Tổng hợp và đặc trưng màng hydroxyapatit pha tạp đồng trên nền thép không gỉ 316L

Chia sẻ: Vixyliton Vixyliton | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

0
1
lượt xem
0
download

Tổng hợp và đặc trưng màng hydroxyapatit pha tạp đồng trên nền thép không gỉ 316L

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Màng hydroxyapatit pha tạp đồng (CuHAp) được tổng hợp bằng phương pháp trao đổi ion giữa màng hydroxyapatit (HAp) với dung dịch Cu(NO3)2. Những yếu tố nồng độ ion Cu2+ và thời gian ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion đã được khảo sát.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tổng hợp và đặc trưng màng hydroxyapatit pha tạp đồng trên nền thép không gỉ 316L

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE<br /> Natural Sci. 2017, Vol. 62, No. 3, pp. 51-59<br /> This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn<br /> <br /> DOI: 10.18173/2354-1059.2017-0007<br /> <br /> TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG MÀNG HYDROXYAPATIT PHA TẠP ĐỒNG<br /> TRÊN NỀN THÉP KHÔNG GỈ 316L<br /> <br /> Võ Thị Hạnh1, Phạm Thị Năm2 và Đinh Thị Mai Thanh3<br /> 1<br /> <br /> Khoa Khoa học Cơ bản, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất<br /> Viện Kĩ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam<br /> 3<br /> Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam<br /> 2<br /> <br /> Tóm tắt. Màng hydroxyapatit pha tạp đồng (CuHAp) được tổng hợp bằng phương pháp trao<br /> đổi ion giữa màng hydroxyapatit (HAp) với dung dịch Cu(NO3)2. Những yếu tố nồng độ ion<br /> Cu2+ và thời gian ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion đã được khảo sát. Kết quả cho thấy ion<br /> Cu2+ đã thay thế ion Ca2+ trong cấu trúc của HAp để tạo màng CuHAp có tỉ lệ nguyên tử<br /> Cu/Ca = 0,0124, tỉ lệ (Cu+Ca)/P = 1,571. Kết quả phân tích hình thái học, cấu trúc pha và<br /> thành phần pha cho thấy màng CuHAp có cấu trúc tinh thể, đơn pha và sự có mặt của Cu2+ đã<br /> làm thay đổi hình thái học và làm giảm kích thước của CuHAp so với HAp. Ngoài ra kết quả<br /> nghiên cứu cũng cho thấy động học quá trình trao đổi ion tuân theo phản ứng giả bậc hai với<br /> dung lượng trao đổi ion ở trạng thái cân bằng 11,99 mg Cu 2+/g HAp và hằng số tốc độ phản<br /> ứng là 3,57 × 10-2 g/mg.phút. Màng CuHAp có khả năng kháng khuẩn đối với chủng khuẩn<br /> P.aerugimosa với bán kính vòng ức chế đạt 3 mm.<br /> Từ khóa: Thép không gỉ 316L, màng hydroxyapatite pha tạp đồng (CuHAp), trao đổi ion.<br /> <br /> 1. Mở đầu<br /> Hydroxyapatite (HAp) là thành phần chính trong xương tự nhiên, HAp chiếm khoảng<br /> 25 - 75% theo trọng lượng và 35 - 65% theo thể tích [1]. HAp tổng hợp có thành tỉ lệ Ca/P = 1,67,<br /> tương tự như trong xương tự nhiên, có khả năng tương thích sinh học tốt nên được nghiên cứu<br /> rộng rãi và ứng dụng trong lĩnh vực y sinh [2, 3]. Màng HAp được phủ lên bề mặt kim loại và hợp<br /> kim như Ti, thép không gỉ 316L… đề làm vật liệu cấy ghép xương [4, 5]. Khi cấy ghép, màng<br /> HAp có khả năng định hình, tạo liên kết chặt chẽ giữa xương của vật chủ và vật liệu cấy ghép,<br /> thúc đẩy quá trình liền xương [6]. Tuy nhiên, vấn đề nhiễm trùng sau phẫu thuật được quan tâm<br /> nhất sau khi cấy ghép vào cơ thể, do đó các nhà khoa học đã rất quan tâm đưa các tác nhân kháng<br /> khuẩn vào vật liệu cấy ghép.<br /> Tác nhân kháng khuẩn vô cơ gồm các ion đồng, bạc, kẽm được các nhà khoa học chú ý vì sự<br /> ổn định và tính an toàn [1], chúng có tác dụng làm giảm độ bám dính của vi khuẩn trên bề mặt vật<br /> liệu và làm ức chế sự tăng trưởng của vi khuẩn [7]. Vật liệu Ti chứa 2% hàm lượng đồng về khối<br /> lượng có thể chống được 57% khuẩn E.Coli và 79% khuẩn S. Aureus [50]. Hoạt động kháng<br /> khuẩn của hợp chất HAp pha tạp đồng đã được thử nghiệm, kết quả cho thấy bột HAp có pha tạp<br /> Cu với công thức Ca10-xCux(PO4)6(OH)2 (x = 0,2) có khả năng chống được 98% vi khuẩn S. Aureusis<br /> Ngày nhận bài: 19/2/2017. Ngày nhận đăng: 20/3/2017.<br /> Tác giả liên hệ: Võ Thị Hạnh, e-mail: vothihanh2512@gmail.com<br /> <br /> 51<br /> <br /> Võ Thị Hạnh, Phạm Thị Năm và Đinh Thị Mai Thanh<br /> <br /> và bột HAp pha tạp Cu, F ứng với công thức Ca10-xCux(PO4 )6(F)2 (x = 0,15 - 0,5) có thể chống<br /> được 100% vi khuẩn E.Coli [1]. Ngoài ra, với hàm lượng nhỏ Cu còn có tác dụng tăng cường sự<br /> trao đổi chất và kích thích tế bào xương phát triển [6].<br /> Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu kết quả nghiên cứu tổng hợp màng HAp pha tạp Cu<br /> (CuHAp) trên nền thép không gỉ 316L bằng phương pháp trao đổi ion giữa màng HAp với dung<br /> dịch chứa Cu2+. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình như nồng độ ion Cu2+, thời gian tiếp xúc đã<br /> được nghiên cứu. Màng CuHAp tạo ra được nghiên cứu thành phần, các đặc trưng hóa lý bằng<br /> phương pháp IR, X-ray, SEM, AAS và hoạt tính kháng khuẩn chủng P.aerugimosa bằng phương<br /> pháp khuếch tán đĩa thạch.<br /> <br /> 2.<br /> <br /> Nội dung nghiên cứu<br /> <br /> 2.1. Thực nghiệm<br /> * Tổng hợp điện hóa màng HAp trên nền thép không gỉ 316L<br /> Mẫu thép không gỉ 316L (TKG 316L) với thành phần hóa học: 0,27% Al; 0,17% Mn;<br /> 0,56% Si; 17,98% Cr; 9,34% Ni; 2,15% Mo; 0,045% P; 0,035% S và 69,45% Fe có kích thước là<br /> 1 × 10 × 0,2 cm, được phủ epoxy để giới hạn diện tích làm việc 1cm2 . Sau đó mẫu được phủ màng<br /> HAp bằng phương pháp quét thế catot ở khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE; nhiệt độ: 50 oC, 5 lần<br /> quét với tốc độ quét 5 mV/s trong dung dịch chứa Ca(NO3 )2 3.10-2 M + NH4 H2 PO4 1,8.10-2 M<br /> + NaNO3 6.10-2 M.<br /> <br /> * Tổng hợp màng CuHAp<br /> Để xác định nồng độ Cu2+ và thời gian tiếp xúc thích hợp cho quá trình tổng hợp màng<br /> CuHAp, vật liệu TKG 316L phủ màng HAp (HAp/TKG316L) có khối lượng 2,45 mg được ngâm<br /> trong 4 mL dung dịch chứa muối Cu(NO3)2 với nồng độ khác nhau: 0,005; 0,01; 0,02; 0,05 và<br /> 0,1M; và thời gian được khảo sát: 2,5; 5; 10; 20; 30; 60 và 80 phút ở nhiệt độ phòng. Sau đó vật<br /> liệu được lấy ra, rửa sạch bằng nước cất và để khô trong không khí. Phần dung dịch còn lại sau<br /> khi ngâm dùng để xác định nồng độ Cu2+ còn lại bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử (AAS), từ<br /> đó xác định dung lượng trao đổi ion theo phương trình sau:<br /> Q<br /> <br /> C0  C<br /> .V . M .10 3<br /> m<br /> <br /> (1)<br /> <br /> trong đó, Q là dung lượng trao đổi ion (mg/g), Co là nồng độ ban đầu của Cu2+ (mol/L), C là nồng<br /> độ Cu2+ còn lại sau khi ngâm (mol/L), V là thể tích dung dịch (L), m là khối lượng màng HAp (g),<br /> M là khối lượng mol của Cu (g).<br /> Động học của quá trình trao đổi ion Cu2+ được xác định theo hai mô hình động học: giả bậc 1<br /> (phương trình 2) và giả bậc hai (phương trình 3) [8]:<br /> ln (Qe  Qt )  ln Qe  k1 .t<br /> <br /> (2)<br /> <br /> t<br /> 1<br /> 1<br /> <br /> .t <br /> Qt Qe<br /> k 2 .Qe2<br /> <br /> (3)<br /> <br /> trong đó: Qe và Qt lần lượt là dung lượng trao đổi ion ở trạng thái cân bằng và ở thời điểm t (mg/g),<br /> k1 , k2 - hằng số tốc độ của phản ứng giả bậc 1 (phút-1) và giả bậc 2 (g/mg.phút).<br /> 52<br /> <br /> Tổng hợp và đặc trưng màng Hydroxyapatit pha tạp đồng trên nền thép không gỉ 316L<br /> <br /> * Đặc điểm màng CuHAp<br /> Màng CuHAp được xác định thành phần các nhóm chức bằng phương pháp IR trên máy FTIR 6700 của hãng Nicolet với kĩ thuật ép viên KBr. Thành phần pha của CuHAp được ghi trên<br /> máy SIEMENS D5005 Bruker-Germany, với các điều kiện bức xạ Cu-K, bước sóng  = 1,5406<br /> Å, cường độ dòng điện bằng 30 mA, điện áp 40 kV, góc quét 2 trong khoảng 10o  70o, tốc độ<br /> quét 0,030o/giây. Hình thái học bề mặt màng CuHAp xác định bằng phương pháp SEM trên thiết<br /> bị điện tử quét Hitachi S4800 (Nhật Bản). Thành phần các nguyên tố Ca và Cu có trong màng<br /> CuHAp được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử trên máy Perkin - Elmer<br /> 3300 và nguyên tố P được xác định bằng phương pháp UV-VIS trên máy CINTRA.<br /> Từ giản đồ nhiễu xạ tia X có thể tính được đường kính trung bình của tinh thể CuHAp theo<br /> công thức Scherer [9]:<br /> D<br /> <br /> 0,9<br /> B.cos <br /> <br /> (4)<br /> <br /> trong đó: D- đường kính tinh thể (nm), - bước sóng (nm); ở đây  = 0,15406 nm, B (rad): độ<br /> rộng pic tại nửa chiều cao của pic đặc trưng, B (rad) được tính từ B (o) theo công thức sau: B (rad)<br /> = B (o) × /180;  - góc nhiễu xạ (o).<br /> HAp có mạng tinh thể hệ lục giác với a = b # c, α = β = 90o, γ = 120o. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X<br /> xác định được giá trị khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể (d), từ đó xác định được giá trị hằng<br /> số mạng a, b, c theo công thức 5 [10].<br /> <br /> 4 2<br /> ( h  kh  k 2 ) 2<br /> 1<br /> l<br /> 3<br /> <br />  2<br /> 2<br /> 2<br /> d<br /> a<br /> c<br /> <br /> (5)<br /> <br /> * Thử hoạt tính kháng khuẩn bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch<br /> Màng HAp và CuHAp được cạo bột và ép thành viên có chiều dày 1 mm và đường kính 10<br /> mm, sau đó được hấp khử trùng ở 150 oC trong 30 phút. Chủng vi khuẩn P.aerugimosa được<br /> sử dụng để thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn, được nuôi cấy từ ống chủng gốc, trên môi trường<br /> LB đặc tại 37 oC, ủ qua đêm. Kĩ thuật khuếch tán được thực hiện bằng cách đổ thạch vào các đĩa<br /> Petri để tạo thành lớp dày 4 mm và cấy dày đặc của các vi sinh vật thử nghiệm để có được tốc độ<br /> tăng trưởng semiconfluent. Các mẫu HAp và CuHAp được bố trí trên bề mặt thạch và ủ trong 24<br /> giờ ở 37 oC.<br /> Hoạt tính ức chế khuẩn được đánh giá bằng cách đo bán kính (BK) vòng ức chế vi sinh vật<br /> theo công thức: BK (mm) = D-d; trong đó D: đường kính vòng vô khuẩn và d: đường kính lỗ<br /> khoan thạch. Thí nghiệm được lặp lại ba lần và lấy giá trị bán kính trung bình.<br /> <br /> 2.2. Kết quả và thảo luận<br /> 2.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ Cu2+<br /> Kết quả khảo sát ảnh hưởng nồng độ ban đầu của Cu2+ từ 0,005 M ÷ 0,1 M đến dung lượng<br /> trao đổi ion thể hiện trên Hình 1. Nồng độ Cu2+ trong dung dịch tăng thì dung lượng trao đổi ion<br /> tăng. Dung lượng trao đổi ion tăng nhanh từ 4,18 mg/g lên 10,66 mg/g khi nồng độ Cu2+ tăng từ<br /> 0,005 M đến 0,02 M, sau đó tăng không nhiều khi tăng nồng độ Cu2+ lên 0,05M và 0,1 M (dung<br /> lượng tăng lên tương ứng 12,56 mg/g và 13,43 mg/g) vì quá trình trao đổi ion đã đạt tới trạng thái<br /> cân bằng. Do đó, dung dịch Cu2+ có nồng độ 0,02M được sử dụng để tổng hợp màng CuHAp.<br /> 53<br /> <br /> Võ Thị Hạnh, Phạm Thị Năm và Đinh Thị Mai Thanh<br /> 12<br /> <br /> 16<br /> <br /> 11<br /> Q (mg Cu /g HAp)<br /> <br /> 12<br /> <br /> 2+<br /> <br /> 2+<br /> <br /> Q (mg Cu / g HAP)<br /> <br /> 14<br /> <br /> 10<br /> 8<br /> <br /> 10<br /> <br /> 9<br /> <br /> 6<br /> <br /> 8<br /> 4<br /> 0.00<br /> <br /> 0.02<br /> <br /> 0.04<br /> <br /> 0.06<br /> <br /> 0.08<br /> <br /> 0<br /> <br /> 0.10<br /> <br /> 10<br /> <br /> 20<br /> <br /> 30<br /> <br /> 40<br /> <br /> 50<br /> <br /> 60<br /> <br /> 70<br /> <br /> 80<br /> <br /> 90<br /> <br /> t (phót)<br /> <br /> 2+<br /> <br /> Co( Cu /M)<br /> <br /> Hình 1. Sự biến đổi dung lượng (Q) trao đổi<br /> ion Cu2+của màng HAp theo nồng độ Cu2+<br /> với thời gian ngâm 30 phút ở nhiệt độ 25 oC<br /> <br /> Hình 2. Sự biến đổi dung lượng (Q) trao đổi<br /> ion Cu2+của màng HAp theo thời gian tiếp xúc<br /> trong dung dịch Cu2+ 0,02M ở nhiệt độ 25 oC<br /> <br /> 2.2.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc<br /> Sự biến đổi dung lượng trao đổi ion Cu2+ của màng HAp theo thời gian được thể hiện trên<br /> Hình 2. Trong khoảng thời gian khảo sát từ 2,5 đến 80 phút, dung lượng trao đổi ion tăng nhanh ở<br /> 30 phút đầu (tăng từ 8,11 mg/g lên 10,96 mg/g), sau đó dung lượng thay đổi không đáng kể trong<br /> khoảng thời gian từ 30 đến 80 phút (từ 10,96 mg/g đến 11,69 mg/g). Do vậy, thời gian 30 phút<br /> được coi là thời điểm cân bằng và được lựa chọn làm thời gian tổng hợp màng CuHAp.<br /> <br /> 2.2.3. Nghiên cứu cấu trúc, thành phần và hình thái học của màng CuHAp<br /> Màng CuHAp được tổng hợp bằng cách ngâm màng HAp 30 phút trong dung dịch Cu2+ 0,02 M,<br /> sau đó mẫu rửa sạch, làm khô và được xác định cấu trúc, thành phần và hình thái học bằng các<br /> phương pháp IR, Xray, SEM, UV-VIS, AAS.<br /> * Hồng ngoại (IR)<br /> Hình 3 giới thiệu phổ hồng ngoại của màng HAp và màng CuHAp trong khoảng bước sóng<br /> từ 4000 cm-1 đến 400 cm-1. Phổ IR của hai mẫu đều có hình dạng tương tự nhau và có các pic đặc<br /> trưng cho dao động của các nhóm chức trong phân tử HAp.<br /> <br /> §é truyÒn qua<br /> <br /> 1034<br /> <br /> 565<br /> 60 2<br /> 96 2<br /> <br /> 3430<br /> 1 3 84<br /> 1643<br /> <br /> M àng HAp<br /> M à ng C u H A p<br /> <br /> 4000<br /> <br /> 3 5 00<br /> <br /> 3 0 00<br /> <br /> 2 50 0<br /> <br /> 2 00 0<br /> <br /> 15 0 0<br /> <br /> 10 0 0<br /> <br /> 50 0<br /> <br /> -1<br /> <br /> S è sã n g (cm )<br /> <br /> Hình 3. Phổ IR của màng HAp và màng CuHAp<br /> Các pic ở số sóng 1034; 962; 602 và 565 cm-1 đặc trưng cho nhóm PO43-. Trong đó, dao động<br /> kéo dài bất đối xứng của P-O đặc trưng bởi 2 pic tại vị trí 1034 cm-1 và 962cm-1 (υ3b và υ3c); dao<br /> 54<br /> <br /> Tổng hợp và đặc trưng màng Hydroxyapatit pha tạp đồng trên nền thép không gỉ 316L<br /> <br /> động uốn không đối xứng của O-P-O ở 602 cm-1 và 565 cm-1 (υ4b và υ4c). Pic hấp phụ ở số sóng<br /> 3430 và 1643 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị và dao động biến dạng của nhóm OH-. Ngoài ra,<br /> trên phổ màng HAp còn có dải hấp phụ ở vị trí 1384 cm-1 đặc trưng cho nhóm NO3-, ion NO3- có<br /> mặt trong dung dịch tổng hợp màng HAp. Tuy nhiên, màng HAp sau khi ngâm 30 phút trong<br /> dung dịch Cu2+ thì ion NO3- khuyếch tán vào dung dịch nên trong phổ IR của màng CuHAp không<br /> có pic của nhóm NO3-.<br /> * Thành phần màng CuHAp<br /> Kết quả phân tích thành phần các nguyên tố Ca và Cu có trong màng CuHAp được xác định<br /> bằng phương pháp AAS và thành phần nguyên tố P được xác định bằng phương pháp UV-VIS thể<br /> hiện trong Bảng 1.<br /> Bảng 1. Hàm lượng % các nguyên tố Ca, Cu, P có trong màng CuHAp<br /> % Khối lượng nguyên tố<br /> Màng HAp<br /> Màng CuHAp<br /> <br /> Tỉ lệ nguyên tử<br /> <br /> Ca<br /> <br /> P<br /> <br /> Ca/P<br /> <br /> 33,2<br /> <br /> 16,8<br /> <br /> 1,532<br /> <br /> Ca<br /> <br /> Cu<br /> <br /> P<br /> <br /> Cu/Ca<br /> <br /> (Ca + Cu)/P<br /> <br /> 34,173<br /> <br /> 0,677<br /> <br /> 17,062<br /> <br /> 0,0124<br /> <br /> 1,571<br /> <br /> Màng CuHAp có hàm lượng ion Cu2+ chiếm 0,677% với tỉ lệ Cu/Ca = 0,0124 và tỉ lệ (Ca+ Cu)/P<br /> = 1,571, xấp xỉ tỉ lệ của Ca/P trong màng HAp ban đầu (1,532). Kết quả này chứng tỏ ion Cu2+ đã<br /> thực hiện phản ứng trao đổi ion với Ca2+ để tạo màng CuHAp.<br /> * Nhiễu xạ tia X<br /> Giản đồ Xray của màng CuHAp và HAp được thể hiện trên Hình 4. Từ giản đồ cho thấy<br /> màng CuHAp có các pic đặc trưng cho pha của HAp mà không thấy sự có mặt của các pha khác.<br /> Hai pic nhiễu xạ đặc trưng cơ bản nhất của HAp ở vị trí góc nhiễu xạ 2  32o tương ứng với mặt<br /> tinh thể có chỉ số Miller (211) và ở vị trí 2  26o tương ứng với mặt tinh thể có chỉ số Miller<br /> (002). Ngoài ra, còn tồn tại một số các vạch đặc trưng khác với cường độ nhỏ hơn ở vị trí 2  33,<br /> 46, 54o tương ứng với các mặt (300), (222) và (004). Bên cạnh đó cũng xuất hiện pic của Fe<br /> tại 2  45o và của hỗn hợp oxit CrO.19FeO.7NiO tại góc 2  44o và 51o đặc trưng cho nền<br /> TKG316L [14, 15]. Như vậy, màng CuHAp tổng hợp được có dạng tinh thể và đơn pha của HAp.<br /> 2<br /> <br /> 1. HAp; 2. CrO.FeO.NiO; 3. Fe<br /> <br /> 3<br /> <br /> 2<br /> <br /> C­êng ®é nhiÔu x¹<br /> <br /> 1<br /> <br /> 1<br /> <br /> 1<br /> 11<br /> <br /> 1<br /> <br /> Màng CuHAp<br /> <br /> Màng HAp<br /> <br /> 10<br /> <br /> 15<br /> <br /> 20<br /> <br /> 25<br /> <br /> 30<br /> <br /> 35<br /> <br /> 40<br /> <br /> 45<br /> <br /> 50<br /> <br /> 55<br /> <br /> 60<br /> <br /> 65<br /> <br /> 2 ( ®é)<br /> <br /> Hình 4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của màng CuHAp và HAp<br /> 55<br /> <br />

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản