhiệt độ phân hủy giảm khi tăng hàm lượng HA. Các đường TGA không cho thấy sự thay đổi trọng lượng trên 800oC, hàm lượng chitosan trong composit được xác định từ sự thay đổi khối lượng giữa 250 đến 800o
C trên đường TGA. Hàm lượng composit được tìm thấy gần như phù hợp với lượng chất ban đầu thêm vào trong quá trình điều chế chứng tỏ chitosan kết hợp tốt với HA trong composit.
1.3.3.2. Hình thái học
Hình thái học của composit là một tính chất đặc trưng quan trọng, quyết định đến các tính chất khác và khả năng ứng dụng của vật liệu. Nó bị ảnh hưởng bởi các điều kiện phản ứng, như: nồng độ, nhiệt độ, pH, thời gian, hình thái học của polyme cũng như tương tác giữa polyme và HA. Composit HA/polyme có thể ở dạng hạt (micro hoặc nanomet), màng đơn lớp, màng đa lớp, ống, sợi, khung xốp,… Thông thường, hình thái học, kích thước và phân bố của composit được xác định bằng kỹ thuật TEM và SEM như thể hiện trên Hình 1.14.
Hình 1.14. Các dạng hình thái học của composit: hạt micro (a), nano (b), khung xốp (c), sợi (d), giàn khung (e), màng đa lớp (f)
Xiao và cộng sự [136] đã sử dụng một loại proteoglycan là chondroitin sunfat có nhiều trong sụn để điều tiết sự kết tinh HA và khảo sát hình thái học trong composit HA/chondroitin sunfat. Ở nồng độ chondroitin sunfat cao, thu đươc các hạt nano HA dạng hình vảy, trong khi ở nồng độ thấp, thu được các tinh thể ở dạng sợi ngắn. Nghiên cứu [167] đã sử dụng axit hyaluronic, một loại glycosaminoglycan không sunfat phân bố đều trong các mô mềm, làm chất nền để điều tiết sự tạo thành các tinh thể HA. Kết quả đã chỉ ra rằng, giá trị pH ban đầu và nồng độ của axit hyaluronic có ảnh hưởng đến các lỗ trống canxi, hàm lượng cacbonat và hình thái học của HA.
1.3.3.3. Tương tác giữa HA và polyme
Trong vật liệu composit, các thành phần riêng lẻ vẫn cho thấy có tính lý, hóa ổn định; nói cách khác, thành phần này không hợp nhất, cũng không tách biệt hoàn toàn với thành phần kia. Như vậy, có thể xác định một cách độc lập pha vô cơ và chất nền polyme. Tuy nhiên, chúng có thể tương tác thông qua các nhóm photphat, hydroxyl, ion canxi của HA và các nhóm chức của polyme. Thông thường, phổ FT- IR được sử dụng để xác định các nhóm chức có trong các thành phần của composit và sự tương tác giữa các thành phần đó. Sự xuất hiện dải mới hay thay đổi về cường
a e c b f d
độ và bước sóng các dải sẽ là dấu hiệu tương tác hóa học giữa các pha [129, 135, 146, 183, 186].
Trong phổ FT-IR của composit HA/chitosan, không quan sát thấy dải ở 1047 và 493 cm-1 của nhóm P-OH trong chitosan ở composit, có thể là do sự tạo thành muối polyphotphonat. Cường độ dải ở 991, 1088 cm-1 của P-OH của chitosan giảm sau khi tạo thành composit, chứng minh các nhóm P-OH của chitosan đã tham gia liên kết với HA. Xu hướng tương tự (cường độ giảm) trong trường hợp nhóm OH- của HA (631, 3571 cm-1) là dấu hiệu của sự liên kết giữa HA và polyme. Hầu hết các dải hoặc trong polyme hoặc trong HA đã cho thấy sự thay đổi rõ ràng sau khi tạo thành composit. Như vậy, việc so sánh các phổ FT-IR đã chỉ ra rằng có một liên kết hóa học tại bề mặt tương tác giữa hạt nano HA và polyme [144]. Chae và cộng sự [184] đã mô phỏng quá trình khoáng hóa sợi collagen trong mô xương bằng cách chế tạo composit HA/alginat khi kết tủa trực tiếp HA trên các sợi alginat. Sự tách đôi dải của PO43- tại 564 và 602 cm-1 và các dải đối xứng và bất đối xứng của dao động nhóm -COO chuyển về bước sóng thấp hơn chứng tỏ sự hình thành phức dạng “hộp trứng” với ion canxi có vai trò là vị trí tạo mầm cho sự hình thành tinh thể HA.