Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng vật liệu nanocomposit giữa hydroxyapatit và một số polyme tự nhiên

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:155

Thêm vào BST

Báo xấu

93
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nhằm mục tiêu nghiên cứu tổng hợp được các composit chứa HA với một số polysaccarit từ ngũ cốc và rong biển Việt Nam: HA/tinh bột, HA/tinh bột sắn; HA/maltodextrin với các DE khác nhau; HA/alginat và HA/oligoalginat. Luận án cũng xác định các đặc trưng và đưa ra được mối liên hệ giữa đặc trưng của composit HA/polyme và các thông số cấu trúc của polyme.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng vật liệu nanocomposit giữa hydroxyapatit và một số polyme tự nhiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HÓA HỌC  NGUYỄN THỊ LAN HƢƠNG NGHI£N CøU TæNG HîP Vµ §ÆC TR¦NG VËT LIÖU NanoCOMPOSIT GI÷A HYDROXYAPATIT Vµ MéT Sè POLYME Tù NHI£N Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 62.44.01.13 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Đào Quốc Hƣơng 2. PGS. TS. Phan Thị Ngọc Bích HÀ NỘI – 2015
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Đào Quốc Hương và PGS.TS. Phan Thị Ngọc Bích. Hầu hết các số liệu, kết quả trong luận án là nội dung từ các bài báo đã và sắp được xuất bản của tôi và các thành viên của tập thể khoa học. Các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, tháng 12 năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Lan Hƣơng
LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn tới hai người Thầy của tôi là PGS.TS. Đào Quốc Hương và PGS.TS. Phan Thị Ngọc Bích, những người Thầy đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành bản luận án. Các Thầy đã tận tình chỉ bảo tôi cả về lĩnh vực khoa học cũng như trong cuộc sống. Sự tận tâm dạy bảo của các Thầy đã giúp tôi ngày càng vững bước hơn trên con đường nghiên cứu khoa học mà mình đã lựa chọn. Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các cán bộ nghiên cứu thuộc Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Nhân dịp này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cô chú, anh chị em thuộc Phòng Vô cơ, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, những người đã luôn giúp đỡ, khích lệ, động viên và dành những tình cảm tốt đẹp cho tôi trong suốt thời gian làm luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban lãnh đạo Viện Hóa học, Phòng Quản lý Tổng hợp đã luôn quan tâm tới tiến độ công việc và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi học tập, nghiên cứu và làm việc. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Sư phạm Hóa – Sinh - Kỹ thuật Nông nghiệp, Ban Giám hiệu Trường Đại học Đồng Tháp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi về thời gian trong quá trình học tập nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn Chương trình Khoa học và Công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước “Nghiên cứu, ứng dụng và phát triển công nghệ sau thu hoạch” (KC.07/11-15) của Bộ Khoa học và Công nghệ đã hỗ trợ kinh phí thực hiện nghiên cứu này. Nhân dịp này, tôi muốn dành những tình cảm sâu sắc nhất, trân trọng nhất và xin kính tặng thành quả nhỏ bé mà tôi đạt được tới những người thân trong gia đình: Ba Mẹ - những người đã hết lòng nuôi dạy tôi khôn lớn, luôn động viên hỗ trợ tôi về mọi mặt, các anh chị em đã chia sẻ những khó khăn, thông cảm và giúp đỡ tôi. Cuối cùng tôi xin dành những tình cảm đặc biệt tới gia đình nhỏ thân yêu của tôi, đó là chồng và con gái tôi, những người đã luôn sẻ chia, giúp đỡ, cho tôi nghị lực và tinh thần để hoàn thành luận án, là nguồn động viên giúp tôi vượt qua mọi khó khăn và thử thách trong cuộc sống. Tác giả Nguyễn Thị Lan Hƣơng
MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN .........................................................................................4 1.1. Hydroxyapatit (HA - Ca10(PO4)6(OH)2) ...........................................................4 1.1.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng và phương pháp điều chế .........................4 1.1.2. Tính chất .......................................................................................................7 1.2. Polyme tự nhiên ..................................................................................................8 1.2.1. Tinh bột (TB) .................................................................................................9 1.2.2. Maltodextrin (MD) ......................................................................................14 1.2.3. Alginat (Alg) ...............................................................................................16 1.3. Vật liệu composit HA/polyme .........................................................................20 1.3.1. Sự tạo thành vật liệu composit HA/polyme.................................................20 1.3.2. Các phương pháp tổng hợp composit HA/polyme ......................................24 1.3.3. Đặc trưng của vật liệu composit HA/polyme ..............................................30 1.3.4. Ứng dụng của composit HA/polyme ...........................................................34 Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......38 2.1. Hóa chất và các nguyên liệu đầu.....................................................................38 2.2. Tổng hợp HA ở vùng nhiệt độ thấp ................................................................42 2.3. Nghiên cứu tổng hợp các composit HA/polyme ............................................43 2.3.1. Composit HA/tinh bột (HA/TB) ..................................................................43 2.3.2. Composit HA/tinh bột sắn (HA/TBS) ..........................................................45 2.3.3. Composit HA/maltodextrin (HA/MD) với các DE khác nhau ....................45 2.3.4. Composit HA/alginat (HA/alg) và HA/oligoalginat (HA/olig) ...................46 2.4. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng ............................................................46 2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................46 2.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) .......................................................47 2.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ...................................................47 2.4.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .........................................48 2.4.5. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA-DTA) .................................................48 2.4.6. Phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) ....................................49
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................50 3.1. Tổng hợp HA bằng phƣơng pháp kết tủa ở vùng nhiệt độ thấp .................50 3.1.1. Đặc trưng XRD ...........................................................................................50 3.1.2. Đặc trưng SEM ...........................................................................................51 3.1.3. Đặc trưng FT-IR .........................................................................................53 3.1.4. Đặc trưng nhiệt ...........................................................................................54 3.2. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/tinh bột (HA/TB) ..................................55 3.2.1. Phương pháp trộn HA bột ..........................................................................55 3.2.2. Phương pháp trộn HA huyền phù ...............................................................59 3.2.3. Phương pháp kết tủa trực tiếp ....................................................................71 3.2.4. So sánh hai phương pháp tổng hợp vật liệu composit HA/tinh bột (HA/TB) ....88 3.3. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/tinh bột sắn (HA/TBS) .........................90 3.3.1. Đặc trưng XRD ...........................................................................................90 3.3.2. Đặc trưng SEM và TEM .............................................................................91 3.3.3. Đặc trưng FT-IR .........................................................................................93 3.3.4. Đặc trưng nhiệt ...........................................................................................94 3.4. Nghiên cứu tổng hợp các composit HA/maltodextrin (HA/MD) với DE khác nhau .................................................................................................................95 3.4.1. Nghiên cứu tổng hợp các composit HA/MD với DE 12, 16, 20 và 25........95 3.4.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ thành phần đến các đặc trưng của composit HA/MD với DE 12...............................................................................................................99 3.4.3. So sánh các composit HA/MD với DE khác nhau ....................................105 3.5. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/alginat (HA/alg) và HA/oligoalginat (HA/olig) .................................................................................................................106 3.5.1. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/alginat (HA/alg) ...............................106 3.5.2. Đặc trưng các oligome của alginat ..........................................................113 3.5.3. Nghiên cứu tổng hợp composit HA/olig ...................................................117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Viết tắt CaP: Canxi photphat DE: Đương lượng đường khử - Destrose Equivalent DP: Độ polyme hóa - Degree of Polymerization DTA: Phân tích nhiệt vi sai - Differential Thermal Analysis FT-IR: Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier - Fourier Transform Infrared Spectroscopy GPC: Sắc ký thẩm thấu gel - Gel Permeation Chromatography HA: Hydroxyapatit - Ca10(PO4)6(OH)2 PDI: Độ phân tán khối lượng phân tử - Polydispersity Index SEM: Hiển vi điện tử quét - Scanning Electron Microscopy TEM: Hiển vi điện tử truyền qua - Transmission Electron Microscopy TGA: Phân tích nhiệt trọng lượng -Thermal Gravimetric Analysis XRD: Nhiễu xạ tia X - X-Ray Diffraction 2. Kí hiệu alg: alginat D: Kích thước tinh thể trung bình của HA tính theo công thức Scherrer G: -L-guluronic M: -D-mannuronic MD: Maltodextrin Mw: Khối lượng phân tử trung bình olig: oligoalginat PVA: Poly(vinyl alcohol) PAA: Polyacrylic axit PCL: Poly (-caprolacton) TB: Tinh bột TBS: Tinh bột sắn XC: Độ tinh thể của HA
DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1. Tính chất của amylozơ, amylopectin ..................................................11 Bảng 2.1. Các hóa chất và nguyên liệu đầu sử dụng trong luận án .....................38 Bảng 2.2. Đương lượng đường khử (DE) của các polysaccarit...........................40 Bảng 3.1. Kích thước tinh thể trung bình và độ tinh thể của HA tổng hợp ở vùng nhiệt độ thấp ...............................................................................51 Bảng 3.2. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA ở mẫu HA và HT ........56 Bảng 3.3. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong các mẫu composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp trộn huyền phù ...........60 Bảng 3.4. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong composit HA/TB tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau .........................................65 Bảng 3.5. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong mẫu HN và HE ..66 Bảng 3.6. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong composit HA/TB có và không có tác động của sóng siêu âm ............................68 Bảng 3.7. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong composit HA/TB được sấy nhiệt và đông khô ....................................................69 Bảng 3.8. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong các mẫu composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp kết tủa trực tiếp ..........72 Bảng 3.9. Số sóng của các nhóm chức trong HA, TB và các composit HA/TB .................................................................................................76 Bảng 3.10. Kích thước trung bình và độ tinh thể của các mẫu composit tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau ..............................................................79 Bảng 3.11. Kích thước trung bình và độ tinh thể của các mẫu composit với tốc độ cấp axit khác nhau ..........................................................................82 Bảng 3.12. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA của các mẫu composit HA/TB có và không có sóng siêu âm ..................................85 Bảng 3.13. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong mẫu HD1 và HD2 ...87 Bảng 3.14. Kích thước và độ tinh thể của HA tổng hợp theo các phương pháp khác nhau .............................................................................................88
Bảng 3.15. Kích thước và độ tinh thể của HA trong các mẫu composit HA/TBS ...............................................................................................91 Bảng 3.16. Kích thước và độ tinh thể của các composit HM12, HM16, HM20 và HM25 ..............................................................................................96 Bảng 3.17. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong các composit HA/MD ..............................................................................................100 Bảng 3.18. Số sóng đặc trưng của các nhóm chức trong HA, MD và các composit HA/MD ..............................................................................101 Bảng 3.19. Kích thước trung bình và độ tinh thể của HA trong các composit HA/alg ...............................................................................................108 Bảng 3.20. Kết quả phân tích phổ 1H-NMR của alginat .....................................116
DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1. Các dạng hình thái học của tinh thể HA ...............................................7 Hình 1.2. Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA ................................................8 Hình 1.3. Cấu trúc phân tử amylozơ (a), amylopectin (b) ..................................10 Hình 1.4. Ảnh hiển vi quang học của hạt tinh bột ngô ở các nhiệt độ khác nhau trong quá trình hồ hóa [88] .......................................................13 Hình 1.5. Đặc trưng cấu trúc của alginat: a) Các monome của alginat; b) Cấu trúc chuỗi, cấu dạng ghế; c) Các kiểu phân bố các khối trong mạch alginat ........................................................................................16 Hình 1.6. Mô hình liên kết giữa ion Ca2+ và alginat a) Mô hình tạo hạt gel canxi alginat; b) Liên kết của block G với ion canxi ..........................18 Hình 1.7. Sự tạo mầm của HA trên chất nền polyme. (a) Các nhóm chức trên phân tử polyme là các vị trí tạo mầm cho tinh thể HA, (b) Sự tạo mầm và phát triển tinh thể HA trên các polyme được gắn đế trên đế Au ....................................................................................................22 Hình 1.8. Cấu trúc hóa học của (a) mô hình “hộp trứng” của canxi alginat, (b) mô hình “hộp trứng” với các ion tiền chất cho sự tạo mầm HA và (c) cấu trúc “hộp trứng” khoáng hóa và (d) sợi nano composit HA/alginat tổng hợp trực tiếp ...............................................................23 Hình 1.9. Sơ đồ mô tả các hạt HA bị “mắc kẹt” vật lí trong chất nền collagen (a). Theo ảnh SEM, HA kết tập trong chất nền collagen tổng hợp bằng phương pháp trộn (b) ..................................................25 Hình 1.10. Sơ đồ thí nghiệm (a) và cơ chế (b) của quá trình EPD điều chế lớp phủ composit GO-HY-HA trên chất nền Ti .........................................27 Hình 1.11. Sơ đồ chế tạo màng sợi composit HA/gelatin theo phương pháp điện xoay tròn .....................................................................................28 Hình 1.12. Sự chuyển pha từ brushit sang HA theo thời gian ..............................31 Hình 1.13. Giản đồ DT-TGA của các vật liệu composit HA/chitosan với hàm lượng khác nhau ..................................................................................32 Hình 1.14. Các dạng hình thái học của composit: hạt micro (a), nano (b), khung xốp (c), sợi (d), giàn khung (e), màng đa lớp (f) ......................33
Hình 2.1. Quy trình điều chế oligome từ alginat [118, 119] ..............................40 Hình 2.2. Phương pháp tổng hợp HA từ Ca(OH)2 và H3PO4 ............................42 Hình 2.3. Sơ đồ phương pháp thực nghiệm tổng hợp composit HA/TB theo phương pháp trộn huyền phù ..............................................................43 Hình 2.4. Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp composit HA/TB theo phương pháp kết tủa trực tiếp .............................................................44 Hình 3.1. Giản đồ XRD của các mẫu HA tổng hợp ở -15, -10 và 0oC................50 Hình 3.2. Ảnh SEM của các mẫu HA tổng hợp ở vùng nhiệt độ thấp .................52 Hình 3.3. Phổ FT-IR của mẫu HA tổng hợp ở 0oC ................................................53 Hình 3.4. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu HA tổng hợp ở 0oC ........................54 Hình 3.5. Giản đồ XRD của HA, tinh bột (TB) và composit HA/TB (HT) ..........55 Hình 3.6. Ảnh SEM của các mẫu TB1, TB2, HA và HT ......................................56 Hình 3.7. Phổ FT-IR của HA, TB và composit HA/TB (HT) ...............................57 Hình 3.8. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu TB ..................................................58 Hình 3.9. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu HT ..................................................58 Hình 3.10. Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp trộn huyền phù .............................................................................60 Hình 3.11. Phổ FT-IR của HA, tinh bột và các composit tổng hợp bằng phương pháp trộn huyền phù ..............................................................61 Hình 3.12. Ảnh SEM của các composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp trộn huyền phù .....................................................................................62 Hình 3.13. Ảnh TEM của các composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp trộn huyền phù .............................................................................................63 Hình 3.14. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu HT50 ..............................................64 Hình 3.15. Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/TB tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau .......................................................................................64 Hình 3.16. Ảnh SEM của các composit HA/TB tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau ....65 Hình 3.17. Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/TB tổng hợp ở dung môi nước và etanol .....................................................................................66 Hình 3.18. Ảnh SEM của các composit HA/TB tổng hợp ở dung môi nước và etanol ..............................................................................................67 Hình 3.19. Giản đồ XRD của các mẫu HF và HF2 ..............................................67
Hình 3.20. Ảnh SEM của các mẫu composit HF1 và HF2 ...................................68 Hình 3.21. Giản đồ XRD của mẫu sấy nhiệt (HC1) và đông khô (HC2) ..............69 Hình 3.22. Ảnh SEM của mẫu sấy nhiệt (HC1) và đông khô (HC2).....................70 Hình 3.23. Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp kết tủa trực tiếp ..........................................................................71 Hình 3.24. Ảnh SEM của các mẫu composit HA/TB với tỉ lệ thành phần khác nhau ..................................................................................... 73 Hình 3.25. Ảnh TEM của các mẫu composit HA/TB với tỉ lệ thành phần khác nhau ............................................................................................74 Hình 3.26. Phổ FT-IR của các composit HA/TB tổng hợp theo phương pháp kết tủa trực tiếp....................................................................................75 Hình 3.27. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu HT-5 ...............................................77 Hình 3.28. Giản đồ XRD của các mẫu composit tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau ............................................................................................78 Hình 3.29. Ảnh SEM của các composit tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau ........79 Hình 3.30. Giản đồ XRD của các mẫu composit với tốc độ cấp axit khác nhau ..81 Hình 3.31. Ảnh SEM của các mẫu composit HA/TB với tốc độ cấp axit khác nhau ............................................................................................82 Hình 3.32. Giản đồ XRD của các mẫu HA/TB tổng hợp ở các dung môi khác nhau ............................................................................................83 Hình 3.33. Ảnh SEM của các composit tổng hợp ở các dung môi khác nhau .....84 Hình 3.34. Giản đồ XRD của composit HP1 và HP2 ...........................................85 Hình 3.35. Ảnh SEM của mẫu HP1 và HP2..........................................................86 Hình 3.36. Giản đồ XRD của mẫu HD1 và HD2 ..................................................86 Hình 3.37. Ảnh SEM của mẫu HD1 và HD2 .........................................................87 Hình 3.38. Mô hình liên kết hydro giữa HA và tinh bột........................................89 Hình 3.39. Sơ đồ sự hình thành HA trên chất nền tinh bột theo phương pháp kết tủa trực tiếp....................................................................................89 Hình 3.40. Giản đồ XRD của các composit HA/TBS ............................................90 Hình 3.41. Ảnh SEM của các composit HA/TBS ...................................................91 Hình 3.42. Ảnh TEM của các composit HA/TBS ..................................................92 Hình 3.43. Phổ FT-IR của TBS (a), HA (b) và composit HS50 (c) .......................93
Hình 3.44. Giản đồ DTA-TGA của mẫu composit HS50 ......................................94 Hình 3.45. Giản đồ XRD của các composit HA/MD với DE khác nhau ...............95 Hình 3.46. Ảnh SEM của các composit HM12, HM16, HM20 và HM25 .............97 Hình 3.47. Ảnh TEM của MD và các composit HA/MD với DE khác nhau .........98 Hình 3.48. Giản đồ XRD của các mẫu composit HA/MD .....................................99 Hình 3.49. Phổ FT-IR của các mẫu composit HA/MD với tỉ lệ thành phần khác nhau ..........................................................................................101 Hình 3.50. Ảnh SEM của các mẫu composit HA/MD với tỉ lệ thành phần khác nhau ................................................................................ 102 Hình 3.51. Ảnh TEM của các composit HA/MD .................................................103 Hình 3.52. Giản đồ DTA-TGA của mẫu HM-55 .................................................104 Hình 3.53. Giản đồ XRD của các composit HA/alg ............................................107 Hình 3.54. Ảnh SEM của các composit HA/alg ..................................................109 Hình 3.55. Ảnh TEM của mẫu HG5 và mẫu HG1 ..............................................110 Hình 3.56. Phổ FT-IR của alg và các composit HA/alg .....................................111 Hình 3.57. Giản đồ phân tích nhiệt của alginat ..................................................112 Hình 3.58. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu composit HG5 ..............................112 Hình 3.59. Giản đồ XRD của alginat và các oligoalginat ..................................114 Hình 3.60. Phổ FT-IR của alginat và các oligoalginat .......................................114 Hình 3.61. Cấu trúc chuỗi mạch alginat .............................................................115 Hình 3.62. Phổ 1H-NMR của mẫu alginat ..........................................................115 Hình 3.63. Phổ 1H-NMR của oligoalginat A2 .....................................................116 Hình 3.64. Phổ 1H-NMR của oligoalginat A2 .....................................................117 Hình 3.65. Giản đồ XRD của các mẫu HA/olig ..................................................118 Hình 3.66. Phổ FT-IR của các mẫu HA/oligoalginat .........................................118 Hình 3.67. Ảnh SEM của các mẫu HA/oligoalginat ...........................................119 Hình 3.68. Ảnh TEM của các mẫu HA/oligoalginat ...........................................120
MỞ ĐẦU Hydroxyapatit (HA) là thành phần chính trong chất khoáng sinh học của xương, răng và các mô cứng của động vật có xương sống. Chất khoáng sinh học chiếm 65-70% khối lượng của xương, nước chiếm khoảng 5-8% và phần còn lại là pha hữu cơ, mà chủ yếu là collagen. Collagen đóng vai trò là chất nền cho sự lắng đọng và tăng trưởng của pha tinh thể HA. Trong nhiều thập kỷ qua, việc nghiên cứu tổng hợp HA đã được các nhà khoa học vật liệu quan tâm do tính tương thích sinh học cao, gần gũi với các polyme sinh học và có khả năng tạo xương tốt. Hiện nay, HA là vật liệu được lựa chọn cho các ứng dụng y sinh khác nhau, ví dụ: thay thế cho xương và các khuyết tật nha chu, cấy ghép tai giữa, hệ thống kỹ thuật mô, tác nhân truyền dẫn thuốc, điều trị bệnh loãng xương, vật liệu nha khoa và lớp phủ hoạt tính sinh học lên miếng cấy ghép xương bằng kim loại... Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, vật liệu HA kích thước nanomet có tính tương thích, tái hấp thu và hoạt tính sinh học cao hơn nhiều so với vật liệu có kích thước micromet. Ở kích thước siêu mịn, các hạt nano HA có hoạt tính bề mặt cao do đó nhanh chóng giải phóng các ion canxi tương tự như apatit sinh học. Vì vậy, trong những năm gần đây, gốm sinh học và composit sinh học chứa HA kích thước nanomet rất được quan tâm nghiên cứu. Một xu hướng mới hiện nay là chế tạo các nanocomposit mô phỏng sinh học, vật liệu lai vô cơ-hữu cơ với chất điền vào là HA và chất nền là các polyme. Trong các vật liệu nanocomposit HA/polyme, polyme đóng vai trò là chất nền cung cấp các vị trí tạo mầm, điều chỉnh sự phát triển và hình thái học của tinh thể nano HA. Sự hình thành liên kết hóa học giữa HA và polyme, như liên kết hydro, lực Van der Waals, hoặc phức chất cacboxyl-Ca-cacboxyl,… cho phép phân tán đồng đều HA trong pha hữu cơ. Các polyme tổng hợp như poly(L-lactic), poly(vinyl alcohol), poly(- caprolacton)… đã được sử dụng. Tuy nhiên, polyme tự nhiên thường được ưa chuộng hơn do chúng tương thích, không độc, gần gũi với hệ sinh học. Chúng có 1
thể là các protein như: collagen, gelatin,… hoặc các polysaccarit như: chitosan, tinh bột, alginat, dextran, chondroitin sunfat và các dẫn xuất. Ở nước ta, từ năm 2005, đã có những công bố bước đầu nghiên cứu tổng hợp HA đơn chất dạng bột, xốp, màng định hướng ứng dụng trong dược học và y sinh học. Riêng vật liệu composit HA/polyme mới chỉ có một số ít nghiên cứu chế tạo composit chứa HA với chitosan, collagen, PLA... Mặt khác, là một nước nhiệt đới, chúng ta có nguồn tinh bột từ ngũ cốc và alginat từ rong biển rất phong phú. Để tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước và góp phần tạo ra một loại vật liệu có nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng trong dược học và y sinh học, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng vật liệu nanocomposit giữa hydroxyapatit và một số polyme tự nhiên”.  Mục tiêu của luận án Nghiên cứu tổng hợp được các composit chứa HA với một số polysaccarit từ ngũ cốc và rong biển Việt Nam: - HA/tinh bột, HA/tinh bột sắn; - HA/maltodextrin với các DE khác nhau; - HA/alginat và HA/oligoalginat. Xác định các đặc trưng và đưa ra được mối liên hệ giữa đặc trưng của composit HA/polyme và các thông số cấu trúc của polyme.  Nội dung của luận án Để hoàn thành các mục tiêu đề ra, luận án bao gồm các nội dung nghiên cứu sau: 1. Tổng hợp HA ở vùng nhiệt độ thấp (-15, -10, 0oC), nhằm làm giảm kích thước, độ tinh thể của HA và để so sánh với pha HA trong các vật liệu composit HA/polyme. 2. Nghiên cứu chế tạo composit HA/tinh bột bằng hai phương pháp: phương pháp trộn và phương pháp kết tủa trực tiếp. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của sản phẩm như tỉ lệ thành phần, nhiệt độ, dung môi, tốc độ cấp axit, sóng siêu âm, kỹ thuật làm khô. Từ đó, lựa chọn phương pháp và điều kiện thích hợp để tổng hợp các composit tiếp theo. 3. Tổng hợp các composit HA/tinh bột sắn, HA/maltodextrin với DE khác 2
nhau bằng phương pháp đã lựa chọn. Khảo sát ảnh hưởng của giá trị DE đến đặc trưng của các composit. 4. Điều chế oligome của alginat, tổng hợp và khảo sát các đặc trưng của composit HA/alginat, HA/oligoalginat. 3
Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Hydroxyapatit (HA - Ca10(PO4)6(OH)2) 1.1.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng và phương pháp điều chế Các muối canxi photphat (CaP) là thành phần khoáng trong xương và răng của động vật có xương sống [1-4]. Xương và các mô cứng khác có thể được xem là vật liệu composit tự nhiên gồm chất khoáng sinh học gắn trong chất nền polyme, các chất hữu cơ khác và nước [1, 3]. Pha khoáng sinh học là một hoặc nhiều loại muối CaP, chiếm 65-70% khối lượng của xương, nước chiếm khoảng 5-8% và phần còn lại là pha hữu cơ, mà chủ yếu là collagen [1-3, 5]. Collagen đóng vai trò là chất nền cho sự lắng đọng và tăng trưởng của các chất khoáng [1, 3, 6, 7]. Trong số các muối CaP, hydroxyapatit (HA) với công thức Ca10(PO4)6(OH)2 là thành phần chủ yếu của pha khoáng sinh học [2, 3]. Trong nhiều thập kỷ qua, việc nghiên cứu tổng hợp HA đã được các nhà khoa học vật liệu quan tâm do tính tương thích sinh học tuyệt vời [8, 9], gần gũi với các polyme sinh học [10, 11] và có khả năng dẫn xương tốt [12, 13]. HA đã được chứng minh là có thể thúc đẩy sự phát triển của xương mới thông qua cơ chế dẫn xương mà không gây ra độc tính cục bộ hoặc toàn thân, viêm hoặc dị ứng [12, 14-16]. Khi cấy ghép vật liệu gốm chứa HA vào cơ thể, một lớp mô mới được hình thành trên bề mặt của nó và góp phần vào sự liên kết của các mô cấy vào xương, dẫn đến định hình vượt trội mô cấy đến các mô xung quanh [14-17]. Hơn nữa, một số nghiên cứu cho thấy HA hoặc các muối CaP có thể được khai thác như một hợp chất mô hình để nghiên cứu quá trình khoáng hóa sinh học trong cơ thể con người [6, 7, 18-22]. Các nghiên cứu gần đây cũng đã chỉ ra rằng, các hạt HA ức chế sự phát triển của nhiều loại tế bào ung thư [23, 24]. Hiện nay, HA là vật liệu được lựa chọn cho các ứng dụng y sinh học khác nhau, ví dụ: thay thế cho xương và các khuyết tật nha chu [25, 26], ổ răng [27], cấy ghép tai giữa [28], hệ thống kỹ thuật mô [29], tác nhân truyền dẫn thuốc [30], điều trị bệnh loãng xương [31], vật liệu nha khoa và lớp phủ hoạt tính sinh học lên miếng cấy ghép xương bằng kim loại [32]. Ngoài lĩnh vực dược học và y sinh học, HA và các muối CaP ngày càng được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác. Ví dụ: chất xúc tác 4
cho các phản ứng cộng hợp kiểu Michael và oxy hóa metan [33, 34], nguyên liệu phát laser [35], vật liệu huỳnh quang [36], dây dẫn ion và cảm biến khí [37]. HA tổng hợp cũng có thể được sử dụng trong phương pháp sắc ký cột để tách phân đoạn đơn giản và nhanh chóng các protein và axit nucleic [38, 39]. Hơn nữa, HA còn là vật liệu có giá trị cho quá trình xử lý nước và hấp phụ kim loại nặng trong đất [40]. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vật liệu HA kích thước nanomet có tính tương thích, tái hấp thu sinh học và hoạt tính sinh học cao hơn nhiều so với vật liệu có kích thước micro [41, 42]. Bởi vì ở kích thước siêu mịn, các hạt nano HA có hoạt tính bề mặt cao, do đó nhanh chóng giải phóng các ion canxi tương tự như apatit sinh học. Ngoài ra, phản ứng khử khoáng ở men răng và xương có thể bị ức chế khi kích thước hạt đạt đến mức nanomet, vì thế ngăn ngừa bệnh sâu răng và loãng xương [43]. Một số nghiên cứu cũng cho thấy, nano HA có khả năng giảm đáng kể tế bào chết do tự hủy hoại nên cải thiện sự tăng sinh tế bào và hoạt tính tế bào liên quan đến sự phát triển xương [44]. Vì vậy, trong những năm gần đây, gốm sinh học và composit sinh học chứa HA kích thước nanomet được xem là các vật liệu hứa hẹn nhất cho một loạt các ứng dụng y sinh học [46-48]. Để phản ánh sự quan tâm ngày càng tăng trong việc nghiên cứu chế tạo vật liệu HA, M. Sadat-Shojai đã tìm kiếm các nghiên cứu trong cơ sở dữ liệu Scopus, kết quả cho thấy số lượng các ấn phẩm về các dạng vật liệu chứa HA tăng lên gấp ba lần từ năm 1999 đến 2011 [49]. Tuy vậy, việc điều chế HA với các đặc trưng xác định vẫn là một thách thức thú vị. Cụ thể là tìm ra một phương pháp mới có thể kiểm soát chính xác cấu trúc tinh thể, thành phần hóa học, độ tinh thể hóa, sự phân bố kích thước, trạng thái kết tập vẫn là động lực chính cho các nhà nghiên cứu vật liệu chứa HA hiện nay trên thế giới [17, 48]. Đã có rất nhiều phương pháp tổng hợp HA được phát triển. Nhìn chung, có thể phân loại thành năm nhóm phương pháp: phương pháp khô bao gồm phản ứng pha rắn và hóa cơ; phương pháp ướt gồm kết tủa, sol-gel, nhũ tương, siêu âm, thủy nhiệt; quá trình nhiệt độ cao gồm phân hủy và thiêu kết; tổng hợp từ các nguồn gen sinh học và nhóm thứ năm kết hợp nhiều phương pháp. Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, có thể lựa chọn phương pháp điều chế phù hợp. Để tổng hợp HA dạng bột, các phương pháp ướt thường được sử dụng, bởi 5
ưu điểm của nó là có thể điều chỉnh được kích thước của hạt theo mong muốn. Trong đó, phương pháp kết tủa hóa học được sử dụng nhiều nhất, chiếm đến 25% trong tổng số các nghiên cứu từ năm 1999 đến 2011 [49]. Có nhiều quy trình khác nhau để kết tủa HA từ các ion Ca2+ và PO43-, có thể phân ra thành hai cách chính: Thứ nhất là kết tủa từ các muối chứa ion Ca2+ và PO43- dễ tan trong nước, các muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4… Phản ứng diễn ra theo phương trình (1.1) được coi là phương pháp cơ bản để tổng hợp HA [50]: 10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH  Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O (1.1) Thứ hai là 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 tạo thành HA trong môi trường kiềm [51]. Ví dụ: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O (1.2) Ở nước ta, việc nghiên cứu tổng hợp các hợp chất vô cơ có khả năng ứng dụng làm vật liệu sinh học nói chung và vật liệu HA nói riêng còn nhiều hạn chế. Năm 2005, lần đầu tiên nhóm nghiên cứu của Đỗ Ngọc Liên tại 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 [52]. 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 [53]. Từ năm 2005 đến nay, Viện Hoá Học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã công bố các kết quả nghiên cứu chế tạo HA bột kích thước nanomet bằng phương pháp hoá học từ Ca(OH)2 và Ca(NO3)2 [54, 55]. Các nghiên cứu đã được ứng dụng vào sản xuất bột HA làm nguyên liệu cho một số thực phẩm chức năng bổ sung canxi như Fecafovit, Caotot, Growbust, Viên dưỡng khớp…Vũ Duy Hiển [56] đã nghiên cứu chế tạo HA xốp 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. Riêng về vật liệu composit HA/polyme, một số nghiên cứu chế tạo đã được công bố trong những năm gần đây. Bằng phương pháp đồng kết tủa từng bước, Lê Anh Tuấn và các cộng sự đã tổng hợp được các composit HA/collagen với tỉ lệ 6
thành phần khác nhau và khảo sát các đặc trưng của chúng [57]. Đinh Thị Mai Thanh và các cộng sự [58] đã nghiên cứu chế tạo nanocomposit HA/PLA dạng xốp ứng dụng làm vật liệu cấy ghép xương trong phẫu thuật chỉnh hình. Bằng phương pháp trộn nóng chảy kết hợp với sử dụng chất tương hợp polyetylen oxit (PEO) và chất tạo xốp NaCl đã chế tạo được nanocomposit có tính chất cơ lý tương tự như xương. Các thử nghiệm in vitro của nanocomposit HA/PLA trong dung dịch giả dịch thể người (Simulated Body Fluids-SBF) đã được thực hiện. Nguyễn Kim Ngà và cộng sự [59] cũng đã thực hiện chế tạo vật liệu composit HA/PLA theo phương pháp mô phỏng sinh học. Kích thước và sự phân bố lỗ xốp của vật liệu khung xốp tương tự như cấu trúc xương tự nhiên, đồng thời sự kết dính và tăng sinh tế bào là khá tốt. 1.1.2. Tính chất HA tinh thể có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp [60]. HA có nhiệt độ nóng chảy 1760oC và nhiệt độ sôi 2850oC, độ tan trong nước 0,7 g/l, khối lượng mol phân tử 1004,60 g, khối lượng riêng là 3,156 g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5. Hình thái học của tinh thể HA có rất nhiều dạng: từ hình cầu, hình sợi, hình que đến hình phiến, tùy thuộc vào phương pháp điều chế (Hình 1.1). Hình 1.1. Các dạng hình thái học của tinh thể HA [50] Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- được sắp xếp như Hình 1.2. Ô mạng ở hệ tinh thể lục phương, thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a = 0,9423 nm và c = 0,6875 nm, α = β = 900 và γ = 7
1200 [61]. Đây là cấu trúc thường gặp của HA tổng hợp, HA trong thành phần của xương và ngà răng [62, 63]. Hình 1.2. Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA 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 (1.3) HA tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800oC đến 1200oC tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng: Ca10(PO4)6(OH)2  Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0  x  1) (1.4) Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, 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 (1.5) Ca10(PO4)6(OH)2  3β – Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (1.6) 1.2. Polyme tự nhiên Polyme là những hợp chất cao phân tử, cấu tạo từ các đơn vị mắt xích cơ sở lặp đi lặp lại nhiều lần. Xuất phát từ nguồn gốc, có thể phân chia các hợp chất polyme thành: polyme tự nhiên và polyme tổng hợp. Polyme tự nhiên hay polyme sinh học có ba nhóm chính là protein, axit nucleic và polysaccarit. Chúng là những đại phân tử sinh học quan trọng nhất trong khoa học sự sống. Ngày nay, polyme tự nhiên được ứng dụng nhiều trong dược phẩm và y sinh học do chúng sẵn có, rẻ, không độc, một số còn có khả năng phân hủy sinh học và tương thích sinh học [64, 65]. Polysaccarit là nhóm polyme sinh học phong phú nhất trong tự nhiên, được cấu tạo bởi nhiều đơn vị monosaccarit nối với nhau bởi liên kết glicozit. Trong phân tử, polysaccarit có nhiều nhóm ưa nước có thể liên kết với các mô tạo nên sự kết 8