Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột hyđroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2 kích thước nano điều chế từ canxi hyđroxit Ca(OH)2

ĐẶT VẤN ĐỀ Apatit là họ khoáng photphat của canxi có công thức chung là Ca10(PO4)6M2, gồm bốn dạng thường được nhắc đến là hyđroxyapatit, floro apatit, cloro apatit và bromo apatit với M = OH, F, Cl, Br tương ứng. Trong bốn dạng này, hyđroxyapatit (viết tắt là HA) đang được tập trung nghiên cứu do 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 [22], [23]… HA có cấu trúc tinh thể thuộc dạng lục phương hoặc dạng đơn tà. Do có cùng bản chất hoá học và cấu trúc, HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con người và có tỷ lệ Ca/P đúng như tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng. Các nghiên cứu tập trung vào tổng hợp HA ở các dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính của chúng để mở rộng khả năng ứng dụng. Ở dạng bột, các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế HA kích thước nano (trong khoảng 20 – 100nm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ của cơ thể. HA bột dạng vi tinh thể cùng với một số khoáng chất bổ sung khác đã được dùng trong bào chế thuốc chống loãng xương và thực phẩm chức năng bổ sung canxi, xử lý các khuyết tật trong xương do chấn thương… Ở dạng màng, một lớp màng HA mỏng phủ trên gốm nhân tạo có thể tăng cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên. HA dạng khối xốp được ứng dụng để sửa chữa các khuyết tật của xương và răng. Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy, HA dạng khối xốp bền trong các dịch sinh lý của cơ thể và có tác dụng nhả chậm các dược chất đi kèm với nó [25], [26]. Ở nước ta, các vật liệu vô cơ có khả năng ứng dụng trong y sinh học nói chung và dược phẩm nói riêng đã được quan tâm từ lâu. Tuy nhiên, việc ứng dụng các vật liệu vô cơ trong y sinh học và dược học còn nhiều hạn chế. Từ năm 2005, nhóm nghiên cứu thuộc Phòng Hoá Vô cơ, Viện Hoá học (Viện KH&CN Việt Nam) đã thực hiện các nghiên cứu về tổng hợp vật liệu HA dạng bột [5] và dạng xốp [27] hướng đến ứng dụng trong dược học và y sinh học. Để góp phần hoàn thiện quy trình chế tạo HA kích thước nano ứng dụng trong y sinh học và dược học, tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột hyđroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2 kích thước nano điều chế từ canxi hyđroxit Ca(OH)2”. Các đặc trưng quan trọng của bột HA như độ đơn pha, độ tinh thể, hình dạng, kích thước hạt… có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả sử dụng. Do vậy, trên cơ sở tổng hợp bột HA kích thước nano, luận văn tập trung vào khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm (độ đơn pha, độ tinh thể, kích thước hạt…) theo những nội dung sau: - Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ. - Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit. - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng ban đầu. - Khảo sát ảnh hưởng của các loại dung môi trong hỗn hợp phản ứng (nước, etanol, hỗn hợp etanol + nước). - Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn. - Nghiên cứu sơ bộ ảnh hưởng của hiệu ứng siêu âm. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thu được, lựa chọn các thông số công nghệ cho quy trình sản xuất HA. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Tính chất của hyđroxyapatit 1.1.1. Tính chất vật lý Hydroxyapatit (HA), Ca10(PO4)6(OH)2, có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp. HA có nhiệt độ nóng chảy 17600C và nhiệt độ sôi 28500C, độ tan trong nước 0,7g/l, khối lượng mol phân tử 1004,60g, khối lượng riêng là 3,156g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5. Các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo thường tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy,… [29]. Sử dụng phương pháp hiển vi điện tử SEM hoặc TEM có thể nhận biết được các dạng tồn tại của tinh thể HA (Hình 1.1). Hình 1.1: Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HA (a) - Dạng hình que (b) - Dạng hình trụ (c) - Dạng hình cầu (d) - Dạng hình sợi (e) - Dạng hình vảy (f) - Dạng hình kim HA tồn tại ở hai dạng cấu trúc là dạng lục phương (hexagonal) và dạng đơn tà (monoclinic). HA dạng lục phương thường được tạo thành trong quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 đến 1000C, còn dạng đơn tà chủ yếu được sinh ra khi nung dạng lục phương ở 8500C trong không khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hai dạng này giống nhau hoàn toàn về số lượng và vị trí của các vạch nhiễu xạ. Chúng chỉ khác nhau về cường độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cường độ yếu hơn các pic của dạng lục phương khoảng 1% [14]. Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- được sắp xếp như hình 1.2a. Ô mạng này có dạng hình lục phương , thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a = 0,9417nm, b = 0,9417nm và c = 0,6875nm, α = β = 900 và γ = 1200 [30]. Đây là cấu trúc thường gặp của HA tổng hợp, trong thành phần của xương và ngà răng [31]. Ở men răng, các tinh thể HA sắp xếp rất đặc khít với nhau bởi các ô mạng cơ sở thuộc hệ đơn tà, nhóm không gian P21/b (hình 1.2b). Các hằng số mạng lần lượt có giá trị: a = 0,9421nm, b = 1,8843nm và c = 0,6881nm, α = β = 900 và γ = 1200 [32]. Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện trên hình 1.3, có thể nhận thấy phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca – O là liên kết cộng hoá trị. Hai nhóm OH được gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch [35]:
Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA 1.1.2. Tính chất hoá học HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl
3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1.1) HA tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 8000C đến 12000C tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng: Ca10(PO4)6(OH)2
Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0
x
1) (1.2) Ở nhiệt độ lớn hơn 12000C, HA bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β – TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO: Ca10(PO4)6(OH)2
2β – Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O (1.3) Ca10(PO4)6(OH)2
3β – Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (1.4) 1.1.3. Tính chất sinh học [35] Như đã trình bày ở trên, do có cùng bản chất và thành phần hoá học, HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng. Ở dạng màng và dạng xốp, HA có thành phần hoá học và các đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập. Chính vì vậy mà vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao. Hợp chất HA tương đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA được cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản. Vì những đặc tính này, bột HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao. Để chế tạo vật liệu HA có tính tương thích sinh học cao, cần nghiên cứu và chọn lựa các thông số công nghệ phù hợp với mỗi mục đích ứng dụng trong y sinh học và dược học. 1.2. Vai trò và ứng dụng của HA Xương là phần quan trọng của cơ thể người, có ý nghĩa to lớn về mặt sinh học và cấu trúc. Về mặt sinh học, xương là nơi tập trung canxi nhiều nhất và là nơi sản xuất các tế bào máu. Còn về mặt cấu trúc, xương là khung đỡ cho các bộ phận khác, hình thành nên kiến trúc và hình dáng cơ thể. Chất khoáng trong xương gồm chủ yếu là HA dạng khối xốp và một số chất chứa Na+, K+, Mg2+, Cl-, F-, CO32- [38],[39]. Khi mới sinh ra, xương có tỷ lệ collagen nhiều và tỷ lệ khoáng ít. Càng lớn lên, tỷ lệ khoáng càng tăng lên, xương càng trở nên giòn, dễ gãy. Trong xương người trẻ tuổi thì các pha vô định hình chiếm ưu thế và chỉ có một phần chuyển hoá thành pha tinh thể, còn ở người trưởng thành thì đến 70% khối lượng của xương là HA. HA có vi cấu trúc là các sợi tinh thể dài khoảng 10
15nm kết thành bó xốp với độ xốp từ 40
60% gồm các mao quản thông nhau tạo ra phần khung của xương [7]. Do có hoạt tính sinh học, có khả năng tương thích với các cấu trúc xương và có tính dẫn xương tốt nên HA có thể được dùng để nối ghép, thay thế xương trong cơ thể người. Các phẫu thuật ghép xương, chỉnh hình đã đạt được nhiều thành tựu nhờ ứng dụng vật liệu y sinh HA. Một vấn đề lớn khác đối với y học thế giới đó là căn bệnh loãng xương. Mặc dù không gây tử vong nhưng bệnh loãng xương ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng cuộc sống của số đông người cao tuổi, đặc biệt là phụ nữ. Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), có đến 1/3 phụ nữ và 1/5 nam giới trên 50 tuổi bị bệnh loãng xương. Dự báo tới năm 2050, toàn thế giới sẽ có tới 6,3 triệu trường hợp gãy cổ xương đùi do loãng xương và 51% số này sẽ ở các nước châu Á, nơi mà khẩu phần ăn hàng ngày còn rất thiếu canxi và việc chẩn đoán sớm và điều trị tích cực bệnh loãng xương còn gặp rất nhiều khó khăn. Ở Mỹ, ngành y tế đã phải tiêu tốn hàng năm khoảng 14 tỉ USD để điều trị cho 1,5 triệu trường hợp gẫy xương do bệnh loãng xương gây ra [4]. Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của HA tuỳ theo dạng tồn tại của nó. 1.2.1. Ứng dụng của HA bột Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi. Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hoà tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hoá canxi thành HA. Có thể bổ sung canxi cho cơ thể người bằng cách dùng thức ăn, thuốc tiêm hoặc truyền huyết thanh… Một phương pháp hữu hiệu là sử dụng HA ở dạng bột mịn, kích thước nano để bổ sung canxi [40]. Với kích thước cỡ 20 – 100nm, HA được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải chuyển hoá thêm. Canxi ở dạng ion có vai trò rất quan trọng trong nhiều hoạt động của cơ thể người như tham gia vào quá trình co cơ, dẫn truyền thần kinh, giải phóng các hooc môn và đông máu. Ngoài ra nó còn tham gia vào quá trình điều hoà nhiều enzym khác nhau trong cơ thể [9]. Đối với bột HA có kích thước hạt khoảng 150nm trở lên, quá trình thiêu kết để tạo gốm HA rất khó khăn. Quá trình kết khối diễn ra ở nhiệt độ khá cao (1000 – 12000C) trong thời gian dài (2 – 3 giờ), làm cho gốm HA bị phân huỷ thành các hợp chất không mong muốn, có hại cho cơ thể. Với kích thước nano (từ 20 – 100nm), nhiệt độ kết khối của HA bột giảm xuống chỉ còn khoảng 800 – 10000C trong thời gian từ ½ giờ đến 1 giờ. Điều này làm cho việc chế tạo gốm y sinh học từ HA có chất lượng cao, thuận lợi và dễ dàng hơn. Hình 1.4 là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể đang được lưu hành trên thị trường [40]. Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể 1.2.2. Ứng dụng của HA dạng màng Thông thường, người ta sử dụng các vật liệu bền cơ – hoá và nhẹ để thay thế, sửa chữa những khuyết tật của xương và răng. Phổ biến nhất là hợp kim Ti6Al4V, đây là vật liệu trơ sinh học và có độ bền cơ – hoá cao nhưng trong thực tế nó vẫn bị ăn mòn khi nằm trong cơ thể người, tạo ra các chất độc hại và làm cho liên kết giữa xương và chi tiết ghép bị lỏng lẻo [42]. Lớp màng gốm HA có chiều dày cỡ µm được phủ lên bề mặt vật liệu thay thế bằng các phương pháp plasma, bốc bay, điện phân… đã hạn chế những nhược điểm nêu trên. Nhưng độ bám dính của lớp màng trên vật liệu nền không bền chặt, do vậy tuổi thọ và phạm vi ứng dụng của chúng không cao [43] Để cải thiện độ bám dính, người ta đã phủ lên các kim loại và hợp kim nền một lớp màng gốm HA có chiều dày cỡ nanomet (màng n – HA) bằng phương pháp điện hoá nói chung và phương pháp điện di (Electrophoretic Deposition, EPD). Lớp màng n – HA có độ bám dính cao với vật liệu nền (> 60MPa) và rất bền theo thời gian. Công nghệ màng n – HA đã tạo ra những chi tiết xương nhân tạo có khả năng tự liên kết với xương và mô tự nhiên, có tính tương thích sinh học cao với cơ thể con người. Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng n – HA, người ta không chỉ làm tăng tuổi thọ các chi tiết ghép mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng của màng n – HA từ chỗ chỉ áp dụng cho ghép xương hông đã tiến đến có thể ứng dụng ghép xương đùi, xương khớp gối và các sửa chữa, thay thế xương ở vị trí khác. 1.2.3. Ứng dụng của HA dạng xốp Như đã trình bày ở trên, vật liệu gốm xốp HA có tính tương thích sinh học cao, có nhiều lỗ liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu, có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng. Nhờ có khả năng đặc biệt này mà ngày nay, HA dạng gốm xốp được ứng dụng đặc biệt rộng rãi trong y sinh học như: - Chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng: các nhà khoa hoc Nhật Bản đã thành công trong viêc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thước nano và polymer sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy, nghĩa là tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng cứng chắc, “bắt chước” theo đúng tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên ở dưới [45].
Giai đoạn a: Lớp men HA cũ, cần thay thế trên bề mặt răng bị phân huỷ bởi dung dịch H2O2 + H3PO4. Hợp chất H2O2 còn có tác dụng loại bỏ các chất bẩn tồn tại trên răng. Giai đoạn b: Các ion Ca2+, PO43-, OH- trong các polime sinh học dạng bột nhão tạo thành vi tinh thể HA kích thước nano. Hỗn hợp này được phủ lên bề mặt răng cũ để tạo thành lớp men răng mới. - Chế tạo mắt giả [46]:
Hình 1.6: HA xốp tổng hợp từ san hô được sử dụng làm mắt giả HA xốp tổng hợp từ san hô có cấu trúc xốp bền vững, nhẹ và đặc biệt là có khả năng thích ứng cao với cơ thể. Việc sử dụng loại vật liệu này đã khắc phục được hiện tượng sụp mi do trọng lượng, hạn chế các phản ứng của cơ thể và làm tăng thời gian sử dụng của mắt giả [49]. - Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa những khuyết tật của xương [50]:
Hình 1.7: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau Tuỳ thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra các sản phẩm gốm HA (Hình 1.7) có kích thước và độ xốp khác nhau [51]. Sau đó, gia công các sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HA ở dạng hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xương [35].
Hình 1.8: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA dạng khối xốp hoặc dạng hạt Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HA như: - Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [52]. - Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [54]. - Gần đây, người ta phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân tán insulin trong ruột [55]. Tuy nhiên, gốm HA còn có một nhược điểm là độ bền nén, độ bền uốn thấp. Tồn tại này cản trở viêc áp dụng gốm HA vào các chi tiết đòi hỏi chịu lực lớn. 1.2.4. Ứng dụng của HA dạng composit Bản chất của gốm xốp và màng HA là có độ bền cơ học thấp. Một giải pháp để tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm composit bằng cách phân tán HA bột vào các polyme sinh học như collagen, chitosan, xenlulo, đường sacaro… [51]. Vật liệu ở dạng này được sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc có thể làm chất truyền dẫn thuốc. Việc sử dụng các polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn. Mặt khác, các polyme này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình. Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composit chứa HA [58]. 1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu HA 1.3.1 Trên thế giới Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo HA như: dạng bột được điều chế bằng phương pháp sol – gel [59], kết tủa [60], phun sấy [61], siêu âm [20]…; dạng màng - bằng phương pháp vật lý [62] hoặc điện hoá [63]…; dạng khối rắn, khối xốp, vật liệu tổ hợp (composit) - bằng phương pháp nén ép – thiêu kết HA bột [6], phản ứng pha rắn, phản ứng thuỷ nhiệt…[58]. Hiện nay, trên thế giới đã sản xuất được nhiều chế phẩm từ nguyên liệu HA. Năm 1983, Klein và các đồng nghiệp lần đầu tiên tạo ra chi tiết ghép xương bằng gốm chứa 100% HA [67]. Thực tế cho thấy, sự phát triển của xương trong miếng ghép này có tốc độ phát triển chậm. Điều này tạo cho chất lượng của xương ở nơi cấy ghép rất tốt, nhưng thời gian điều trị kéo dài. Bằng những thí nghiệm khác, họ đã cấy ghép các chi tiết gốm chứa 100% β - TCP. Kết quả cho thấy, tốc độ phát triển của xương non trong miếng ghép rất nhanh, do vậy làm cho chất lượng của xương ở nơi cấy ghép không tốt cho quá trình phát triển của xương. Năm 1986, Moore và Chapman đã chế tạo được miếng ghép tổ hợp giữa hai pha HA và β -TCP. Trong thực tế, gốm HA tốt bao gồm khoảng 93 – 94% HA và 6 – 7% TCP. TCP có hai dạng thù hình là α và β -TCP, thành phần α - TCP có tác dụng làm tăng tốc độ tái sinh xương, nó như là nguồn khoáng cung cấp trực tiếp cho chỗ phát triển xương mới. Điều này có nghĩa rằng phần β -TCP sẽ tiêu biến dần như là nguồn cung cấp khoáng cho xương non phát triển vào chỗ khuyết xương. Do đó gốm tổ hợp HA - β - TCP là vật liệu y sinh chính cho các phẫu thuật ghép xương, nối xương, chỉnh hình hoặc sửa chữa xương. Để chữa trị căn bệnh loãng xương, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (FDA) đã cho phép sử dụng HA trong sản xuất thuốc và thực phẩm chức năng. Nhiều loại thuốc và thực phẩm bổ sung canxi có sử dụng HA đã được lưu hành trên thị trường. Trong số đó có thể kể đến Ossopan của Pháp, Bone Booster Complex, Bone Dense Calcium của Mỹ, Calcium Complex của Anh, SuperCal của New Zealand [69]. Như trong phần ứng dụng đã đề cập, HA dạng màng đã được các nhà khoa học Nhật Bản chế tạo thành vật liệu chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng. 1.3.2 Nghiên cứu và ứng dụng HA ở Việt Nam Trong nước, các hợp chất vô cơ có khả năng ứng dụng làm vật liệu sinh học nói chung và HA nói riêng còn nhiều hạn chế. Năm 2005, lần đầu tiên Viện Công nghệ Xạ hiếm đã triển khai đề tài chế thử gốm HA theo công nghệ của Italia và đã bước đầu thử nghiệm thành công trên động vật [3]. Công nghệ này dựa trên phương pháp nhúng tẩm khung xốp hữu cơ xenlulô vào dung dịch huyền phù HA, sau đó nung thiêu kết ở nhiệt độ cao. Khoa Hoá học, Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu và công bố kết quả sơ bộ về phương pháp tổng hợp bột và màng gốm HA [6]. Từ năm 2005 đến nay, Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã công bố một số kết quả nghiên cứu chế tạo HA bột [5] và HA xốp [27]. Trong đó HA xốp được chế tạo bằng phương pháp nén ép - thiêu kết HA bột với các chất tạo xốp chitosan, xenlulo, đường sacaro và phương pháp phản ứng pha rắn giữa Ca(OH)2 và Ca3(PO4)2. Việc chế tạo gốm HA từ khung xốp tự nhiên của san hô, mai mực, vỏ sò… bằng phản ứng thuỷ nhiệt ở áp suất cao cũng đã được thực hiện. Năm 2008, Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ đã nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu chế tạo gốm sinh học Calcium phosphate: Hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2(HA) và Tricalicium phosphate Ca3(PO4)2(TCP), ứng dụng thay thế một số bộ phận xương, khớp trong cơ thể con người”. 1.4. 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 đã đạt được những thành tựu đáng kể. Các nghiên cứu tập trung vào tổng hợp HA ở dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để nâng cao khả năng ứng dụng của chúng. Việc ứng dụng loại vật liệu tiên tiến này đã tạo ra những bước tiến mới trong các lĩnh vực: xét nghiệm, điều trị y học cũng như trong dược phẩm và vật liệu y sinh học. Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở các dạng khác nhau có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp từ các nguyên liệu khác nhau. Dựa vào điều kiện tiến hành phản ứng, có thể phân chia các phương pháp thành: phương pháp ướt và phương pháp khô; phương pháp vật lý và phương pháp hoá học hoặc chia theo dạng tồn tại (dạng bột, dạng màng, dạng khối xốp) của sản phẩm HA. Trong luận văn này chúng tôi trình bày các cách chế tạo HA theo phương pháp ướt và phương pháp khô. 1.4.1. Phương pháp ướt Đây là phương pháp chế tạo HA ở dạng bột hoặc dạng màng từ dung dịch chứa các nguyên liệu ban đầu khác nhau, bao gồm: phương pháp kết tủa, phương pháp sol – gel, phương pháp phun sấy… Nói chung, ưu điểm của phương pháp ướt là có thể điều chỉnh được kích thước của hạt HA theo mong muốn. Trong hệ CaO – P2O5 – H2O, tồn tại các hợp chất canxi photphat khác nhau tuỳ thuộc vào tỷ lệ của các chất ban đầu và điều kiện áp suất, nhiệt độ, độ pH… Áp dụng các quy tắc pha vào giản đồ pha CaO – P2O5 – H2O, năm 1996, T. S. B. Narasaraju và D. E. Phebe [30] đã tiến hành nghiên cứu sự tạo thành của các pha khác nhau có trong hệ là: anhydric mono canxi photphat – Ca(H2HO4)2, mono canxi photphat monohydrat – Ca(H2PO4)2.H2O. Trên hình 1.9, có thể nhận thấy các pha lỏng tồn tại ở vùng trống, các pha rắn nằm ở vùng elip còn lại. Anhydric mono canxi photphat – Ca(H2PO4)2 và các mono hydrat của nó tồn tại dưới dạng tinh thể trong vùng axit, tức là vùng có tỷ lệ P2O5 cao. Anhydric đicanxi photphat – CaHPO4 tồn tại ở vùng axit, còn đicanxi photphat đihyđrat – CaHPO4.2H2O luôn tồn tại trong môi trường phản ứng có pH khác nhau. Hình 1.9: Giản đồ pha của hệ CaO – P2O5 – H2O ở 250C Trong khoảng tỷ lệ Ca/P từ 1,5 đến 1,67 tương ứng với vùng chứa tricanxi photphat Ca3(PO4)2 đến vùng chứa tetracanxi photphat Ca3(PO4)2.CaO, xuất hiện các tinh thể Ca9(HPO4)(PO4)5OH (Calcium Deficient HA, CDHA). Ở vùng kiềm ứng với tỷ lệ Ca/P cao hơn (lớn hơn 1,67), chỉ tồn tại duy nhất một pha rắn HA, hợp chất hydroxyapatit tồn tại ở pha rắn này có thành phần hoá học theo đúng tỷ lệ hợp thức Ca10(PO4)6(OH)2 (Ca/P = 1,67, Stoichiometric Hydroxyapatite – SHA). 1.4.1.1. Phương pháp kết tủa Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa được thể hiện qua hình 1.10: Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa Việc tổng hợp HA bằng cách kết tủa từ các ion Ca2+ và PO43- có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau, có thể phân ra thành hai nhóm chính: a) Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca2+và
dễ tan trong nước: Các muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4… [24]. Phản ứng diễn ra theo phương trình (1.5) được coi là phương pháp cơ bản để tổng hợp HA [60]: 10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH ( Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O (1.5) Lượng Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 được chuẩn bị theo tỷ lệ Ca/P = 1,67, pha trong nước cất với nồng độ tương ứng 0,2M và 0,1M. Sau đó, nhỏ từ từ (tốc độ 2ml/phút) dung dịch (NH4)2HPO4 vào cốc đựng Ca(NO3)2 trên máy khuấy từ (tốc độ 300 – 400 vòng/phút). Bổ sung dung dịch NH4OH để đảm bảo phản ứng diễn ra trong môi trường pH = 10 – 12. Sau khi nhỏ hết lượng dung dịch (NH4)2HPO4 tiếp tục khuấy hỗn hợp trong khoảng 2 giờ tại nhiệt độ đã định. Kết thúc phản ứng, thu lấy kết tủa và làm sạch bằng cách lọc rửa nhiều lần với nước cất trên máy ly tâm hoặc thiết bị lọc hút chân không. Sản phẩm được sấy khô ở nhiệt độ 75 – 800C và bảo quản tránh tiếp xúc với không khí. b) Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan trong nước: Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3… với axit H3PO4 trong môi trường kiềm [28]. Ví dụ: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O (1.6) Trong quá trình điều chế, yếu tố pH cũng đóng vai trò quan trọng. Độ pH 9 – 10 được điều chỉnh bằng cách thêm từ từ H3PO4 vào Ca(OH)2. Các yếu tố như nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ, môi trường phản ứng… thường ảnh hưởng đến chất lượng và hình dạng của tinh thể HA. Để nhận được sản phẩm HA bột có kích thước mong muốn thì ngoài các yếu tố trên, cần quan tâm đến sự kết tinh của HA trong suốt quá trình tổng hợp. 1.4.1.2. Phương pháp sol – gel [10], [59], [15] Theo lý thuyết về phương pháp sol – gel, hệ phân tán là hệ bao gồm một môi trường liên tục và các tiểu phân (các hạt) có kích thước nhỏ được phân tán đồng đều trong môi trường đó. Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé đó được gọi là pha phân tán, môi trường chứa đựng pha phân tán gọi là môi trường phân tán. Khi môi trường phân tán là lỏng và pha phân tán là rắn, thì tuỳ kích thước hạt sẽ tạo ra hệ huyền phù hoặc hệ keo (sol). Gel là một trạng thái lỏng hoá rắn, được tạo thành từ các hệ sol hoặc các dung dịch cao phân tử. Gel có cấu trúc mạng không gian chứa đựng trong nó phần còn lại của chất lỏng sau khi hình thành mạng. Quá trình tạo gel được mô tả như sau: Hệ sol, dung dịch cao phân tử
gel, nghĩa là các hệ sol, dung dịch cao phân tử có thể chuyển thành gel hoặc ngược lại tuỳ thuộc điều kiện. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo gel là: kích thước, hình dạng của hạt keo và chất cao phân tử; nồng độ pha phân tán và chất cao phân tử; nồng độ chất điện ly, nhiệt độ, cường độ và thời gian khuấy… 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 lại gần nhau hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng nối chéo với nhau. Khi sự nối chéo này đủ lớn, độ nhớt của dung dịch tăng nhanh và toàn bộ khối dung dịch sẽ chuyển thành gel. Cũng có thể dùng cách khuấy mạnh dung dịch để tạo gel. Cường độ và thời gian khuấy đủ lớn sẽ làm tăng tần số va chạm giữa các hạt keo và tạo điều kiện cho chúng nối chéo với nhau. Trong thực tế, thường kết hợp cả hai cách trên để chuyển sol thành gel. Ưu điểm của phương pháp sol – gel là tạo được độ đồng nhất cao ở mức độ phân tử, từ đó có thể chế tạo vật liệu ở dạng khối, màng mỏng [70], sợi và dạng hạt có chất lượng tốt [15]. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol – gel được thể hiện qua hình sau: Có thể tổng hợp HA theo phương pháp sol – gel bằng cách: hoà tan các hợp chất Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4 với các chất tạo gel như (C2H5O)3P(O), CH3O(CH2)2(OH) (được chuẩn bị theo tỷ lệ nhất định) vào nước cất. Khuấy và gia nhiệt dung dịch này đến nhiệt độ 60 – 700C, sau khoảng 3 – 4 giờ, gel có chứa hợp chất HA sẽ được tạo thành. Sau đó, sấy gel ở nhiệt độ khoảng 1200C trong vòng 24 giờ và nung ở nhiệt độ 750 – 9000C khoảng 1 giờ. HA bột nhận được có kích thước trung bình khoảng 20nm, độ tinh thể khoảng 97% [59]. 1.4.1.3. Phương pháp phun sấy Hình 1.12 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy. Dung dịch chứa các ion Ca2+ và PO43- (tỷ lệ Ca/P = 1,67) được phun vào thiết bị cùng với khí nén.
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy Tốc độ phun dung dịch được điều chỉnh bằng áp suất khí nén và dòng khí khô sao cho phản ứng tạo HA xảy ra hoàn toàn, bột HA được sấy khô khi rơi đến đáy của cột thuỷ tinh gia nhiệt. Sản phẩm HA dạng bột được lấy ra định kỳ qua bộ phận lắng tĩnh điện. Đây là phương pháp chế tạo bột HA dạng liên tục, năng suất cao, phù hợp với quy mô sản xuất vừa và lớn [61]. 1.4.1.4 Phương pháp siêu âm hoá học Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thước “siêu mịn”, có thể tiến hành phản ứng hoá học trong môi trường sóng có cường độ lớn như vi sóng [34] hay sóng siêu âm [20]. Nguyên lý của phương pháp siêu âm dựa vào hiện tượng tạo và vỡ bọt (cavitation) xảy ra trong môi trường lỏng dưới tác dụng của sóng siêu âm với cường độ cao. Sóng siêu âm tạo ra một chu trình giãn nở, nó gây ra áp suất chân không trong môi trường lỏng. Hiện tượng tạo – vỡ bọt xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng. Khi bọt phát triển tới kích thước nào đó, không hấp thu năng lượng được nữa thì dưới áp lực từ chất lỏng bên ngoài, bọt sẽ vỡ vào trong (hình 1.13). Hiện tượng này sinh ra một lượng nhiệt tại ngay thời điểm đó gọi là sự toả nhiệt điểm (host – spot). Tuy nhiên, môi trường lỏng xung quanh có nhiệt độ thấp nên sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt. Điểm toả nhiệt có nhiệt độ và áp suất cao, thời gian sống của nó rất ngắn. Quá trình tạo và vỡ bọt đóng vai trò nhận và tập trung năng lượng của sóng siêu âm, chuyển năng lượng này thành năng lượng cần thiết làm tăng tốc độ phản ứng hoá học lên nhiều lần.
Hình 1.13: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm Năng lượng được tạo ra ở dạng xung với cường độ rất lớn cũng làm tăng tốc độ tạo mầm tinh thể. Quá trình tạo – vỡ bọt tiếp tục xảy ra gần bề mặt phân pha lỏng – rắn, lúc này chất lỏng tác động lên bề mặt chất rắn với tốc độ rất cao. Tuỳ thuộc vào tần số và công suất của thiết bị siêu âm, có thể làm cho các tinh thể bị vỡ thành những hạt nhỏ hơn. Hình 1.14 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học. Đầu phát siêu âm được ngâm vào trong dung dịch để truyền năng lượng cho phản ứng hoá học. Phương pháp này thường được kết hợp với phương pháp kết tủa để tạo HA bột có kích thước nanomet [15].
Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học 1.4.1.5. Phương pháp composit Phương pháp composit được sử dụng để chế tạo các vật liệu dạng khối xốp chứa HA. HA được sử dụng thường ở dạng hạt, chất nền là các phân tử polyme. Sự kết hợp của hạt HA với polyme đưa ra một phương thức đơn giản và hữu hiệu để gắn kết các đặc tính của hai loại vật liệu. Có thể sử dụng các polyme như axit polylactic, polystyren, polyethylen, collagen, chitosan, xenlulo… trong đó các polyme sinh học được đặc biệt quan tâm trong lĩnh vực y sinh vì chúng có tính tương thích và phân huỷ sinh học cao. Để chế tạo vật liệu composit chứa HA, cation Ca2+ được phân tán đều trong mạng lưới polyme sau đó các anion PO43- và OH- được đưa vào dưới dạng dung dịch để phản ứng tạo thành các nano tinh thể. Cũng có thể thực hiện phản ứng tạo ra các tinh thể nano HA trước, sau đó phân tán chúng vào mạng lưới polyme nhằm ngăn không cho các tinh thể HA kết khối lại với nhau. Việc sử dụng các polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn. Mặt khác các polyme này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình. Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composit chứa HA. Ví dụ, có thể tóm tắt quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp composit với chitosan (CS) theo sơ đồ sau [36]: Hình 1.15: Sơ đồ tổng hợp composit HA – CS Theo [36], khi tỷ lệ CS/HA tăng lên thì sự phân tán các hạt HA vào mạng CS sẽ tốt hơn, do đó kích thước của các hạt HA phân tán sẽ nhỏ hơn, đồng thời độ kết tinh của HA cũng tăng lên. 1.4.1.6. Phương pháp điện hoá Với những vật liệu truyền thống, ngành phẫu thuật chỉnh hình thường sử dụng các kim loại trơ sinh học như titan, thép không gỉ hay các hợp kim để thay thế hay nối ghép các bộ phận của xương. Mặc dù các kim loại này có độ bền cao nhưng không có khả năng tương thích sinh học, bị ăn mòn theo thời gian nên các mô tế bào không có khả năng phát triển trên các kim loại đó. Các bệnh nhân sẽ cảm thấy đau đớn và khó chịu khi có những vật lạ nằm trong cơ thể. Để tăng độ cứng, độ bền cơ – hoá và tính tương thích sinh học của chi tiết cấy ghép, người ta chế tạo lớp màng gốm HA có độ dày mong muốn và có khả năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại. Bằng các phương pháp vật lý như plasma, bay bốc, hồ quang… đều tạo ra một lớp màng có chiều dày cỡ µm. Độ bám dính của lớp màng này vào vật liệu nền không cao, thường dao động từ 15 – 30MPa, trong khi đó yêu cầu tối thiểu phải đạt khoảng 50MPa mới đảm bảo tuổi thọ và tránh sự thoái hoá sớm của vật liệu ghép. Để khắc phục hạn chế này, người ta đã chế tạo và phủ được lớp màng HA có chiều dày cỡ nanommet (màng n – HA) trên các vật liệu nền khác nhau bằng: - Phương pháp kết tủa catot: Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực catot, điện cực này được nhúng vào bể điện phân với chất điện giải là dung dịch bão hoà các ion Ca2+ và PO43- ở pH = 6. Quá trình catot hoá diễn ra ở thế phân cực tại catot so với calomen bão hoà là -2V, mật độ dòng catot đạt 10mA/cm2, nhiệt độ điện phân được duy trì ở 600C. Lớp màng HA được tạo ra trên vật liệu nền có chiều dày khoảng 100nm trong vòng 10 phút, chiều dày của lớp màng HA tăng theo thời gian catot hoá [41], [63]. - Phương pháp anot hoá: Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực anot. Catot được làm bằng kim loại trơ, chẳng hạn như bạch kim. Hệ điện cực được đưa vào dung dịch điện giải chứa các ion Ca2+ và PO43- theo tỷ lệ Ca/P = 1,67. Dưới tác dụng của điện áp một chiều từ 250 – 350V, trên anot sẽ xảy ra hiện tượng phóng tia lửa điện tại các điểm dẫn điện tốt. Tại nơi này nhiệt độ có thể lên đến 103- 104 độ Kenvin làm cho kim loại bị oxi hoá, các oxit tạo thành bị nóng chảy tạo thành một lớp oxit với chiều dày khoảng 1 – 2μm có độ xốp cao. Lớp oxit này có điện trở lớn khi nguội và đóng rắn, làm cho hiện tượng phóng tia lửa điện chuyển sang điểm có điện trở nhỏ hơn. Thời gian anot hoá diễn ra trong khoảng 30 phút tạo ra một khối oxit có độ xốp cao. Tại các mao quản của khối xốp này sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ các ion Ca2+ và PO43-. Quá trình hình thành các tinh thể HA phụ thuộc vào số lượng các mầm tinh thể trong khi phóng điện và sự khuếch tán của các ion Ca2+ và PO43- đến bề mặt lớp oxit [37]. - Phương pháp điện di (EPD): Dựa trên hiện tượng chuyển dịch tương đối của pha phân tán trong môi trường phân tán dưới tác dụng của điện trường ngoài [8.H]. Pha phân tán là các hạt HA kích thước nanomet, môi trường phân tán có thể là nước hoặc môi trường mô phỏng dịch thể người SBF (Simulated Body Fluid). Dưới tác dụng của điện trường phù hợp, các hạt huyền phù HA tích điện âm và di chuyển về phía anot (gắn vật liệu nền) tạo ra một lớp màng mỏng n – HA (màng HA có độ dày cỡ nanomet) trên bề mặt chi tiết với độ bám dính cao [41].
Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện di Phương pháp điện di tạo được lớp màng n – HA có độ bám dính tốt, lớn hơn 60MPa, dòng tự ăn mòn chạy qua màng n – HA nhỏ hơn 300 lần so với dòng tự ăn mòn của màng µ - HA (màng HA có độ dày cỡ µm). 1.4.1.7. Phương pháp thuỷ nhiệt (hoá nhiệt) Phương pháp này được dùng chủ yếu để chế tạo HA xốp và gốm xốp. Nhìn chung, sản phẩm HA thu được vẫn giữ nguyên hình thái và cấu trúc xốp giống như khung xương tự nhiên của động vật thân mềm ban đầu (san hô, mai mực, vỏ trai, vỏ ốc…). Với cấu trúc xốp sinh học như vậy, vật liệu này có khả năng tương thích sinh học với cơ thể con người tốt hơn so với gốm xốp HA tổng hợp bằng những phương pháp khác [68]. Khung xương của các động vật thân mềm (san hô, mai mực, vỏ sò…) có thành phần chủ yếu (hơn 98%) là CaCO3 dạng aragonit. Phản ứng thuỷ nhiệt xảy ra giữa CaCO3 với dung dịch (NH4)2HPO4 trong thiết bị kín autoclave, có gia nhiệt. Do mai mực có độ xốp rất cao, diện tích bề mặt lớn nên để phản ứng dị thể xảy ra chỉ cần duy trì trong khoảng nhiệt độ 150 – 2500C ở áp suất 4 – 15atm, thời gian 24 – 30 giờ [66]. Khung xốp của san hô được cấu tạo bởi các tinh thể aragonit lớn, sắp xếp đặc khít với nhau do vậy phản ứng thuỷ nhiệt tạo HA chỉ diễn ra ở nhiệt độ khoảng 200 – 3000C, áp suất rất cao, lên tới 1000atm [44]. Phản ứng thuỷ nhiệt diễn ra theo phương trình: 10CaCO3 + 6(NH4)2HPO4 + 2H2O ( Ca10(PO4)6(OH)2 + 6(NH4)2CO3 + 4H2CO3 (1.7) Hình 1.17 là sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt.
Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt Có thể chế tạo HA xốp từ khung xương tự nhiên bằng phản ứng thuỷ nhiệt thông qua sản phẩm trung gian CaO. Trước hết, chuyển hoá khung xương CaCO3 thành CaO mà vẫn giữ nguyên hình dạng ban đầu. Sau đó, phản ứng thuỷ nhiệt theo phương trình (1.7) được tiến hành trong hệ thiết bị như hình 1.17, ở nhiệt độ khoảng 2000C, áp suất 10 - 15atm, thời gian 24 - 48 giờ: 10CaO + 6(NH4)2HPO4 + 4H2O ( Ca10(PO4)6(OH)2 + 12NH4OH (1.8) Quá trình thuỷ phân của muối CaHPO4 cũng tạo ra sản phẩm HA trong bom thuỷ nhiệt được bọc lót bằng platin hoặc teflon ở nhiệt độ 250 – 3000C, trong thời gian 5 – 10 ngày. Nhiệt độ và áp suất cao tạo điều kiện cho các tinh thể HA hình thành và phát triển. Phản ứng xảy ra như sau [3]: 10CaHPO4 + 2H2O ( Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H+ + 4H2PO4- (1.9) 14CaHPO4 + 2H2O ( Ca10(PO4)6(OH)2 + 4Ca2+ + 8H2PO4- (1.10) Ở điều kiện trên, pha rắn HA có độ kết tinh cao, sản phẩm thu được là đơn pha, nhưng thiết bị và điều kiện phản ứng phức tạp, khó thực hiện. 1.4.2. Phương pháp khô 1.4.2.1. Phương pháp phản ứng pha rắn Đây là phương pháp tổng hợp HA trên cơ sở thực hiện các phản ứng pha rắn. Nguyên liệu ban đầu có thể là: Ca3(PO4)2 và Ca4P2O9, Ca3(PO4)2 và CaO,… được trộn đều theo tỷ lệ Ca/P = 1,7, sau đó tiến hành phản ứng ở nhiệt độ khoảng 10000C, trong hệ kín. Phản ứng tạo HA diễn ra như sau [65]: 2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O
Ca10(PO4)6(OH)2 (1.11) 3Ca3(PO4)2 + CaO + H2O
Ca10(PO4)6(OH)2 (1.12) Nhược điểm của phương pháp này là cần thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao trong thời gian dài. Cũng có thể chế tạo HA bột và khối xốp bằng phản ứng pha rắn giữa Ca3(PO4)2 và Ca(OH)2 ở nhiệt độ thấp (250 – 3000C) trong áp suất khí quyển: 3Ca3(PO4)2 + Ca(OH)2
Ca10(PO4)6(OH)2 (1.13) Các phản ứng pha rắn này thường được áp dụng để chế tạo HA dạng khối xốp. Hỗn hợp nguyên liệu rắn ban đầu được ép nén để tạo ra các chi tiết có hình dạng và độ xốp mong muốn. Sau phản ứng, sản phẩm vẫn giữ nguyên được hình dạng và cấu trúc xốp ban đầu. Chính nhờ những ưu điểm này mà phương pháp phản ứng pha rắn này thích hợp cho việc chế tạo gốm y sinh với các chi tiết phức tạp. 1.4.2.2. Phương pháp hoá - cơ [65] Bằng phương pháp hoá – cơ, có thể chế tạo HA bột bằng phản ứng giữa hai pha rắn CaCO3 và CaHPO4.2H2O: 4CaCO3 + 6CaHPO4.2H2O
Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H2CO3 (1.14) Hoặc bằng các phản ứng sau: 2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O
Ca10(PO4)6(OH)2 (1.15) 2Ca3(PO4)2 + CaO + H2O
Ca10(PO4)6(OH)2 (1.16) Nguyên lý của phương pháp này là tác động một lực ma sát lớn giữa bi và má nghiền của bi đến các cấu tử của hai pha rắn. Lực này cần phải đủ mạnh để tạo ra sự khuếch tán nội, tiến tới phản ứng hoá học giữa hai pha rắn tạo ra pha rắn thứ ba. Quá trình phản ứng xảy ra trong thiết bị nghiền với má nghiền và bi có độ cứng cao, khối lượng riêng của bi lớn. Ưu điểm của phương pháp là điều kiện phản ứng đơn giản, dễ thực hiện. Nhược điểm là thời gian phản ứng dài, sản phẩm HA nhận được dễ bị lẫn tạp chất do sự mài mòn của bi và má nghiền. 1.4.2.3. Một số phương pháp vật lý Ngoài các phương pháp trên, còn có một số phương pháp vật lý như phương pháp plasma, bốc bay chân không, phún xạ magnetron, hồ quang… để chế tạo màng gốm HA trên các vật liệu nền trơ sinh học [25]. Nguyên lý của các phương pháp này là làm bốc bay các phân tử HA ở nhiệt độ cao trong chân không, sau đó tích tụ lại trên đế trơ sinh học. Bằng các phương pháp trên có thể dễ dàng chế tạo được màng HA có chiều dày cỡ µm. Màng HA có độ bám dính tương đối cao với vật liệu nền, nhưng khó tạo ra các màng rất mỏng (chiều dày cỡ nm), khó điều chỉnh được độ dày của lớp màng. Mặt khác, do thực hiện ở nhiệt độ cao, HA dễ bị phân huỷ do nhiệt độ cao dẫn đến tỷ lệ Ca/P thay đổi, nên sản phẩm thường lẫn các tạp chất của vật liệu nền. - Phương pháp plasma: Hình 1.18 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp plasma. Bột HA bị ion hoá và một phần nóng chảy trong dòng plasma, tạo ra một lớp màng bám trên vật liệu nền tương đối bền [42], [62].
Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp plasma - Phương pháp bốc bay chân không [11]:
Hình 1.19: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp bốc bay chân không Bộ phận chính của thiết bị bốc bay nhiệt là một buồng được hút chân không cao (cỡ 10-5 – 10-6Torr) nhờ các bơm chân không (bơm khuếch tán hoặc bơm phân tử…). Thuyền điện trở được làm bằng các vật liệu (vonphram, tantan, bạch kim…) chịu nhiệt và ít tương tác với HA, có nhiệm vụ đốt nóng chảy HA cho đến khi HA bay hơi. Sau đó HA sẽ ngưng đọng lên các đế được gắn vào giá phía trên (hình 1.19). - Phương pháp phún xạ magnetron: Hình 1.20 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp phún xạ magnetron. Nguyên lý của phương pháp là sử dụng nguồn phát để tạo trường điện từ tần số cao (13,56 MHz) [42].
Hình 1.20: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phún xạ magnetron Do electron có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với ion dương, nên dòng xoay chiều này chỉ làm dịch chuyển electron, còn ion dương không bị ảnh hưởng nhiều. Electron di chuyển sẽ va chạm với Ar trung hoà và sinh ra ion Ar+. Các hạt khí ion này được gia tốc và va chạm với các nguyên tử trên bề mặt của HA, làm cho chúng phún xạ và bay đến vật liệu nền, lắng đọng hình thành nên lớp màng HA [12]. 1.5. Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu HA 1.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X – Ray Diffraction, XRD) Phương pháp XRD được dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lượng pha tinh thể và kích thước hạt với độ tin cậy cao. Nguyên lý của phương pháp là xác định cấu trúc tinh thể dựa vào hình ảnh khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ. Mạng tinh thể nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định. Khoảng cách giữa các nút mạng vào khoảng vài ăngstron (
) xấp xỉ với bước sóng của tia Rơnghen. Một chùm electron đã được gia tốc, có năng lượng cao, đang chuyển động nhanh, bị hãm đột ngột bằng một vật cản, một phần năng lượng của chúng chuyển thành bức xạ sóng điện từ (tia X) gọi là bức xạ hãm. Khi một chùm tia X có bước sóng ( và cường độ I đi qua vật liệu, nếu tia tới thay đổi phương truyền và thay đổi năng lượng gọi là tán xạ không đàn hồi. Khi tia tới thay đổi phương truyền nhưng không thay đổi năng lượng gọi là tán xạ đàn hồi. Trường hợp vật liệu đang nghiên cứu có cấu trúc tinh thể thì hiện tượng tán xạ đàn hồi của tia X sẽ đưa đến hiện tượng nhiễu xạ tia X. Hiện tượng này chỉ xảy ra với ba điều kiện: Vật liệu có cấu trúc tinh thể; có tán xạ đàn hồi; bước sóng của tia X (tia tới) có giá trị cùng bậc với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể.
Hình 1.21: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X Trong mạng lưới tinh thể luôn tồn tại họ các mặt phẳng song song, cách đều nhau một khoảng bằng d. Một chùm tia X có bước sóng ( chiếu tới bề mặt của mạng lưới tinh thể với một góc ( sẽ bị phản xạ trở lại (hình 1.21). Tất cả các tia phản xạ đó tạo nên chùm tia X song song có cùng một bước sóng và có phương truyền làm với phương tia tới một góc 2(. Khi hiệu số pha giữa các tia X phản xạ là 2n( (n là số nguyên), tại điểm hội tụ chùm tia X sẽ có vân giao thoa với cường độ ánh sáng cực đại. Các nguyên tử, ion này được phân bố đều trên các mặt phẳng song song, do vậy hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau được tính bằng công thức:
(1.17) Trong đó, d là khoảng cách giữa hai mặt song song, ( là góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ, ( là hiệu quang trình của hai tia phản xạ. Từ hình 1.21 cho thấy, hiệu quang trình giữa hai tia bằng 2.d.sin(. Bragg đã biểu diễn điều kiện để có hiện tượng nhiễu xạ bằng phương trình: 2.d.sin( = n( (1.18) Trong đó, d là khoảng cách giữa hai mặt song song, ( là góc giữa chùm tia X, n là bậc phản xạ (số nguyên dương), ( là bước sóng của tia tới. Đây là phương trình cơ sở để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Căn cứ vào giá trị cực đại trên giản đồ (giá trị 2() có thể tính được d theo phương trình (1.18). Bằng phương pháp này sẽ xác định được cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu. Ngoài việc xác định cấu trúc, XRD còn cho phép xác định kích thước của tinh thể. Bản chất vật lý của việc xác định kích thước tinh thể bằng phương pháp XRD là: kích thước hạt và độ rộng của vạch nhiễu xạ có mối liên hệ phụ thuộc. Mẫu có các hạt với kích thước lớn thì độ rộng vạch nhiễu xạ bé và ngược lại. Scherrer đã đưa ra công thức tính toán kích thước tinh thể trung bình của tinh thể theo phương trình:
(1.19) D là kích thước tinh thể trung bình (nm), ( là góc nhiễu xạ, B là độ rộng pic đặc trưng (radian) ở độ cao bằng nửa cường độ cực đại (tại vị trí góc 2θ = 25,880, đối với HA), ( = 1,5406A0 là bước sóng của tia tới, k là hằng số Scherrer phụ thuộc vào hình dạng của tinh thể và chỉ số Miller của vạch nhiễu xạ (đối với HA, k = 0,9) [47]. Trong phương trình (1.19), kích thước hạt D tỉ lệ nghịch với độ rộng B và có cos( ở mẫu số, nên muốn có giá trị D chính xác cần sử dụng vạch nhiễu xạ tương ứng với góc ( bé. Từ giản đồ XRD, độ tinh thể được tính toán theo phương pháp phân giải pic [48], theo công thức:
(1.20) Trong đó: C là độ tinh thể trong bột HA Y là chiều cao của pic đặc trưng (với HA, thường chọn pic có chỉ số Miller 300) X là chiều cao chân pic tại vị trí thấp nhất giữa hai pic có chỉ số Miller 300 và 112 )
Hình 1.22: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA Hàm lượng pha Ca3(PO4)2 trong bột HA được đánh giá bằng phương pháp XRD độ phân giải cao, với góc quay 2( = 24 – 380. Hàm lượng các pha có trong bột được tính toán từ diện tích các pic đặc trưng cho mỗi pha như sau:
(1.21) trong đó, Sa là diện tích của pic đặc trưng cho tinh thể HA, Sp là diện tích của pic đặc trưng cho tinh thể Ca3(PO4)2 [48], [53].
Hình 1.23: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP Giản đồ XRD của mẫu cần được ghi theo cùng một chế độ với phổ chuẩn ATSM, sau đó kết quả đo được so sánh với dữ liệu ATSM. 1.5.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transformation Infrared Spectrophotometer, FTIR) Phổ hồng ngoại dùng để xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu, dựa vào các tần số đặc trưng trên phổ của các nhóm chức trong phân tử. Phổ hồng ngoại chính là phổ dao động - quay vì khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay của các nhóm chức đều bị kích thích. Phổ dao động - quay của phân tử được phát sinh ra do sự chuyển dịch giữa các mức năng lượng dao động và quay (liên quan đến sự quay của phân tử xung quanh trục liên kết). Dạng năng lượng được sinh ra khi chuyển dịch giữa các mức này ở dạng lượng tử hoá, nghĩa là chỉ có thể biến thiên một cách gián đoạn. Hiệu số năng lượng (phát ra hay hấp thụ) được tính theo công thức Bohr: (E = h( Trong đó, (E là biến thiên năng lượng, h là hằng số Planck, ( là tần số dao động (số dao động trong một đơn vị thời gian). Hình 1.24 dưới đây là sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourie (FTIR). Nguồn bức xạ (1) phát ra một chùm tia hồng ngoại với một tần số trong vùng cần đo. Chùm tia này đi qua bộ giao thoa kế (gồm gương cố định, gương di động và bộ phận phân chia chùm sáng). Bức xạ hồng ngoại sau khi đi ra khỏi giao thoa kế sẽ đi qua mẫu rồi đến detector. Detector ghi nhận sự biến đổi của cường độ của bức xạ theo quãng đường d mà gương di động thực hiện được rồi chuyển thành tín hiệu điện. Khi đó, thu được tín hiệu dưới dạng hàm của điện thế V theo quãng đường: V = f(d) Máy tính sẽ thực hiện phép biến đổi Fourie để chuyển hàm V = f(d) thành hàm của cường độ bức xạ I theo nghịch đảo của quãng đường d (d-1). V = f(d)
I = f(d-1) Vì d-1 chính là số sóng
, do đó thực chất đó là hàm phụ thuộc của cường độ bức xạ vào số sóng.
Hình 1.24: Sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại 1 – Nguồn sáng 5 – Mẫu 2 – Gương cố định 6 – Detector 3 – Gương di động 7 – Computer 4 – Bộ phân chia chùm sáng 8 – Bút tự ghi Bột HA được phân tích FTIR để xác định sự có mặt của các nhóm chức: OH-, CO32-, HPO42-, PO43-. Bước sóng đặc trưng cho các nhóm chức có thể có mặt trong bột HA được trình bày ở bảng sau: Bảng 1: Bước sóng đặc trưng của các nhóm chức [3] Nhóm chức  Bước sóng (cm-1)   H – O Stretch C – O Stretch P – O Str (H3PO4) CO32- Stretch P – O Stretch P – O Stretch H – O Bend O – P – O Bend  3570 2345 1649 1545 – 1445 1091 962 632 576   1.5.3. Phương pháp hiển vi điện tử 1.5.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM) [57] Nguyên tắc của phương pháp hiển vi điện tử quét là dùng chùm điện tử quét lên bề mặt mẫu và thu nhận lại chùm tia phản xạ. Qua việc xử lý chùm tia phản xạ này, có thể thu được những thông tin về hình ảnh bề mặt mẫu để tạo ảnh của mẫu nghiên cứu. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét cho phép quan sát mẫu với độ phóng đại rất lớn, từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần. Chùm điện tử được tạo ra từ catot qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu sáng, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn hình. Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình. Độ sáng tối trên màn hình phụ thuộc lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu, đồng thời còn phụ thuộc bề mặt của mẫu nghiên cứu. Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu được những bức ảnh ba chiều rõ nét và không đòi hỏi khâu chuẩn bị mẫu quá phức tạp. Tuy nhiên, phương pháp này cho độ phóng đại nhỏ hơn phương pháp TEM.
1.5.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microcopy, TEM) [8] Nguyên tắc của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là sử dụng chùm điện tử xuyên qua mẫu cần nghiên cứu. Do vậy, các mẫu này cần phải đủ mỏng để chùm điện tử xuyên qua.
Hình 1.26: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử Chùm tia điện tử được tạo ra từ hai súng phóng điện tử sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia điện tử đập vào mẫu sẽ phát ra các chùm tia điện tử phản xạ và điện tử truyền qua. Chùm tia điện tử truyền qua này được đi qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng, tín hiệu này được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển để tạo ra độ sáng trên màn ảnh. Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn ảnh, độ sáng tối phụ thuộc vào lượng điện tử phát ra tới bộ thu.