ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIÊT NAM VIỆN HOÁ HỌC PHẠM THỊ NGỌC BÍCH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CANXI HYDROXY APATIT TRÊN NỀN ALGINAT TÁCH TỪ RONG BIỂN NHA TRANG (VIỆT NAM) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC PHẠM THỊ NGỌC BÍCH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CANXI HYDROXY APATIT TRÊN NỀN ALGINAT TÁCH TỪ RONG BIỂN NHA TRANG (VIỆT NAM) Chuyên ngành : Hóa Vô cơ Mã số : 60 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐÀO QUỐC HƯƠNG LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn chân thành, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Đào Quốc Hương và ThS. Nguyễn Thị Lan Hương đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong thời gian thực hiện đề tài luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các cô, các chú và các chị công tác tại Phòng Hóa Vô cơ – Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, các anh chị em, bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên Phạm Thị Ngọc Bích MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 4 1.1. HYDROXYAPATIT (HA) 4 1.1.1. Tính chất của HA 4 1.1.1.1. Tính chất vật lý 4 1.1.1.2. Tính chất hóa học 5 1.1.1.3. Tính chất sinh học 6 1.1.2. Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA 7 1.1.3. Các phương pháp tổng hợp HA 9 1.1.3.1. Phương pháp kết tủa 9 1.1.3.2. Phương pháp siêu âm hóa học 11 1.1.3.3. Các phương pháp khác 12 1.2. GIỚI THIỆU VỀ POLYSACCARIT VÀ ALGINAT 12 1.2.1. Polysaccarit 12 1.2.2. Alginat 13 1.2.2.1. Nguồn gốc 13 1.2.2.2. Đặc điểm cấu trúc của alginat 14 1.2.3.3. Tính chất của alginat 14 1.2.2.4. Ứng dụng của alginat 17 1.3. VẬT LIỆU COMPOZIT 18 1.3.1. Vật liệu compozit của HA và polyme 18 1.3.1.1. Tình hình nghiên cứu 18 1.3.1.2. Tính chất và ứng dụng 20 1.3.1.3. Phương pháp điều chế. 21 1.3.2. Vật liệu compozit của HA và alginat 23 1.4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOZIT 25 1.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X 25 1.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 27 1.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử 28 1.4.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 28 1.4.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 29 1.4.4. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA) 29 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 31 2.1. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất 31 2.1.1. Dụng cụ: 31 2.1.2. Thiết bị: 31 2.1.3. Hóa chất: 31 2.2. Nghiên cứu quy trình tổng hợp compozit HA/Alg 32 2.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của sản phẩm 33 2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginat 33 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 34 2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit 34 2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của dung môi 34 2.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian già hóa 35 2.3.6. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn 35 2.3.7. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm 35 2.3.8. Khảo sát sơ bộ ảnh hưởng của sóng siêu âm 36 2.4. Chuẩn bị mẫu phân tích 36 2.4.1. Nhiễu xạ tia X (XRD) 36 2.4.2. Phổ hồng ngoại (FTIR) 36 2.4.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) 37 2.4.4. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 37 2.4.5. Phân tích nhiệt (DTA - TGA) 37 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1. Quy trình tổng hợp compozit HA/Alg 38 3.2. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng sản phẩm 39 3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng alginat 39 3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 46 3.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit 49 3.2.4. Ảnh hưởng của dung môi 52 3.2.5. Ảnh hưởng của thời gian già hóa 55 3.2.6. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn 57 3.2.7. Ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm 59 3.2.8. Khảo sát ảnh hưởng của sóng siêu âm 61 KẾT LUẬN 65 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ĐÃ CÔNG BỐ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT HA Canxi hydroxyapatit HA/Alg Compozit của HA và alginat XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X FTIR Phương pháp phổ hồng ngoại SEM Phương pháp hiển vi điện tử quyét TEM Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua DTA-TGA Phương pháp phân tích nhiệt vi sai – nhiệt trọng lượng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng alginat đến kích thước của HA trong compozit Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của HA trong compozit HA/Alg………………………………………… Bảng 3.3: Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H 3 PO 4 đến kích thước trung bình và độ tinh thể compozit HA/Alg………………………………………………. Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thời gian già hóa đến kích thước hạt trung bình và độ tinh thể compozit HA/Alg………………………………………………. Bảng 3.5: Ảnh hưởng của tốc khuấy đến kích thước trung bình và độ tinh thể compozit HA/Alg……………………………………………………… Bảng 3.6: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của compozit HA/Alg………………………………… 40 47 50 56 58 62 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Ảnh SEM các dạng tồn tại của tinh thể HA………………………… Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA……………………………… Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA………………………………… Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể…. Hình 1.5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau……… Hình 1.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA dạng khối xốp hoặc dạng hạt……………………………………………………………………. Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa……………………… Hình 1.8: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm…………… Hình1.9: Đặc trưng cấu trúc của alginat…………………………………… Hình1.10: Các mô hình liên kết giữa ion Ca 2+ và alginat a) Mô hình hạt gel canxi alginat; b) Liên kết của block G với ion canxi……… Hình 1.11: Sơ đồ tổng hợp compozit HA – CS…………………………… Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp nhiễu xạ tia X………………… Hình 1.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X để tính kích thước và độ tinh thể của HA Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp SEM…………………………… Hình 1.15: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử……………… Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg Hình 3.1: Giản đồ XRD của HA và các compozit với hàm lượng alginat khác nhau Hình 3.2: Ảnh SEM của (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10 và (f) alginat Hình 3.3: Ảnh TEM của (a) mẫu HA đơn pha và (b) mẫu HA-50…………… Hình 3.4: Phổ FTIR của (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA-10 và (f) alginat Hình 3.5: Giản đồ DTA-TGA của mẫu compozit HA-50………………………. 4 5 6 7 8 9 10 11 14 16 23 26 27 28 29 32 33 39 41 42 43 44 Hình 3.6: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau Hình 3.7: Ảnh SEM của mẫu compozit HA/Alg ở các nhiệt độ (a) 30 o C và (b) 50 o C Hình 3.8: Phổ FTIR của các mẫu compozit HA/Alg ở nhiệt độ phản ứng khác nhau Hình 3.9: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg ở các tốc độ cấp axit khác nhau…………………………………………………………………………… Hình 3.10: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ cấp axit Hình 3.11: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi…… Hình 3.12: Ảnh SEM của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi khác nhau…………………………………………………………………………… Hình 3.13: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các dung môi Hình 3.14: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg với thời gian già hóa khác nhau Hình 3.15: Phổ FTIR của compozit HA/Alg với thời gian già hóa khác nhau… Hình 3.16: Giản đồ XRD của HA trong compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ khuấy khác nhau…………………………………………………………. Hình 3.17: Phổ FTIR của compozit HA/Alg tổng hợp ở các tốc độ khuấy khác nhau……………………………………………………………………… Hình 3.18: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg tổng hợp ở hai điều kiện làm khô………………………………………………………………………… Hình 3.19: Ảnh SEM của (a) HA-10, (b) HA-50, (a’) HA-Đ10 và (b’) HA-Đ50. Hình 3.20: Giản đồ XRD của compozit HA/Alg được tổng hợp trong điều kiện không có sóng siêu âm (P 1 ) và có sóng siêu âm (P 2 )………………………. Hình 3.21: Ảnh SEM của compozit HA/Alg được tổng hợp trong điều kiện không có sóng siêu âm (P 1 ) và có sóng siêu âm (P 2 )……………………………. Hình 3.22: Phổ FTIR của compozit HA/Alg được tổng hợp trong điều kiện không có sóng siêu âm (P 1 ) và có sóng siêu âm (P 2 )……………………………. 45 47 48 49 51 52 53 54 55 56 57 59 60 60 62 63 63 1 MỞ ĐẦU Canxi hydroxyapatit (hay còn gọi là hydroxyapatit - HA), công thức Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) hoặc Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 , là muối kép của tri - canxi photphat và canxi hydroxit. Còn apatit tồn tại trong tự nhiên ở dạng flo-apatit Ca 10 (PO 4 ) 6 F 2 . Trong cơ thể người và động vật, HA là thành phần chính trong xương (chiếm 65 - 70% khối lượng) và răng (chiếm 99%) [10, 16]. HA có các đặc tính quý giá như: Có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao với các tế bào và các mô, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải,… [12]. Nó là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể người với tỷ lệ Ca/P đúng như tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng [28]. Việc nghiên cứu và sử dụng vật liệu sinh học HA với mục đích thay thế và sửa chữa những khuyết tật của xương do bệnh lý và do tai nạn đang ngày càng phát triển. Các chế phẩm HA ở những kích thước khác nhau có các ứng dụng khác nhau. Ở dạng màng, một lớp HA mỏng, siêu mịn có thể tạo nên lớp men răng, các chi tiết nối xương và lớp phủ bề mặt cho xương nhân tạo. HA dạng khối xốp có thể dùng điền đầy các hốc răng bị sâu và các vết rạn nứt ở xương tự nhiên, làm xương nhân tạo mà không bị cơ thể đào thải. Ở dạng bột, HA kích thước nano (20 - 100 nm) dùng làm thuốc và thực phẩm bổ sung canxi, tăng cường khả năng hấp thụ canxi của cơ thể, ngăn ngừa và điều trị bệnh loãng xương. HA ở dạng bột còn được sử dụng để thay thế xương hoặc làm chất phủ lên bề mặt kim loại để tăng khả năng tương thích của vật liệu cấy ghép [21, 52]. Để nâng cao đặc tính của HA trong các ứng dụng dược học và y sinh học, một xu hướng mới là tạo ra vật liệu compozit bằng cách phân tán HA vào các polyme sinh học. Trong các vật liệu này, nhóm chức photphat và hydroxyl của HA tạo liên kết với các nhóm chức của polyme. Mặt khác, các nhóm chức của polyme có khả năng tạo liên kết tốt với các tế bào sinh học, do vậy nâng cao tính tương thích sinh học của vật liệu và khả năng hấp thụ của cơ thể. Các polyme đang được tập trung nghiên cứu theo hướng này là các polyme tự nhiên như collagen, chitosan, alginat, hay các polyme tổng hợp như poly (lactide-co-galactide) làm các chất [...]... học trên cơ sở HA và polyme tự nhiên đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ mô, phẫu thuật chỉnh hình, truyền dẫn thuốc, nhả chậm thuốc… Để góp phần tạo ra một loại vật liệu có nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng trong y sinh học và dược học, chúng tôi lựa chọn đề tài: Nghiên cứu tổng hợp canxi hydroxy apatit trên nền alginat tách từ rong biển Nha Trang (Việt Nam) Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu tổng. .. Nghiên cứu tổng hợp bằng phương pháp kết tủa trực tiếp và khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến vật liệu compozit giữa HA và alginat tách từ rong biển Nha Trang (Việt Nam) Những nội dung nghiên cứu: · Nghiên cứu tổng hợp vật liệu compozit HA/Alg bằng phương pháp kết tủa; · Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình tổng hợp đến độ đơn pha, độ tinh thể, kích thước hạt và trạng thái tập hợp của vật... tiên ở trong nước đã nghiên cứu tổng hợp và khảo sát các đặc trưng của vật liệu compozit giữa HA và alginat tách từ rong nâu Nha Trang (Việt Nam) Bố cục của luận văn · Mở đầu · Nội dung chính với 3 chương - Chương I: Tổng quan - Chương II: Thực nghiệm - Chương III: Kết quả và thảo luận · Kết luận · Danh mục các tài liệu tham khảo 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 HYDROXYAPATIT 1.1.1 Tính chất của hydroxyapatit... 2009, đã nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit collagen/hydroxyapatit bằng phương pháp đồng kết tủa cho mục đích ứng dụng trong y sinh học [8]; 19 Năm 2012, đã tổng hợp được vật liệu compozit hydroxyapatit trên nền tinh bột từ canxinitrat Trong đó, compozit được chế tạo theo hai phương pháp là: điều chế HA trực tiếp trong môi trường có tinh bột và phương pháp trộn cơ học HA với tinh bột [9]; Từ năm 2013... màu, độ rực rỡ và độ đồng nhất Nhu cầu alginat dùng trong in vải sợi chiếm khoảng 50% tổng lượng alginat sản xuất trên toàn thế giới [31, 17] Alginat cũng dùng để tráng bề mặt giấy để đạt sự đồng nhất và làm tác nhân gắn kết trong việc sản xuất que hàn [34] - Trong y - dược Alginat đã được sử dụng trong hàng thập kỷ làm chất trợ giúp trong các ứng dụng khác nhau trong y tế Một số ví dụ bao gồm việc sử... được nghiên cứu đầy đủ Mặt khác, khả năng hình thành vật liệu compozit giữa HA với một số polyme tự nhiên như: polymantozơ từ tinh bột ngũ cốc, polysaccarit chiết tách từ rong biển vẫn còn ít được đề cập đến Dưới đây là một số quá trình tổng hợp compozit giữa HA và polyme: - Tóm tắt quá trình tổng hợp compozit của HA với chitosan (CS) theo phương pháp kết tủa trực tiếp [15]: 22 Hình 1.11: Sơ đồ tổng hợp. .. khô Thêm HA vào trong thành phần làm tăng độ nén và gắn tế bào xương với alginat tinh khiết [46] Chế tạo gel compozit HA/collagen /alginat từ hỗn hợp bột HA, collagen và dung dịch 24 alginat Xương hình thành từ hỗn hợp gel này thử nghiệm trong xương đùi chuột [45] Người ta cũng nghiên cứu quá trình hình thành compozit HA/Alg dạng sợi (đường kính khoảng 10 µm) thông qua dung dịch natri alginat pha trộn... isulin trong ruột [52] 1.1.3 Các phương pháp tổng hợp HA Trên thế giới, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu HA ở các dạng đã được triển khai từ lâu và đạt được những thành tựu đáng kể Ứng dụng loại vật liệu tiên tiến này đã tạo ra các bước tiến mới trong lĩnh vực xét nghiệm, điều trị y học cũng như trong dược phẩm và vật liệu y sinh học Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở các dạng khác nhau có thể được tổng. .. 1.3.2 Vật liệu compozit của HA và alginat (HA/Alg) Các loại compozit từ các polyme phân hủy sinh học kết hợp với HA được quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều để chể tạo xương thay thế với tính chất sinh 23 học và cơ học tốt hơn Vật liệu sinh học tự nhiên gồm collagen, gelatin, chitosan, alginat, tơ sợi… đã được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong y sinh học Trong số đó, alginat được chú ý do là polyme... Đây là một trong những cách thức được áp dụng nhiều nhất vì nó tránh được sự kết hợp HA thành các hạt lớn Trong phương pháp trực tiếp HA, người ta sử dụng từ các loại hợp chất khác nhau, bao gồm Ca(NO3)2, Na3PO4, (CH3COO)2Ca, H3PO4, Na2HPO4, CaCl2, Ca(OH)2… Như vậy, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa HA nói trên đang được tiến hành theo hai hướng chính Hướng thứ nhất là tổng hợp HA ở dạng . trong y sinh học và dược học, chúng tôi lựa chọn đề tài: Nghiên cứu tổng hợp canxi hydroxy apatit trên nền alginat tách từ rong biển Nha Trang (Việt Nam) . Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu. VIỆN HOÁ HỌC PHẠM THỊ NGỌC BÍCH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CANXI HYDROXY APATIT TRÊN NỀN ALGINAT TÁCH TỪ RONG BIỂN NHA TRANG (VIỆT NAM) Chuyên ngành : Hóa Vô cơ Mã số : 60 44. HOÁ HỌC PHẠM THỊ NGỌC BÍCH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CANXI HYDROXY APATIT TRÊN NỀN ALGINAT TÁCH TỪ RONG BIỂN NHA TRANG (VIỆT NAM) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC