MỞ ĐẦU Trong các hợp chất vô cơ trong cơ thể ngƣời và động vật những hợp chất chứa canxi và photpho đóng vai trò rất quan trọng. Thuộc nhóm hợp chất này phải kể đến canxi hydroxyapatite. Trong tự nhiên, apatit là tên chung của nhóm khoáng chất, chủ yếu chứa canxi florua photphat Ca5F(PO4)3 và một lƣợng nhỏ các khoáng trong đó F- đƣợc thay thế một phần hay hoàn toàn bởi Cl-, Br- hoặc OH-. Trong cơ thể ngƣời và động vật HA là thành phần chính trong xƣơng (chiếm đến 65 – 70 % khối lƣợng) và răng (chiếm 99%).
HA có các đặc tính quý giá nhƣ: có hoạt tính và độ 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 [29], [23]… Do có cùng bản chất hoá học và cấu trúc, HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con ngƣời và có tỷ lệ Ca/P đúng nhƣ tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xƣơng và răng. Các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tổng hợp HA ở các dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phƣơng pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để mở rộng khả năng ứng dụng của chúng. Ở dạng bột, các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế HA kích thƣớc nano (trong khoảng 20 – 100 nm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ của cơ thể. HA tự nhiên và nhân tạo ở dạng bột vi tinh thể cùng với một số khoáng chất khác đã đƣợc dùng trong bào chế thuốc chống loãng xƣơng và thực phẩm chức năng bổ sung canxi, xử lý các khuyết tật trong xƣơng do chấn thƣơng… HA bột cũng có thể đƣợc dùng bổ sung canxi trong nƣớc giải khát [3].
Ở dạng màng, một lớp HA siêu mịn, mỏng phủ trên xƣơng nhân tạo có thể tăng cƣờng khả năng liên kết giữa xƣơng nhân tạo với mô và xƣơng tự nhiên [7]. HA dạng xốp đƣợc ứng dụng để sửa chữa các khuyết tật của xƣơng và răng. Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy, HA xốp còn đƣợc sử dụng làm chất truyền dẫn thuốc do bền trong các dịch sinh lý của cơ thể, có tác dụng nhả chậm các dƣợc chất đi kèm với nó. Ở nƣớc ta, việc nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng ứng dụng trong y sinh học nói chung và dƣợc phẩm nói riêng chƣa đƣợc quan tâm nhiều.
Từ năm 2005, nhóm nghiên cứu thuộc Phòng Hoá Vô cơ, Viện Hoá học (Viện KH&CN Việt Nam) 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đã thực hiện các nghiên cứu về vật liệu HA dạng bột [5] và dạng xốp [19] đã và đang hƣớng đến ứng dụng trong dƣợc học và y sinh học. Phòng Hóa Vô Cơ, Viện Hóa Học (Viện KH&CN Việt Nam) đã chế tạo HA dạng bột và dạng khối xốp bằng các phƣơng pháp khác nhau. Để góp phần hoàn thiện các nghiên cứu về chế tạo HA nhân tạo và tự nhiên, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Khảo sát quá trình tách và một số đặc trƣng của canxi hydroxyapatite từ xƣơng động vật”. Đề tài có mục đích tách HA từ xƣơng động vật, cụ thể là xƣơng bò và khảo sát một số đặc tính của HA thu đƣợc.
Đề tài tập trung khảo sát các nội dung sau: - Khảo sát quá trình tách HA từ xƣơng bò theo các phƣơng pháp nhiệt: ninh ở điều kiện bình thƣờng; ninh trong điều kiện có chất phụ gia; ninh trong nồi áp suất. - Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ, áp suất, chất phụ gia trong quá trình tách HA theo các phƣơng pháp nêu trên. - Khảo sát một số đặc trƣng nhƣ XRD, FTIR, DTA-TGA, SEM và độ xốp tổng của bột HA thu đƣợc. - Xác định hàm lƣợng Ca và P, tỉ số mol Ca/P, hàm lƣợng kim loại nặng trong HA.
9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính chất của hyđroxyapatit 1. Tính chất vật lý Hydroxyapatite (HA), Ca10(PO4)6(OH)2, có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thƣớc hạt và trạng thái tập hợp. HA có nhiệt độ nóng chảy 17600C và nhiệt độ sôi 28500C, độ tan trong nƣớc 0,7 g/l, khối lƣợng mol phân tử 1004,60 g, khối lƣợng riêng là 3,156 g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5.
Các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo, tùy thuộc vào điều kiện hình thành mà có thể tồn tại ở các dạng hình que, hình kim, hình vảy,… [3]. Sử dụng phƣơng pháp hiển vi điện tử SEM hoặc TEM có thể nhận biết đƣợc các dạng tồn tại của tinh thể HA (Hình 1.1: Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HA (a) - Dạng hình que (b) - Dạng hình trụ (c) - Dạng hình cầu (d) - Dạng hình sợi (e) - Dạng hình vảy (f) - Dạng hình kim HA tồn tại ở hai dạng cấu trúc là dạng lục phƣơng (hexagonal) và dạng đơn tà (monoclinic). HA dạng lục phƣơng thƣờng đƣợc tạo thành trong quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 đến 1000C, còn dạng đơn tà chủ yếu đƣợc sinh ra khi nung dạng lục phƣơng ở 8500C trong không khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hai dạng này giống nhau hoàn toàn về số lƣợng và vị trí của các vạch nhiễu xạ, chỉ khác nhau về cƣờng độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cƣờng độ yếu hơn các pic của dạng lục phƣơng khoảng 1% [1].
10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- đƣợc sắp xếp nhƣ hình 1. Ô mạng này có dạng hình lục phƣơng, thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a là 0,9417 nm, b: 0,9417 nm và c: 0,6875 nm, α = β = 900 và γ = 1200 [10]. Đây là cấu trúc thƣờng gặp của HA nhân tạo và HA tự nhiên trong thành phần của xƣơng và răng [16].2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA Ở men răng, các tinh thể HA sắp xếp rất đặc khít với nhau bởi các ô mạng cơ sở thuộc hệ đơn tà, nhóm không gian P21/b (hình 1. Các hằng số mạng lần lƣợt có giá trị: a là 0,9421 nm, b: 1,8843 nm và c: 0,6881 nm, α = β = 900 và γ = 1200.
Công thức cấu tạo của phân tử HA đƣợc thể hiện trên hình 1.3, có thể nhận thấy phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca – O là liên kết cộng hoá trị. Hai nhóm OH đƣợc gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch: Hình 1. 3: Công thức cấu tạo của phân tử HA 1. Tính chất hoá học HA không phản ứng với kiềm nhƣng phản ứng với các axit tạo thành muối canxi và nƣớc: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1) HA tƣơng đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 8000C đến 12000C tạo thành oxy-hydroxyapatite theo phản ứng: Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 x 1) (2) 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ở nhiệt độ lớn hơn 12000C, HA bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β – TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO: Ca10(PO4)6(OH)2 2β – Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O (3) Ca10(PO4)6(OH)2 3β – Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (4) 1.
Tính chất sinh học [5] Nhƣ đã trình bày ở trên, do có cùng bản chất và thành phần hoá học, HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tƣơng thích sinh học cao. 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 hoá 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. Chính vì vậy mà vật liệu này có tính tƣơng thích sinh học cao với các tế bào và 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.
Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể ngƣời và có tính sát khuẩn cao. Hợp chất HA tƣơng đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hƣởng của dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thƣớc nano, HA đƣợc cơ thể ngƣời hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lƣỡi và thực quản. Vì những đặc tính này, bột HA kích thƣớc nano đƣợc dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao.
Để chế tạo vật liệu HA có tính tƣơng thích sinh học cao và phù hợp với mục đích ứng dụng trong y sinh học và dƣợc học, cần chọn lựa quy trình chế tạo chúng bằng phƣơng pháp hóa học hay tách từ xƣơng động vật. Ứng dụng của HA 1. Ứng dụng của HA bột Do lƣợng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tƣơng đối thấp nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và ngƣời cao tuổi. Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thƣờng nằm ở dạng hợp chất hoà tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thƣờng phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cƣờng việc hấp thụ và chuyển hoá canxi thành HA.
Có thể bổ sung canxi cho cơ thể ngƣời bằng cách dùng thức ăn, thuốc tiêm hoặc truyền huyết thanh… Một phƣơng pháp hữu hiệu là sử dụng HA tự nhiên hoặc nhân tạo ở dạng bột mịn, kích thƣớc nano để bổ sung canxi [10]. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Với kích thƣớc cỡ 20 – 100 nm, HA đƣợc hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải chuyển hoá thêm. Để chữa trị căn bệnh loãng xƣơng, Cục Quản lý Thực phẩm và Dƣợc phẩm Mỹ (FDA) đã cho phép sử dụng HA trong sản xuất thuốc và thực phẩm chức năng. Nhiều loại thuốc và thực phẩm bổ sung canxi có sử dụng HA đã đƣợc lƣu hành trên thị trƣờng.
Trong số đó có thể kể đến Ossopan của Pháp, Bone Booster Complex, Bone Dense Calcium của Mỹ, Calcium Complex của Anh, SuperCal của New Zealand.4 là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung canxi sử dụng HA bột tự nhiên hoặc nhân tạo ở dạng vi tinh thể đang đƣợc lƣu hành trên thị trƣờng [16]. 4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể 1.