Luận văn Nghiên cứu tổng hợp canxi hydroxy apatit trên nền alginat tách từ rong biển Nha trang (Việt Nam)

g sự có mặt của maltodextrin. + Phương pháp hai giai đoạn: thực hiện phản ứng tạo HA giữa các ion Ca2+ với PO43- và OH- theo tỉ lệ mol Ca/P là 1,67, sau đó phân tán HA vào mạng lưới maltodextrin. 1.3.2. Vật liệu compozit của HA và alginat (HA/Alg) Các loại compozit từ các polyme phân hủy sinh học kết hợp với HA được quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều để chể tạo xương thay thế với tính chất sinh 24 học và cơ học tốt hơn. Vật liệu sinh học tự nhiên gồm collagen, gelatin, chitosan, alginat, tơ sợi đã được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong y sinh học. Trong số đó, alginat được chú ý do là polyme ưa nước, không độc tính, có tương thích sinh học và giá thành phù hợp. Với những đặc tính đó, alginat được sử dụng rộng rãi làm chất nền trong công nghệ mô, xương, sụn, da [46, 24]. Gần đây, vật liệu compozit sinh học trên cơ sở HA được phát triển như một hệ thống truyền dẫn thuốc, kháng sinh và kháng nấm, phẫu thuật chỉnh hình, nha khoa [55]. Sự có mặt HA cùng với alginat làm tăng sự gắn kết tế bào bên trong và cung cấp sự lựa chọn thích hợp khung xương cho kỹ thuật mô. Một số nghiên cứu đã chế tạo compozit HA/Alg làm chất độn xương thông qua các kỹ thuật khác nhau như tách pha, phun giọt, hoặc phân tán trong polyme [29]. Compozit HA/Alg hình thành là kết quả sự phân tán trực tiếp hạt HA vào chuỗi polyme alginat, nó được sử dụng như một khung đỡ cho sự phát triển của xương và mô. Compozit HA/Alg có cơ tính tốt được phát triển bằng cách kết hợp bột HA với alginat liên kết ngang ion với canxi. Các đặc tính cơ học có thể tăng cùng với sự tăng của hàm lượng alginat [36]. Điều chế compozit HA/Alg từ hạt HA hình cầu với alginat đảm bảo vật liệu thay thế xương được giữ lại ở vị trí cấy ghép tránh sự nhiễm trùng về sau. Để tạo ra vật liệu phù hợp với mục đích nêu trên, các compozit HA/Alg được chế tạo với hàm lượng khác nhau được bằng phương pháp kết tủa trực tiếp. Sau đó, khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginat qua các đặc trưng hình thái học của tinh thể HA, sự tương tác hóa học giữa HA và alginat, cũng như các vi cấu trúc của vật liệu compozit. Nghiên cứu này đưa ra hướng mới tạo ra compozit trên cơ sở HA và alginat ứng dụng để sửa chữa và tái tạo xương. Ngoài ra, compozit HA/Alg còn được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau. Lin và Yeh chế tạo một sản phẩm dạng xốp giữa gel canxi alginat liên kết ngang với HA kích cỡ nanomet bằng phương pháp đông khô. Thêm HA vào trong thành phần làm tăng độ nén và gắn tế bào xương với alginat tinh khiết [46]. Chế tạo gel compozit HA/collagen/alginat từ hỗn hợp bột HA, collagen và dung dịch 25 alginat. Xương hình thành từ hỗn hợp gel này thử nghiệm trong xương đùi chuột [45]. Người ta cũng nghiên cứu quá trình hình thành compozit HA/Alg dạng sợi (đường kính khoảng 10 µm) thông qua dung dịch natri alginat pha trộn với tinh thể HA được chiết suất từ xương đùi lợn trong dung dịch CaCl2. Đặc điểm chung quá trình tổng hợp compozit HA/Alg bằng phương pháp trộn cơ học thông thường là sự tham gia của Ca2+ liên kết ngang với alginat. Tuy nhiên, sự liên kết bề mặt giữa pha vô cơ và polyme trong vật liệu này vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu. 1.4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU COMPOZIT 1.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X - Ray Diffraction, XRD) Phương pháp nhiễu xạ tia X 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 [7]. Nguyên lý chung của phương pháp nhiễu xạ tia X: Chiếu tia X vào tinh thể, khi đó các nguyên tử bị kích thích và trở thành các tâm phát sóng thứ cấp. Các sóng thứ cấp này (tia X, điện tử, nơron) triệt tiêu với nhau theo một phương và tăng cường nhau theo một số phương tạo nên hình ảnh giao thoa. Hình ảnh này phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể. Từ việc phân tích hình ảnh đó, ta có thể biết được cách sắp xếp các nguyên tử trong ô mạng. Qua đó xác định được cấu trúc mạng tinh thể, các pha cấu trúc trong vật liệu Phương trình nhiễu xạ Bragg: Một cách giải thích đơn giản về hiện tượng nhiễu xạ và được sử dụng rộng rãi trong lý thuyết nhiễu xạ tia X trên tinh thể, đó là lý thuyết nhiễu xạ Bragg. Theo đó, ta coi mạng tinh thể là tập hợp của các mặt phẳng song song cách nhau một khoảng d. Khi chiếu tia X vào bề mặt, do tia X có khả năng đâm xuyên mạnh nên không chỉ những nguyên tử bề mặt mà cả những nguyên tử bên trong cũng tham gia vào quá trình tán xạ. 26 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp nhiễu xạ tia X Điều kiện có cực đại giao thoa (phương trình Vulf-Bragg): n.λ = 2.d.sinθ (1.10) Trong đó, n là bậc phản xạ (số nguyên dương), λ là bước sóng của tia tới, d là khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song, θ là góc giữa chùm tia X. Đây là phương trình cơ sở để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Trên giản đồ căn cứ vào giá trị cực đại (giá trị 2θ) có thể tính được d theo phương trình (1.10). Bằng phương pháp này chất cần nghiên cứu sẽ xác định được cấu trúc mạng tinh thể. Ngoài việc xác định cấu trúc, phương pháp XRD còn cho phép xác định kích thước của tinh thể. Scherrer đã đưa ra công thức tính toán kích thước tinh thể trung bình của tinh thể theo phương trình: D = k.λ /B.cosθ (1.11) D là kích thước tinh thể trung bình (nm), θ là góc nhiễu xạ, B là độ rộng vạch nhiễu xạ đặc trưng (radian) lấy giá trị bằng nửa cường độ cực đại (tại vị trí góc 2θ = 25,88o đối với HA), λ = 1,5406 Å 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 lấy k = 0,9). Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, độ tinh thể được tính toán theo phương pháp phân giải vạch, theo công thức. C = .100% (1.12) 27 Trong đó: C là độ tinh thể của 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 1.13: Giản đồ nhiễu xạ tia X để tính kích thước và độ tinh thể của HA 1.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transformation Infrared Spectrophotometer, FTIR) Để xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu thường dùng phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR). Trên phổ dựa vào các tần số đặc trưng của các nhóm chức trong phân tử mà có thể xác định sự có mặt của các nhóm chức đó có trong mẫu. 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 do sự chuyển dịch giữa các mức năng lượng dao động và quay. Dạng năng lượng được sinh ra khi chuyển dịch giữa các mức này ở dạng lượng tử hóa, nghĩa là chỉ có thể biến thiên một cách gián đoạn. Hiệu số năng lượng được tính theo công thức Bohr: ΔE = hν (1.13) Trong đó: ΔE là biến thiên năng lượng; h là hằng số Planck; ν là tần số dao động. 28 Bằng phương pháp FTIR, compozit HA/alginat được phân tích để xác định sự có mặt của các nhóm chức đặc trưng cho cả HA và alginat. HA có 2 nhóm chức là OH- và PO43-, alginat có nhóm OH-, COO-, -C-O-C-. Ngoài ra trong mẫu có thể có các nhóm khác như CO32-, HPO42-. 1.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử 1.4.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM) Nguyên tắc của phương pháp này là dùng chùm điện tử quyét lên bề mặt mẫu và thu nhận lại chùm tia phản xạ. Qua việc xử lí 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. Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lí của phương pháp SEM Phương pháp SEM này 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 qua hai tụ quang rồi sẽ được hội tụ lên mẫu cần 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 khuyếch 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 vào lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu đồng thời còn phụ 29 thuộc bề mặt của mẫu nghiên cứu. Ưu điểm là không đòi hỏi khâu chuẩn bị mẫu quá phức tạp, có thể thu được những bức ảnh ba chiều rõ nét [1]. 1.4.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy, TEM) Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng chùm điện tử xuyên qua mẫu cần nghiên cứu. Vì thế, các mẫu đưa vào cần phải đủ mỏng để chùm điện tử xuyên qua. Hình 1.15: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử Chùm tia điện tử được tạo ra từ hai sung 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 sáng, tín hiệu này được khuyếch đại rồi được 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. Thấu kính điện tử đặt bên trong hệ đo là bộ phận giúp phóng đại của phương pháp TEM. Thấu kính này có khả năng thay đổi được tiêu cự. Khi tia điện tử có bước sóng cỡ 0,4 nm chiếu lên mẫu ở hiệu điện thế khoảng 100 kV, ảnh thu được cho biết chi tiết hình thái học của mẫu theo độ tương phản tán xạ và tương phản nhiễu xạ và qua đó có thể xác định được kích thước hạt một cách khá chính xác [3]. 1.4.4. Phương pháp phân tích nhiệt (DTA-TGA) Phương pháp phân tích nhiệt là một trong những phương pháp hóa lý thường được dùng để phân tích cấu trúc của vật liệu, cung cấp cho ta những thông tin về tính chất nhiệt của vật liệu. 30 Trên giản đồ phân tích nhiệt có nhiều đường khác nhau, thông thường người ta quan tâm tới 2 đường cong quan trọng là đường DTA và đường TGA. Đường DTA cho biết khi nào có hiệu ứng thu nhiệt (cực tiểu trên đường cong), khi nào có hiệu ứng phát nhiệt (cực đại trên đường cong). Từ đường TGA có thể biết biến thiên khối lượng mẫu trong quá trình gia nhiệt. Mỗi quá trình biến đổi hóa học như các phản ứng pha rắn, sự phân hủy mẫu hay các biến đổi vật lí như sự chuyển pha thường đều có một hiệu ứng nhiệt tương ứng. Các quá trình trên có thể kèm theo sự thay đổi khối lượng của mẫu chất nghiên cứu, ví dụ quá trình thăng hoa, bay hơi hay các phản ứng phân hủy, hoặc không đi kèm với sự thay đổi khối lượng mẫu như quá trình chuyển pha, phá vỡ mạng tinh thể, Dựa vào việc tính toán các hiệu ứng mất khối lượng và các hiệu ứng nhiệt tương ứng mà ta có thể dự đoán được các giai đoạn cơ bản xảy ra trong quá trình phân hủy nhiệt của mẫu [6]. 31 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 2.1. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất 2.1.1. Dụng cụ: - Bình cầu hai cổ 500 ml; - Pipet 2 ml, 10 ml; - Ống đong 100 ml; - Bình nhỏ giọt để điều chỉnh tốc độ; - Đũa thủy tinh, thìa cân, quả bóp, con từ; - Giấy đo pH vạn năng; - Nhiệt kết thủy ngân 100oC; - Cốc thủy tinh 100, 200, 250 ml; - Ống li tâm loại 50 ml; - Cối, chày mã não. 2.1.2. Thiết bị: - Cân điện tử có độ chính xác ± 10-4 g; - Máy khuấy từ gia nhiệt; - Bể siêu âm tần số 46 kHz, công suất 200 W; - Máy ly tâm; - Bộ khuấy cơ; - Tủ sấy; - Thiết bị đông khô. 2.1.3. Hóa chất: Axit photphoric H3PO4 85% (d = 1,69), loại P (Trung Quốc); Canxi hidroxit Ca(OH)2, loại P (Trung Quốc); Alginat: sản phẩm loại sạch được tách từ rong nâu Nha Trang (Việt Nam) do Viện Nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang cung cấp; 32 Cồn tinh khiết 96o (Việt Nam). 2.2. Nghiên cứu quy trình tổng hợp compozit HA/Alg Compozit giữa HA và alginat được tổng hợp theo sơ đồ bố trí thí nghiệm được trình bày trên hình 2.1. Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg Quy trình thực nghiệm được trình bày trên hình 2.2. Các thí nghiệm được tiến hành ở quy mô tạo ra khoảng 2 g compozit HA/Alg. Mô tả thí nghiệm: Huyền phù Ca(OH)2 và dung dịch H3PO4 được chuẩn bị trong nước cất với nồng độ cùng là 0,1 M. Hòa tan alginat vào nước cất với hàm lượng 2% (w/v). Dung dịch H3PO4 và dung dịch alginat được nhỏ đồng thời từng giọt vào huyền phù Ca(OH)2 trên máy khuấy từ. Hỗn hợp phản ứng được khuấy và gia nhiệt bằng máy khuấy từ đến nhiệt độ cần nghiên cứu, duy trì tại nhiệt độ đó trong toàn bộ thời gian phản ứng. Nhiệt độ thí nghiệm được đo bằng nhiệt kế thủy ngân. Khi nhỏ hết các dung dịch trên, tiếp tục khuấy hỗn hợp trong 4 giờ. Sau đó, cho thêm vào hỗn hợp một thể tích tương tự etanol để đồng kết tủa alginat và HA, khuấy tiếp 15 phút. Hỗn hợp để qua đêm, rồi đem ly tâm với tốc độ 5000 vòng/phút để thu sản phẩm compozit HA/Alg. Sau đó, làm khô trong tủ sấy ở 45oC trong 48 giờ rồi nghiền mịn. 33 Khuấy 1 giờ Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp compozit HA/Alg 2.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của sản phẩm 2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng alginat Các mẫu compozit HA/Alg với các hàm lượng khác nhau của HA (10, 30, 50 và 70 wt.%) có ký hiệu tương ứng HA-10, HA-30, HA-50, HA-70. Các thí nghiệm được tiến hành ở các điều kiện sau: Nhiệt độ : 30oC Tốc độ khuấy : 300 - 350 vòng/phút; Tốc độ cấp axit : 2 ml/phút; Nồng độ dung dịch H3PO4 : 0,1 M; Nồng độ huyền phù Ca(OH)2 : 0,1 M. Các bước thực hiện được tiến hành theo quy trình mô tả ở 2.2. Ca(OH)2 H2O Dung dịch huyền phù Dung dịch Alginat Kết tủa Già hóa 4h Cồn 96o Ly tâm Sấy khô, nghiền mịn Dung dịch H3PO4 34 Sản phẩm compozit được đánh giá bằng các phương pháp XRD, FTIR, SEM, TEM, DTA-TGA. 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng Các thí nghiệm được tiến hành thực hiện ở các nhiệt độ: Thí nghiệm T1: 10oC; Thí nghiệm T2: 30oC; Thí nghiệm T3: 50oC. Các thông số khác (tốc độ khuấy, tốc độ cấp axit, dung môi) được duy trì như mục 2.3.1. Sản phẩm được đánh giá bằng các phương pháp: XRD, FTIR, SEM. 2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit Tốc độ cấp axit của các thí nghiệm được thực hiện như sau: Thí nghiệm S1: 0,67 ml/phút; Thí nghiệm S2: 2 ml/phút; Thí nghiệm S3: 6 ml/phút; Thí nghiệm S4: Rót nhanh toàn bộ lượng axit vào (tốc độ rất lớn). Các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ 30oC, các thông số khác (nồng độ, tốc độ khuấy, dung môi) được duy trì như mục 3.2.1. Sản phẩm được đánh giá bằng các phương pháp: XRD, FTIR. Sử dụng các phương pháp XRD, FTIR để đánh giá sản phẩm thí nghiệm. 2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của dung môi Các thí nghiệm được tiến hành ở 30oC trong các dung môi: nước, hỗn hợp etanol + nước, etanol. Thí nghiệm D1: Các chất phản ứng được pha trong nước; Thí nghiệm D2: Các chất phản ứng được pha trong hỗn hợp etanol + nước, tỷ lệ 1:1 về thể tích; 35 Thí nghiệm D3: Các chất phản ứng được pha trong etanol. (Trong 3 thí nghiệm trên, alginat đều được pha trong nước do nó không hòa tan trong etanol). Các thông số khác (nồng độ, tốc độ cấp axit, tốc độ khuấy) được duy trì như mục 3.2.1. Sản phẩm được đánh giá bằng các phương pháp: XRD, FTIR, SEM. 2.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian già hóa Các thí nghiệm được tiến hành thực hiện ở các thời gian: Thí nghiệm t1: 0 giờ; Thí nghiệm t2: 4 giờ; Thí nghiệm t3: 8 giờ; Thí nghiệm t4: 16 giờ. Thực hiện các phản ứng ở 30oC, các thông số khác (nồng độ, tốc độ cấp axit, tốc độ khuấy) được duy trì như mục 3.2.1. Sản phẩm được đánh giá bằng các phương pháp: XRD, FTIR. 2.3.6. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn Tiến hành khảo sát tốc độ khuấy trộn ở ba mức độ như sau: Thí nghiệm V1: 100 - 150 vòng/phút; Thí nghiệm V2: 300 - 350 vòng/phút; Thí nghiệm V3: 450 - 500 vòng/phút. Thực hiện các phản ứng ở 30oC, các thông số khác (nồng độ, tốc độ cấp axit, dung môi) được duy trì như mục 3.2.1. Sản phẩm được đánh giá bằng các phương pháp: XRD, FTIR. 2.3.7. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện làm khô sản phẩm Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của làm khô sản phẩm ở hai điều kiện như sau: Phương pháp sấy nhiệt: Sản phẩm được làm khô ở 45oC trong tủ sấy, ký hiệu HA-10, HA-50; 36 Phương pháp đông khô: Sản phẩm được làm khô trong máy đông khô, ký hiệu HA-Đ10, HA-Đ50. Thực hiện các phản ứng ở 30oC, các thông số khác (nồng độ, tốc độ khuấy, tốc độ cấp axit) được duy trì như mục 3.2.1. Sản phẩm được đánh giá bằng các phương pháp: XRD, FTIR, SEM. 2.3.8. Khảo sát sơ bộ ảnh hưởng của sóng siêu âm Bình phản ứng điều chế compozit HA/Alg được đặt trong bể siêu âm với tần số 46 kHz, công suất 200 W. Hỗn hợp phản ứng được khuấy bằng máy khuấy cơ. Nhiệt độ phản ứng được duy trì ở 30oC, các thông số khác (nồng độ, tốc độ cấp axit, tốc độ khuấy) được giữ nguyên như mục 3.2.1. Thí nghiệm P1: Không có sóng siêu âm; Thí nghiệm P2: Có sóng siêu âm. Sản phẩm được đánh giá bằng các phương pháp: XRD, FTIR, SEM. 2.4. Chuẩn bị mẫu phân tích Các sản phẩm sau khi được làm khô hoàn toàn, sau đó nghiền mịn bằng cối mã não. Các mẫu được đo bằng phương pháp sau: 2.4.1. Nhiễu xạ tia X (XRD) Các mẫu được đo XRD trên máy SIEMENS D5005 Bruker (Đức), tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam ở các điều kiện như sau: Bức xạ Cu - Kα có bước sóng λ = 1,5406 Å, cường độ dòng điện 30 mA, điện áp 40 kV, góc quét 2θ = 10 ÷ 70, tốc độ quét 0,030o/giây. 2.4.2. Phổ hồng ngoại (FTIR) Phổ FTIR của các mẫu được ghi trên máy IMPAC 410 - Nicolet (Mỹ), tại Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các mẫu được nén thành viên với KBr theo tỉ lệ (1:100), được đo trong khoảng từ 400 đến 4000 cm-1. 37 2.4.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) Ảnh SEM của các mẫu được đo trên thiết bị hiển vi điện tử quét Hitachi S4800 (Nhật Bản) tại Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Do HA có độ dẫn điện kém nên trước khi đo các mẫu được phủ platin trong chân không để tăng độ nét của ảnh SEM. 2.4.4. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Ảnh TEM của mẫu được đo trên thiết bị hiển vi điện tử truyền qua JEM - 1010 (Nhật Bản) tại Phòng Hiển vi điện tử (Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương). 2.4.5. Phân tích nhiệt (DTA-TGA) Đặc trưng nhiệt (DTA-TGA) được thực hiện trên thiết bị phân tích nhiệt Labsys Evo, Setaram (Pháp) tại Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 38 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Quy trình tổng hợp compozit HA/Alg Trong luận văn này, chúng tôi lựa chọn phương pháp tổng hợp compozit HA/alginat bằng phương pháp kết tủa trực tiếp từ Ca(OH)2 và H3PO4 trong dung dịch nước chứa alginat. Quá trình tạo thành HA xảy ra theo phản ứng sau: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 → Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O HA kết tủa tốt trong môi trường trung tính và kiềm nhẹ. Phản ứng kết tủa giữa ion Ca2+, PO43- và OH- tạo thành Ca10(PO4)6(OH)2 được ưu tiên cao và xảy ra rất nhanh do HA có tích số tan rất nhỏ (THA= 10-128) và ΔG của phản ứng ở 30oC có giá trị rất âm (≈ -813 kJ/mol). Do alginat được cung cấp riêng rẽ và đồng thời với H3PO4 vào hỗn hợp huyền phù chứa Ca(OH)2 nên các chất tham gia và sản phẩm phản ứng không ảnh hưởng nhiều đến alginat. Tổng hợp compozit HA/Alg theo phương pháp kết tủa trực tiếp như trên tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành tương tác hóa học giữa HA và alginat. Trong đó, nhóm ion photphat và hydroxyl của HA có thể tạo liên kết với các nhóm chức của alginat. Alginat được sử dụng làm chất nền, đồng thời hạn chế sự phát triển kích thước và hiện tượng kết tập của HA. Ngoài ra, ưu điểm của phương pháp là có thể khống chế các thông số phản ứng để thu được sản phẩm compozit chứa HA có chất lượng như mong muốn. Sự có mặt của alginat trong sản phẩm sẽ làm cho các hạt HA phân bố đồng đều hơn. Bản chất của phương pháp là đi từ các tiểu phân rất nhỏ, dạng ion trong dung dịch để tạo thành sản phẩm kết tủa. Do vậy, thay đổi các điều kiện như hàm lượng alginat, nhiệt độ, thời gian già hóa, có thể kiểm soát được sự phát triển, hình dạng và độ tinh thể của sản phẩm. Phương pháp sử dụng các hóa chất cơ bản, dễ tìm, thiết bị và quy trình thực hiện tương đối đơn giản. 39 Để so sánh, HA đơn pha được tổng hợp theo sơ đồ và quy trình thí nghiệm như trên trong dung môi nước không chứa alginat. 3.2. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của compozit HA/Alg 3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng alginat a. Kết quả XRD Hình 3.1: Giản đồ XRD của HA và các compozit với hàm lượng alginat khác nhau Trên các giản đồ đều chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng cho HA (JCPDS 24 - 0033), không thấy sự có mặt của các pha lạ. Vạch có cường độ mạnh nhất ở vị trí 2θ = 31,8o tương ứng với mặt phẳng (211) và hai vạch có cường độ gần như nhau ở 32,2o và 32,9o tương ứng với các mặt (112) và (300). Ngoài ra, còn có các vạch với cường độ tương đối mạnh ở các vị trí 25,9; 39,8; 46,7 và 49,45o. Sự có mặt của alginat trong compozit không cản trở sự hình thành HA đơn pha và không làm thay đổi đáng kể vị trí các vạch nhiễu xạ đặc trưng của HA. Điều này chứng tỏ sản phẩm chỉ chứa HA đơn pha. 40 Từ giản đồ XRD và áp dụng các công thức tính (1.11) và (1.12) ta có thể xác định kích thước trung bình của tinh thể, độ tinh thể của HA. Kết quả được trình bày trong bảng 3.1. Bảng 3.1: Ảnh hưởng của hàm lượng alginat đến kích thước của HA trong compozit Kí hiệu mẫu D (nm) theo Scherrer Độ tinh thể (%) HA đơn pha 29,03 52 HA-70 21,74 32,8 HA-50 18,48 29,73 HA-30 15,09 16,8 HA-10 Không xác định được Không xác định được Từ kết quả ở bảng 3.1 cho thấy, hạt HA trong compozit có kích thước khá nhỏ từ 15 đến 22 nm. Khi hàm lượng HA giảm xuống (hàm lượng alginat tăng lên), các vạch đặc trưng trở nên không tách biệt rõ rệt và có cường độ giảm xuống, đồng thời độ rộng của chúng tăng lên, tương ứng với kích thước và độ tinh thể của HA giảm. Đối với mẫu HA-10, không xác định được kích thước hạt và độ tinh thể do cường độ vạch khá thấp và độ rộng vạch lớn, các vạch nhiễu xạ không tách thành các vạch riêng biệt. Điều này chứng tỏ HA trong mẫu HA-10 thu được có độ tinh thể kém. Chính mạng lưới cấu trúc của alginat đã hạn chế sự phát triển về kích thước và độ tinh thể của hạt HA. Điều này cũng phù hợp với quy luật chung là sự có mặt của polyme đã ảnh hưởng đến sự phát triển của tinh thể HA. b. Ảnh SEM và ảnh TEM Ảnh SEM của mẫu HA đơn pha, alginat, các compozit HA/Alg được trình bày trên hình 3.2. 41 Hình 3.2: Ảnh SEM của (a) HA đơn pha, (b) HA-70, (c) HA-50, (d) HA-30, (e) HA- 10 và (f) alginat Quan sát các ảnh SEM trên hình 3.2 cho thấy, sự có mặt của alginat không chỉ ảnh hưởng đến kích thước hạt trung bình mà còn ảnh hưởng đến hình dạng của hạt HA. Khi hàm lượng alginat tăng, kích thước và sự phân bố của các hạt HA có sự thay đổi. Vật liệu compozit HA/Alg tồn tại ở dạng hạt và các hạt có thể kết tập thành khối. Mẫu HA đơn pha (hình 3.2a): Tinh thể HA tồn tại ở dạng hình que, với biên hạt rõ nét. Kích thước hạt khá đồng đều, đường kính dưới 40 nm, dài khoảng 70 - 120 nm. 42 Mẫu HA-70 (hình 3.2b): Tinh thể HA vẫn ở dạng hình que. Biên hạt compozit không rõ nét do có lớp vỏ alginat, các hạt kết dính thành từng đám có kích thước không đồng đều. Đường kính của hạt khoảng 15 - 20 nm, dài 60 - 90 nm. Mẫu HA-50 (hình 3.2c): Các tinh thể HA chủ yếu tồn tại dạng hình que và phân bố đều trên chất nền alginat. Các hạt compozit có đường kính khoảng 25 - 30 nm, chiều dài 100 - 140 nm, lớn hơn so với mẫu HA-70, có thể do hiện tượng kết dính của các lớp vỏ alginat. Mẫu HA-30 (hình 3.2d): Các tinh thể HA chuyển sang dạng gần cầu và phân bố lẫn trong lớp vỏ alginat. Biên hạt compozit không rõ nét, chúng kết dính với nhau và có kích thước khoảng 30 - 100 nm. Mẫu HA-10 (hình 3.2e): Với hàm lượng alginat rất lớn, các hạt HA có kích thước nhỏ nằm lẫn trong khối alginat. Chúng được bao phủ hoàn toàn bởi bề mặt lớp vỏ alginat. Compozit này tồn tại ở dạng khối. Mẫu alginat (hình 3.2f): Tồn tại dạng khối vô định hình có nhiều nếp gấp, không tồn tại các biên trong khối. Kết quả ảnh TEM của mẫu HA đơn pha và mẫu compozit HA/Alg (mẫu HA - 50) thể hiện trong hình 3.3. Hình 3.3: Ảnh TEM của (a) mẫu HA đơn pha và (b) mẫu HA-50 Quan sát ảnh TEM trên hình 3.3 cho thấy, trong mẫu compozit HA/Alg (hình 3.3b), các hạt HA kích thước nanomet phân bố đều trong chất nền alginat. Bề mặt các hạt HA được phủ một lớp mỏng alginat và sự có mặt của alginat đã hạn chế hiện tượng kết tập giữa các hạt hơn so với mẫu HA đơn pha. 43 Như vậy, sự có mặt của alginat đã làm thay đổi kích thước và sự phân bố của các hạt HA trong compozit. Alginat như một chất nền để các hạt HA kết tủa và phân tán đồng đều. Tùy thuộc vào hàm lượng, alginat làm thay đổi hình dạng của tinh thể, kìm hãm sự p