LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Nguyễn Thị Hạnh, ngƣời
đã hƣớng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực
nghiệm để hoàn thành khóa luận này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong phòng Vô cơ, cũng
nhƣ ban lãnh đạo Viện Hoá học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã
tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình làm nghiên cứu tại Viện. Các thầy
cô giáo, các bạn khoa Hóa học – trƣờng ĐHSP Hà Nội 2 đã giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình học tập và thực hiện khóa luận.
Tôi xin chân thành cảm ơn ông bà, bố mẹ và những ngƣời thân trong
gia đình đã nuôi dƣỡng, ủng hộ, khuyên bảo, giúp đỡ tôi trƣởng thành trong
suốt 24 năm qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, ngày 12 tháng 05 năm 2012
Sinh viên

Đặng Thị Hằng


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Nồng độ các ion trong dung dịch SBF x1 và huyết tƣơng ngƣời
Bảng 2: Các hóa chất dùng để pha chế dung dịch SBF (pH = 7,4; 5L)
Bảng 3: Trọng lƣợng các mẫu HA I nén ép ở áp suất 4000 kg/cm2 trƣớc và
sau khi nung
Bảng 4: Trọng lƣợng các mẫu HA II nén ép ở áp suất 400 kg/cm2 trƣớc và sau
khi nung
Bảng 5: Trọng lƣợng của mẫu gốm HA I nén ép ở áp suất 4000 kg/cm2 trƣớc
và sau khi ngâm trong SBF x1
Bảng 6: Trọng lƣợng của mẫu gốm HA II nén ép ở áp suất 400 kg/cm2trƣớc
và sau khi ngâm SBF x1

DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HA
Hình 2: Công thức cấu tạo của phân tử HA
Hình 3: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể
Hình 4: Quá trình tạo lớp men HA trên bề mặt răng
Hình 5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phƣơng pháp khác nhau
Hình 6: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp kết tủa
Hình 7: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA
Hình 8: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA
Hình 9: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng hợp HA bột
Hình 10: Giản đồ XRD của mẫu HA tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau
Hình 11: Ảnh SEM của bột HA ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau
Hình 12: Ảnh TEM của các mẫu bột HA đƣợc tổng hợp ở các nhiệt độ khác
nhau
Hình 13: Giản đồ XRD của bột HA đƣợc tổng hợp ở các tốc độ cấp axit khác
nhau.
Hình 14: Ảnh SEM của bột HA tổng hợp ở ba tốc độ cấp axit H3PO4
Hình 15: Phổ FTIR của bột HA ở các tốc độ cấp axit
Hình 16: Giản đồ XRD của gốm HA trƣớc (a) và sau (b) khi nung
Hình 17: Ảnh SEM của mẫu HA I-2 sau khi thiêu kết
Hình 18: Biến thiên nồng độ Ca2+ ngâm trong SBF của mẫu HA I (a) ở 37 ±
10C và HA II (b) ở 200C
Hình 19: Đƣờng chuẩn xác định nồng độ PO43- bằng phƣơng pháp đo quang
Hình 20: Biến thiên nồng độ PO43- ngâm trong SBF của mẫu HA I (a) ở 37 ±
10C và HA II (b) ở 200C
Hình 21: Giản đồ XRD của gốm HA trƣớc (a) và sau (b) khi ngâm trong dung
dịch SBF x1.



Hình 22: Ảnh SEM của gốm HAI-2 trƣớc (a) và sau (b) khi ngâm trong dung
dịch SBF x1
Hình 23: Phổ FTIR của mẫu HA I-2, HA I-4 và HA II-2 sau khi ngâm trong
dung dịch SBF x1
Hình 24: Giản đồ TGA/DrTGA của mẫu HA I-2 (a) và HA II-2 (b) sau khi
ngâm trong dung dịch SBF x1


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÍNH CHẤT, ỨNG DỤNG VÀ CÁC
PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO HYDROXYAPATIT .......................................... 3
1.1.Tính chất của hydroxyapatit ......................................................................... 3
1.1.1. Tính chất vật lý......................................................................................... 3
1.1.2. Tính chất hóa học ..................................................................................... 4
1.1.3. Tính chất sinh học .................................................................................... 4
1.2. Các ứng dụng của hydroxyapatit................................................................ 5
1.2.1. Ứng dụng của hydroxyapatit dạng bột ..................................................... 5
1.2.2. Ứng dụng của hydroxyapatit dạng gốm xốp ........................................... 6
1.3. Các phƣơng pháp chế tạo hydroxyapatit ..................................................... 8
1.3.1. Phƣơng pháp chế tạo hydroxyapatit dạng bột ......................................... 8
1.3.2. Phƣơng pháp chế tạo hydroxyapatit dạng màng .................................... 10
1.3.3. Phƣơng pháp chế tạo hydroxyapatit dạng xốp và gốm xốp ................... 11
1.3.3.1. Phƣơng pháp phản ứng pha rắn........................................................... 11
1.3.3.2.Phƣơng pháp thiêu kết chế tạo gốm ..................................................... 12
1.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng vật liệu hydroxyapatit ............... 14
1.4.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ....................................................... 14
1.4.2. Phƣơng pháp hồng ngoại (FTIR) ........................................................... 16
1.4.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử .................................................................. 16

1.4.4. Phƣơng pháp phân tích nhiệt .................................................................. 17
1.4.5. Phƣơng pháp hóa học xác định hàm lƣợng Ca2+ và PO43- ..................... 17
1.4.6. Phƣơng pháp đánh giá tính tƣơng thích sinh học ................................. 18
CHƢƠNG 2 : NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ................ 20
2.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm xốp hydroxyapatit bằng phƣơng pháp
nén ép - thiêu kết ............................................................................................. 20


2.1.1. Tổng hợp hydroxyapatit bột bằng phƣơng pháp kết tủa hóa học ......... 20
2.1.2. Chế tạo gốm xốp hydroxyapatit bằng phƣơng pháp nén ép - thiêu kết 22
2.2. Xác định hàm lƣợng các ion Ca2+ và PO43- trong dung dịch SBF .......... 23
2.3. Đánh giá tính tƣơng thích sinh học của gốm hydroxyapatit bằng phƣơng
pháp in-vitro ................................................................................................... 25
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................... ……28
3.1. Tổng hợp gốm xốp hydroxyapatit bằng phƣơng pháp kết tủa hóa học ... 28
3.1.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ........................................................................ 28
3.1.2. Ảnh hƣởng của tốc độ cấp axit ............................................................ 31
3.2. Chế tạo gốm xốp hydroxyapatit bằng phƣơng pháp nén ép - thiêu kết .. 33
3.3. Kết quả thử tính tƣơng thích sinh học in-vitro ......................................... 38
3.3.1. Kết quả xác định nồng độ Ca2+ và PO43- trong dung dịch SBF ............ 38
3.3.2. Sự thay đổi trọng lƣợng mẫu ................................................................ 40
3.3.3 Các đặc trƣng của mẫu .......................................................................... 41
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 47


MỞ ĐẦU
Hợp chất canxi hydroxyapatit, viết tắt là HA, có công thức hóa học là
Ca10(PO4)6(OH)2. HA tồn tại trong tự nhiên dƣới dạng khoáng chất, thuộc họ
apatit. Hợp chất này còn là thành phần chính trong xƣơng, răng, các mô cứng

của con ngƣời và động vật có vú. HA có các đặc tính nhƣ hoạt tính và khả
năng tƣơng thích sinh học cao với các tế bào và các mô, tạo liên kết trực tiếp
với xƣơng non dẫn đến sự tái sinh xƣơng nhanh mà không bị cơ thể đào thải
[4,6].
Năm 1983, các nhà khoa học đã tổng hợp thành công gốm xốp HA
dƣới dạng các chi tiết cho mục đích ghép xƣơng. Vật liệu này có thành phần
và cấu trúc xốp tƣơng tự nhƣ xƣơng ngƣời [5]. Do đó, họ đã sử dụng loại vật
liệu này trong phẫu thuật chỉnh hình để sửa chữa và thay thế các khuyết tật
của xƣơng trong cơ thể con ngƣời. Cùng với những tiến bộ của khoa học kĩ
thuật, các ứng dụng và hiệu quả của loại vật liệu tiên tiến này đã tạo tiến bộ
mới trong các lĩnh vực xét nghiệm, điều trị y học, trong lĩnh vực dƣợc phẩm,
vật liệu y sinh [4]… HA dạng bột đƣợc dùng để làm thuốc và thực phẩm bổ
sung canxi; dạng màng đƣợc dùng để tạo lớp men răng, các chi tiết nối xƣơng
và lớp bao phủ bề mặt xƣơng; dạng xốp đƣợc dùng để điền đầy xƣơng và
răng, làm xƣơng nhân tạo, mắt giả…[5].
Ở nƣớc ta, các vật liệu vô cơ có khả năng ứng dụng trong y sinh học
nói chung và dƣợc phẩm nói riêng đã đƣợc quan tâm từ lâu. Tuy nhiên, việc
ứng dụng các vật liệu vô cơ trong y sinh học và dƣợc học còn nhiều hạn chế.
Vì vậy, để góp phần tạo ra một loại vật liệu có khả năng định hƣớng ứng dụng
trong dƣợc học và y sinh học ở nƣớc ta, tôi lựa chọn đề tài “Tổng hợp gốm
xốp hydroxyapatit bằng phƣơng pháp nén ép - thiêu kết”

1


Mục đích của đề tài: Tổng hợp vật liệu HA nhằm ứng dụng trong cấy
ghép xƣơng và các phẫu thuật chỉnh hình xƣơng, răng.
Nội dung đề tài:
- Tổng hợp vật liệu HA ở các điều kiện khác nhau (áp suất, tỉ lệ
HA : tinh bột)

- Thử nghiệm khả năng tƣơng thích sinh học của vật liệu.
- Phân tích, xác định các đặc trƣng của vật liệu.

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÍNH CHẤT, ỨNG DỤNG VÀ
CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO HYDROXYAPATIT

1.1.

Tính chất của hydroxyapatit

1.1.1. Tính chất vật lý
Ở trạng thái tinh thể HA có màu sắc trắng, trắng ngà, vàng, nâu…,
nhiệt độ nóng chảy ở 17600C, nhiệt độ sôi ở 28500C, độ hòa tan trong nƣớc là
0,7 g/l, trọng lƣợng phân tử 1004,60 g, trọng lƣợng riêng 3,156 g/cm3. Ở
những điều kiện khác nhau trong tự nhiên và trong quá trình tổng hợp, các
tinh thể HA tồn tại ở dạng que, hình kim, hình vảy, hình sợi, hình cầu...[1,4].
Để nhận biết các dạng tồn tại của HA có thể sử dụng phƣơng pháp hiển vi
điện tử quét (SEM) và hiển vi điện tử truyền qua (TEM) (hình 1).
(c)

(b)

(a)
(d)

(e)


(f)

Hình 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

3


1.1.2. Tính chất hóa học
Công thức cấu tạo của phân tử HA (hình 2), có cấu trúc mạch thẳng,
các liên kết Ca O là liên kết cộng hóa trị. Hai nhóm OH- đƣợc gắn với
nguyên tử P ở hai đầu mạch [4].

Hình 2: Công thức cấu tạo của phân tử HA
HA không phản ứng với kiềm, phản ứng với axit tạo thành muối
canxi photphat và nƣớc.
Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl → 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O

(1.1)


HA tƣơng đối bền nhiệt [1]:
Ở nhiệt độ 800 - 12000C, HA bị phân hủy thành oxy - hydroxyapatit.
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 hủy thành β - Ca3(PO4)2, Ca4P2O9,
Ca4O(PO4)2 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 [1,4]
Ở dạng bột mịn kích thƣớc nano, HA là dạng canxi photphat dễ đƣợc
cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng nhƣ tỷ lệ trong xƣơng
và răng. Ở dạng màng và dạng xốp, HA có thành phần hóa học và các đặc
tính giống xƣơng tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi,
mạch máu dễ dàng xâm nhập.

4



Chính vì vậy, HA có tính tƣơng thích sinh học cao với các tế bào và các
mô, có tính dẫn xƣơng tốt, tạo liên kết trực tiếp với xƣơng non dẫn đến sự tái
sinh xƣơng nhanh mà không bị cơ thể đào thải.
1.2. Các ứng dụng của hydroxyapatit
1.2.1. Ứng dụng của hydroxyapatit dạng bột
Trong cơ thể con ngƣời, xƣơng đóng một vai trò rất quan trọng. Nó có
ý nghĩa to lớn về mặt sinh học và cấu trúc. Về mặt sinh học, xƣơng là nơi tập
trung canxi nhiều nhất và là nơi sản xuất các tế bào máu. Còn về mặt cấu trúc,
xƣơng là khung đỡ cho các bộ phận khác, hình thành nên cấu trúc và hình
dáng cơ thể [1,7,15]. Do lƣợng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày
tƣơng đối thấp nên việc bổ sung canxi cho cơ thể là rất cần thiết, đặc biệt là
trẻ em và ngƣời cao tuổi. Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thƣờng nằm ở
dạng hòa tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao. Do đó, các nhà khoa
học đã đƣa ra một phƣơng pháp hữu hiệu là sử dụng HA bột kích thƣớc nano,
để làm thuốc và thực phẩm chức năng bổ sung canxi dƣới dạng các hợp chất
vi lƣợng. Với kích thƣớc 20 - 100 nm, HA đƣợc hấp thụ trực tiếp vào cơ thể
mà không cần phải chuyển hóa thêm [1].
Canxi ở dạng ion có vai trò quan trọng trong nhiều hoạt động của cơ
thể ngƣời nhƣ tham gia vào quá trình co cơ, dẫn truyền thần kinh và đông
máu, quá trình điều hòa enzym khác nhau trong cơ thể Ngoài ra nó còn có
khả năng khống chế một số chất béo và cholesterol trong đƣờng ruột - dạ dày,
tham gia vào quá trình phát triển tế bào trứng ở phụ nữ...[1,4].
Một vấn đề khác đối với y học thế giới đó là căn bệnh loãng xƣơng.
Mặc dù không gây tử vong nhƣng bệnh loãng xƣơng ảnh hƣởng rất nhiều đến
chất lƣợng cuộc sống của số đông ngƣời 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

5



giới trên 50 tuổi bị bệnh loãng xƣơng [1]. Dự báo tới năm 2050, toàn thế giới
sẽ có tới 6,3 triệu trƣờng hợp gãy cổ xƣơng đùi do loãng xƣơng và 51% số
này sẽ ở các nƣớc châu Á, nơi mà khẩu phần ăn hằng ngày còn thiếu rất nhiều
canxi, việc chuẩn đoán sớm và điều trị tích cực bệnh loãng xƣơng còn gặp rất
nhiều khó khăn [4].
Hiện nay bằng công nghệ nano, ngƣời ta đã tạo ra hợp chất HA có kích
thƣớc từ vài nano đến 100 nm [8,10]. Các hợp chất này khá bền với dịch và
men tiêu hóa trong cơ thể ngƣời nên đƣợc cơ thể ngƣời hấp thụ rất nhanh, do
vậy nó ít chịu ảnh hƣởng của dung dịch axit có trong dạ dày và đƣợc dùng
làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao [4].
Hình 3: Hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ
sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột nhằm cung cấp canxi và photpho cho
cơ thể ngƣời.

Hình 3: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể
1.2.2. Ứng dụng của hydroxyapatit dạng gốm xốp
Vật liệu gốm y sinh HA có tính tƣơng thích sinh học cao, có nhiều lỗ
xốp liên thông với nhau dễ dàng cho mô sợi và mạch máu xâm nhập vào,
đƣợc cơ thể dung nạp tốt. Ngoài ra HA không gây độc, không gây dị ứng và
có tính kháng khuẩn. Do vậy, gốm xốp HA ở các dạng đƣợc ứng dụng rất
rộng rãi trong y sinh học nhƣ:

6


-

Chế tạo răng giả và các khuyết tật của răng [12]

Các nhà khoa học Nhật Bản đã chế tạo thành công một hỗn hợp gồm

HA tinh thể kích thƣớc nano và polyme sinh học có khả năng phủ và bám
dính trên răng theo cơ chế epitaxy (tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng
mới, cứng chắc theo đúng tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên).
Quá trình tạo men răng gồm các giai đoạn:
Giai đoạn 1: Lớp men HA cũ, cần thay thế trên bề mặt răng bị phân hủy
bởi dung dịch H2O2 + H3PO4. Hợp chất H2O2 còn có tác dụng loại bỏ các chất
bẩn tồn tại trên răng.
Giai đoạn 2: Hỗn hợp tinh thể HA kích thƣớc nano và polyme sinh học
ở dạng khối nhão đƣợc phủ lên bề mặt răng. Ở điều kiện này, tinh thể HA có
cấu trúc giống nhƣ men răng tự nhiên sẽ bám dính trên răng theo cơ chế
epitaxy để tạo thành lớp men răng mới.

Hình 4: Quá trình tạo lớp men HA trên bề mặt răng
-

Chế tạo mắt giả [14]
HA xốp chế tạo từ san hô, có cấu trúc xốp bền vững, nhẹ, có khả năng

thích ứng cao với cơ thể, giúp khắc phục hiện tƣợng sụp mi do trọng lƣợng,
hạn chế phản ứng của cơ thể và làm tăng thời gian sử dụng của mắt giả.

7


-

Làm chất dẫn xương, làm cho đoạn xương gẫy khuyết nhanh liền [4].
Mục đích: kéo dài xƣơng ống chân, làm tăng chiều cao của ngƣời.


-

Chế tạo những chi tiết ghép và sửa chữa những khuyết tật của xương [4].

Hình 5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau
Phụ thuộc mục đích cấy ghép hoặc thay thế để chế tạo sản phẩm gốm
HA kích thƣớc và độ xốp khác nhau. 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 xƣơng.
1.3. Các phƣơng pháp chế tạo hydroxyapatit
Trên thế giới, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu HA ở các dạng đã đƣợc
triển khai từ lâu và đã đạt đƣợc 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 phƣơng pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để nâng cao
khả năng ứng dụng của chúng.
1.3.1. Phƣơng pháp chế tạo hydroxyapatit dạng bột [1,2,4].
Là phƣơng pháp tạo pha rắn HA từ dung dịch chứa các nguyên liệu đầu
khác nhau, bao gồm: phƣơng pháp kết tủa, phƣơng pháp sol - gel… Các
phƣơng pháp này đƣợc sử dùng để tổng hợp HA bột ở kích thƣớc khác nhau.
Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về phƣơng pháp kết tủa.

8


Có thể chia quá trình tổng hợp HA bằng phƣơng pháp kết tủa từ các ion
Ca2+ và PO43- thành 2 nhóm chính:
a ) Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca 2+và PO43 dễ tan trong
nước.
Sử dụng các muối: Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4...

Phƣơng trình phản ứng:
10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH3 + 2H2O
Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3

(1.5)

Ở pH = 10÷12, phản ứng diễn ra theo chiều thuận.
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 trƣờng kiềm
Ví dụ: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 → Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O

(1.6)

Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp kết tủa đƣợc thể hiện qua hình 6.
Dung dịch điều chỉnh
pH (nếu cần)

Dung dịch PO43-

Khuấy, gia
nhiệt

Dung dịch Ca2+

Kết tủa HA

Ly tâm, sấy


Sản phẩm

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa

9


Trong quá trình tổng hợp, pH = 9÷10 đƣợc điều chỉnh bằng cách thêm
từ từ H3PO4 vào Ca(OH)2. H3PO4 là một axit có độ mạnh trung bình, phân ly
theo 3 giai đoạn:
H3PO4

H2PO4- + H+

pKa1=2,2

(1.7)

H2PO4-

HPO42- + H+

pKa2=7,2

(1.8)

HPO42-

PO43- + H+


pKa3=12,3

(1.9)

Nếu thêm axit với tốc độ cao, pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột, dẫn
đến sự phân ly axit không hoàn toàn, tạo ra các ion HPO42- và H2PO4- .
Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng và hình dạng của tinh thể HA
gồm: nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ, môi trƣờng phản ứng, quá trình kết tinh
của tinh thể HA trong suốt quá trình tổng hợp.
Bản chất của phƣơng pháp kết tủa là quá trình tạo ra sản phẩm rắn (quá
trình kết tủa) từ dung dịch ban đầu có chứa các ion cấu thành nên sản phẩm
rắn đó. Đây là quá trình chuyển pha lỏng ↔ rắn, với sự xuất hiện của pha mới
(rắn) từ trong lòng một pha lỏng. Đối với HA, đây chính là quá trình kết tinh
tạo ra pha rắn có cấu trúc tinh thể.
Quá trình kết tinh gồm 2 giai đoạn: giai đoạn tạo mầm tinh thể, gắn liền
với điều kiện quá lạnh và giai đoạn phát triển mầm tinh thể. Tốc độ của hai
giai đoạn này ảnh hƣởng đến số lƣợng và kích thƣớc tinh thể đƣợc hình thành.
1.3.2. Phƣơng pháp chế tạo hydroxyapatit dạng màng [1,4]
a) Phương pháp điện hóa
Lớp màng HA có chiều dày cỡ nm đƣợc chế tạo bằng các phƣơng pháp
điện hóa nhƣ kết tủa catot, anot hóa... Các phƣơng pháp này sử dụng các vật
liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực. Hệ điện cực đƣợc đƣa
vào dung dịch điện giải chứa các ion Ca2+, PO43-, tỷ lệ Ca/P = 1,67

10


b) Phương pháp vật lý
Nguyên lý: Làm bốc bay các nguyên tử HA ở nhiệt độ cao, độ chân không
cao, làm chúng tách ra khỏi nguồn vật liệu, sau đó tích tụ lại trên

đế trơ sinh học.
Ƣu điểm:

- Chế tạo đƣợc màng HA có chiều dày cỡ μm
- Màng HA có độ bám dính tƣơng đối cao với vật liệu nền.

Nhƣợc điểm:

- Khó tạo ra màng HA chiều dày cỡ nm
- Khó điều chỉnh đƣợc chiều dày của lớp màng HA
- Do thực hiện ở nhiệt độ cao, nên sản phẩm thƣờng bị lẫn
các tạp chất của vật liệu nền, HA dễ bị phân hủy do nhiệt
độ cao dẫn đến tỷ lệ Ca/P bị thay đổi…

Ví dụ: Phƣơng pháp plasma, phƣơng pháp bốc bay chân không…
1.3.3. Phƣơng pháp chế tạo hydroxyapatit dạng xốp và gốm xốp
1.3.3.1. Phƣơng pháp phản ứng pha rắn [4]
Tổng hợp HA trên cơ sở thực hiện các phản ứng pha rắn.
- Nguyên liệu: Ca3(PO4)2, Ca4P2O9, CaCO3 và CaHPO4.2H2O... đƣợc trộn
theo tỷ lệ Ca/P = 1,67, sau đó tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao.
Ví dụ:
2 Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O → Ca10(PO4)6(OH)2

(1.10)

4CaCO3 + 6CaHPO4.2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 + 4CO2 + 14H2O

(1.11)

Nhƣợc điểm: thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao trong thời gian dài.

- Cũng có thể tổng hợp HA bột và khối xốp bằng phản ứng pha rắn giữa
Ca3(PO4)2 và Ca(OH)2 ở nhiệt độ 300 - 3500C, áp suất thƣờng và trong hệ
kín.
Ca3(PO4)2 + Ca(OH)2 → Ca10(PO4)6(OH)2

11

(1.12)


Ƣu điểm: Những nguyên liệu rắn ban đầu đƣợc ép để tạo ra các chi tiết có
hình dạng và độ xốp mong muốn. Sau phản ứng sản phẩm vẫn giữ nguyên
đƣợc hình dạng và cấu trúc xốp ban đầu. Do vậy phƣơng pháp này thích hợp
cho việc chế tạo gốm y sinh với các chi tiết phức tạp.
1.3.3.2. Phƣơng pháp thiêu kết chế tạo gốm [1,4]
Vật liệu dạng bột đƣợc nén ép thành các chi tiết có hình dạng nhất định
rồi tiến hành nung ở nhiệt độ cao để thu đƣợc sản phẩm cụ thể có độ chắc đặc,
bền cơ, bền hóa và có tính chất vật lý mong muốn.
Quá trình thiêu kết (quá trình kết khối) là quá trình nung khối vật liệu
dƣới dạng bột đã đƣợc nén ép để tạo thành sản phẩm ở dạng vật liệu rắn chắc,
đặc. Kết khối là hiện tƣợng giảm bề mặt (bên trong hay bên ngoài hay ở chỗ
tiếp xúc với nhau) của các phân tử vật chất.
Nguyên nhân:
- Do sự xuất hiện hay phát triển mối liên kết giữa các hạt.
- Do sự xuất hiện của các lỗ xốp trong vật liệu để hình thành một khối
với thể tích nhỏ nhất.
- Hiện tƣợng giảm bề mặt xảy ra đồng thời với sự xuất hiện hay tăng
cƣờng các cầu nối giữa các hạt dƣới tác dụng của áp suất và nhiệt độ.
Cơ chế:
- Mạng lƣới tinh thể ở điều kiện cân bằng nhiệt động có chứa một

lƣợng khuyết tật nhất định.
- Nồng độ khuyết tật phụ thuộc vào nhiệt độ và đƣợc xác định theo
công thức:

C

e

12

U
kT

(1.13)


Trong đó:

C là nồng độ khuyết tật cân bằng
U là năng lƣợng của sự hình thành một lỗ trống
k là hằng số Bonzman
T là nhiệt độ tuyệt đối

Khi nhiệt độ thiêu kết tăng, tốc độ khuếch tán khuyết tật cũng tăng lên.
Quá trình kết khối giữa các pha rắn là do sự khuếch tán khuyết tật, các tiểu
phân trên bề mặt các hạt (khuếch tán bề mặt) và ngay trong lòng các hạt
(khuếch tán khối). Quá trình khuếch tán đó dẫn tới sự hòa tan lẫn nhau tại chỗ
tiếp xúc giữa các hạt để tạo thành dung dịch rắn, kết dính các hạt lại.
Các quá trình hóa lý xảy ra khi kết khối:
- Khuếch tán bề mặt trên bề mặt hạt và tại biên hạt

- Khuếch tán khối tại bề mặt hạt và tại biên hạt
- Khuếch tán ở bên trong hạt
Trong quá trình kết khối cũng xảy ra sự thay thế đồng hình các cation
trong mạng tinh thể của hạt, tạo pha lỏng ở các lớp biên tiếp xúc giữa các hạt.
Ngoài ra, cũng có thể xuất hiện quá trình bay hơi - ngƣng tụ, quá tình hòa tan
- kết tủa. Các quá trình này lấp đầy các khoảng trống hở, làm cho các hạt kết
dính lại với nhau, đồng thời cũng tạo khoảng trống kín. Tùy thuộc thời gian
và nhiệt độ, các khoảng trống kín giảm đi.
Song song với quá trình kết khối là hiện tƣợng tái kết tinh làm ổn định
dần cấu trúc tinh thể. Đƣợc chia làm 3 giai đoạn: tạo mầm, phát triển mầm,
hình thành các tinh thể hoàn hảo. Động lực của quá trình tái kết tinh là năng
lƣợng tự do của hệ. Quá trình tái kết tinh sẽ tăng mạnh khi có mặt chất tạo
mầm có cùng cấu trúc tinh thể. Khi đó các tinh thể lớn lên rất nhanh dẫn đến
ứng suất nội và làm giảm độ bền cơ học của mẫu. Sự có mặt của lỗ xốp hay
tạp chất ngăn cản sự lớn lên của tinh thể, thậm chí làm ngƣng quá trình lấp

13


đầy lỗ xốp. Nhƣ vậy, quá trình thiêu kết có ảnh hƣởng lớn đến tính chất hóa lý
và cơ học của sản phẩm gốm.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình kết khối và chất lƣợng của gốm:
- Thành phần hóa học của phối liệu: bản chất hóa học, tính đồng nhất, tỷ lệ
tạp chất...
- Trạng thái của nguyên liệu đầu: hình dạng, kích thƣớc...
- Điều kiện thiêu kết: nhiệt độ, thời gian, áp suất nén ép, khí quyển...
1.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu đặc trƣng vật liệu hydroxyapatit
1.4.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) [18]
Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của
vật liệu, cho phép xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lƣợng pha

tinh thể và kích thƣớc tinh thể với độ tin cậy cao. Từ giản đồ XRD có thể xác
định đƣợc kích thƣớc tinh thể qua độ rộng của vạch nhiễu xạ. Một cách định
tính các tinh thể với kích thƣớc lớn thì độ rộng vạch nhiễu xạ bé và ngƣợc lại.
Cũng có thể tính toán kích thƣớc hạt trung bình của tinh thể theo phƣơng
trình:
Dt .b

k
B.cos

(1.14)

Trong đó: Dt.b: kích thƣớc tinh thể
θ: góc nhiễu xạ
B: độ rộng vach đặc trƣng (radian), ở độ cao bằng nửa cƣờng độ
cực đại (tại vị trí góc 2θ = 25,88, đối với HA)
λ = 1,5406 A0 là bƣớc sóng của tia tới.
k: hằng số Scherrer phụ thuộc hình dạng hạt và chỉ số Miller của
vạch nhiễu xạ (đối với HA, k = 0,9).

14


Từ giản đồ XRD, độ tinh thể Ctt (%) đƣợc tính toán theo phƣơng pháp
phân giải pic, độ tinh thể của HA bột đƣợc xác định theo công thức:
Ctt

Y

X

X

.100(%)

(1.15)

Trong đó: Y là chiều cao của vạch đặc trƣng (với HA, thƣờng đƣợc chọn
vạch có chỉ số Miller 300)
X là chiều cao chân vạch tại vị trí thấp nhất giữa hai vạch có chỉ
số Miller 300 và 112

Hình 7: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA
Hàm lƣợng các pha Ca3(PO4)2 - TCP trong bột HA đƣợc đáng giá bằng
phƣơng pháp XRD, với góc quay 2θ = 24 - 380. Hàm lƣợng các pha có trong
bột đƣợc tính toán từ diện tích các vạch đặc trƣng cho mỗi pha theo công thức
[13,19]:
% HA

Trong đó:

Sa
.100%
Sa Sp

Sa là diện tích của vạch đặc trƣng cho tinh thể HA
Sp là diện tích của vạch đặc trƣng cho tinh thể TCP

15

(1.16)



Hình 8: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA
1.4.2. Phƣơng pháp hồng ngoại (FTIR)
Phổ hấp thụ hồng ngoại dùng trong xác định cấu trúc phân tử của chất
cần nghiên cứu, dựa vào vị trí và cƣờng độ các dải hấp thụ đặc trƣng của các
nhóm chức trong phân tử. Bột HA đƣợc đo phổ FTIR để xác định sự có mặt
của nhóm chức: CO32-, OH-, HPO42-, PO43-, H2O tự do và kết tinh. Việc xác
định các nhóm chức có mặt trong mẫu cùng với kết quả phân tích XRD sẽ cho
biết các thành phần có mặt trong mẫu [4].
1.4.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử
a) Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) [17]
Nguyên tắc: 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 đƣợc những thông tin
về hình ảnh bề mặt mẫu để tạo ảnh của mẫu nghiên cứu. Phƣơng pháp này
cho phép quan sát mẫu với độ phóng đại rất lớn, hàng nghìn đến hàng trăm
nghìn lần. Hình dạng và kích thƣớc hạt HA của lỗ xốp nằm trong HA xốp
đƣợc xác định từ ảnh hiển vi điện tử quét.

16


b) Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [4]
Nguyên tắc: Sử dụng chùm tia điện tử xuyên qua mẫu cần nghiên cứu.
Do đó, các mẫu này cần phải đủ mỏng để chùm điện tử có thể xuyên qua.
Phƣơng pháp này cho biết hình dạng, kích thƣớc và dạng tập hợp của mẫu.
1.4.4. Phƣơng pháp phân tích nhiệt [4]
a) Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA).
Từ giản đồ phân tích nhiệt DTA của mẫu có thể nhận biết:

- Các biến đổi liên quan đến hiệu ứng nhiệt, phản ứng hóa học (phản ứng
cháy hay phân hủy...)
- Quá trình chuyển pha (nóng chảy, kết tinh hay chuyển pha thù hình...)
- Xác định nhiệt lƣợng và vùng nhiệt độ diễn ra quá trình tỏa nhiệt hoặc
thu nhiệt.
b) Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng.
Từ giản đồ có thể nhận biết hàm lƣợng ẩm trong nguyên liệu ban đầu
và trong mẫu HA, xác định đƣợc hàm lƣợng CaCO3 nếu có, nhiệt độ phân hủy
của HA, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ phân hủy của các chất tạo xốp để đƣa ra
chế độ nung, thiêu kết phù hợp trong quá trình chế tạo HA xốp.
1.4.5. Phƣơng pháp hóa học xác định hàm lƣợng Ca2+ và PO43Xác định Ca2+ bằng phương pháp chuẩn độ EDTA
Nguyên tắc
Khi cho EDTA vào dung dịch nƣớc có chứa các ion Ca2+ và Mg2+,
trƣớc tiên EDTA sẽ tạo phức với Ca2+. Ca2+ có thể đƣợc xác định trực tiếp với
EDTA nếu pH đủ cao để kết tủa Mg2+ thành Mg(OH)2 và có chất chỉ thị thích
hợp chỉ phản ứng với Ca2+. Một số chất chỉ thị có sự thay đổi màu khi toàn bộ
Ca2+ tạo phức với EDTA ở pH 12 - 13.

17


Nhiều chất chỉ thị màu có thể đƣợc sử dụng để chuẩn độ canxi nhƣ
Eriochrome R xanh đen có sự chuyển màu từ đỏ sang xanh- tím, Chỉ thị
(etilenđinitrilo)tetraaxetat rất hữu dụng khi có mặt photphat. Trong đó,
murexit (ammonium purpurate) là chất chỉ thị đƣợc ƣu tiên hàng đầu để xác
định điểm cuối của quá trình chuẩn độ canxi. Chỉ thị murexit chuyển từ màu
hồng sang màu tím ở điểm cuối quá trình chuẩn độ.
Xác định photphat bằng phương pháp so màu với thuốc thử
vanadomolybdate
Nguyên tắc

Khi dung dịch nƣớc chứa orthophotphat loãng (PO43-) amoni molipdat
sẽ phản ứng với PO43- trong điều kiện môi trƣờng axit tạo thành một axit dị
đa, molipdophotphoric. Khi có mặt vanadi, axit dị đa này sẽ phản ứng và sinh
ra axit vanado - molipdophotphoric có màu vàng. Cƣờng độ của màu vàng tỉ
lệ thuận với nồng độ ion photphat.
1.4.6. Phƣơng pháp đánh giá tính tƣơng thích sinh học [3, 11, 20, 21]
Để đánh giá tính tƣơng thích sinh học của vật liệu HA, có thể dùng
phƣơng pháp cấy ghép trực tiếp lên động vật nhƣ thỏ, chó, chuột... Sau một
thời gian nhất định (khoảng 6 tháng) kết quả đƣợc đánh giá bằng cách trực
tiếp hoặc chụp trên X - quang [16].
Nếu vật liệu có tính tƣơng thích sinh học tốt, cơ thể động vật trong quá
trính cấy ghép sẽ:
- Không có phản ứng đào thải (không nhiễm khuẩn, phù nề).
- Các tổ chức xung quanh nhƣ: cơ, gân... không có biểu hiện lạ.
- Xung quanh miếng ghép không biến màu.
- Vật liệu cấy ghép phát triển và liên kết bình thƣờng với các mô mềm
cũng nhƣ xƣơng tự nhiên.

18


Thông thƣờng, trƣớc khi thử nghiệm trên động vật ta sử dụng phép thử
in-vitro để đánh giá sơ bộ tính tƣơng thích sinh học đối với vật liệu. Đây là
phép thử nhanh và đơn giản, nhằm thực hiện một quá trình hoặc một phản
ứng trong ống nghiệm, trong đĩa nuôi cấy ở bên ngoài cơ thể sống [6].
Dung dịch giả dịch thể ngƣời (SBF) có chứa nồng độ các ion vô cơ
tƣơng tự nhƣ nồng độ các ion đó trong huyết thanh ngƣời. Dung dịch này
đƣợc dùng để tái lập sự hình thành lớp apatit trong các thử nghiệm vật liệu
hoạt tính sinh học. Không những đƣợc dùng để thử hoạt tính sinh học của các
vật liệu nhân tạo, SBF còn đƣợc dùng để phủ apatit lên nhiều loại vật liệu

khác nhau trong các điều kiện phỏng sinh. Nồng độ các ion trong huyết tƣơng
của cơ thể ngƣời có thể thay đổi, mặt khác để khẳng định giới hạn tƣơng thích
của vật liệu, các phép thử thƣờng đƣợc bố trí với dung dịch SBF có nồng độ
thay đổi: SBF x1, SBF x5...[6]. Trong khóa luận này, dung dịch SBF x1 đƣợc
sử dụng để khảo sát tính tƣơng thích sinh học của gốm xốp HA.
Bảng 1: Nồng độ các ion trong dung dịch SBF x1 và huyết tương người
Ion

Dung dịch giả dịch thể ngƣời

Huyết tƣơng

Na+

142.0

142.0

K+

5.0

5.0

Mg2+

1.5

1.5


Ca2+

2.5

2.5

Cl-

152,7

103.0

HCO3-

4.2

27.0

HPO42-

1.0

1.0

SO42-

0.5

0.5


19