MỞ ĐẦU Trong cơ thể ngƣời, canxi và photpho là thành phần chính ở xƣơng và răng. Ngoài ra, những nguyên tố này tồn tại trong tự nhiên dƣới dạng flo-apatit Ca10(PO4)6F2, là một trong các hợp chất khoáng có tên chung là “apatit”. Các apatit là các hợp chất bền hoá, có thành phần tƣơng tự nhƣ các chất khoáng trong xƣơng. Tuỳ thuộc vào tỷ lệ Ca/P, pH, sự hiện diện của nƣớc, nhiệt độ và độ tinh khiết của sản phẩm mà ta thu đƣợc các pha khác nhau.
Trong các pha đó thì pha canxi hydroxyapatit (còn đƣợc gọi là hydroxyapatit, viết tắt là HA) có khả năng phân huỷ chậm nhất nên các tế bào xƣơng có thời gian để hoàn thiện và phát triển. HA 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 [16, 27]. Do có cùng bản chất hoá học và cấu trúc, có tỷ lệ Ca/P đúng nhƣ tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xƣơng và răng nên HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con ngƣời. Những đặc điểm trên dẫn đến khả năng ứng dụng lớn trong y học của HA.
HA đƣợc ứng dụng rộng rãi để bổ sung canxi, làm vật liệu phẫu thuật, cấy ghép xƣơng và răng [30]. Vì những đặc tính quý giá đó nên HA hiện đang trở thành đối tƣợng nghiên cứu chính của các nhà khoa học nhằm mục đích cải thiện các tính chất sinh học, hoá học của nó. Các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tổng hợp HA dạng bột mịn, siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phƣơng pháp khác nhau. HA dạng bột kích cỡ nano (trong khoảng 20 - 100 nm) có khả năng hấp thu dễ dàng vào cơ thể.
HA bột dạng 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. Ở dạng màng, một lớp HA siêu mịn, mỏng phủ trên gốm nhân tạo có thể tăng cƣờng khả năng liên kết giữa xƣơng nhân tạo với mô và xƣơng tự nhiên [1]. 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 bền trong các dịch sinh lý của cơ thể, có tác dụng nhả chậm các dƣợc chất đi kèm với nó [23, 51].
1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. Từ năm 2005, nhóm nghiên cứu thuộc Phòng Hoá Vô cơ, Viện Hoá học (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã thực hiện các nghiên cứu về tổng hợp vật liệu HA dạng bột [2, 3] và dạng xốp [20] hƣớng đến ứng dụng trong dƣợc học và y sinh học. Bên cạnh việc tìm ra các phƣơng pháp tổng hợp để thu đƣợc vật liệu có các tính chất vật lý và hóa học phù hợp với từng ứng dụng cụ thể, ngày nay các nghiên cứu có xu hƣớng sử dụng các nguồn nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên, thân thiện với môi trƣờng và có giá thành rẻ.
Các nguồn nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên đƣợc sử dụng để điều chế HA nhƣ: xƣơng động vật [33], san hô [19], và vỏ sò [41, 24, 17], vỏ trứng [40, 7]. Trong số đó, vỏ sò đƣợc coi là nguồn cung cấp canxi có nguồn gốc tự nhiên, có trữ lƣợng lớn và chi phí xử lý thấp.Các nghiên cứu chỉ ra rằng mặc dù các loại vỏ sò có sự khác biệt về đặc điểm và nguồn gốc nhƣng chúng có thành phần hóa học rất giống nhau, chủ yếu là CaCO3. Đầm Lập An, thị trấn Lăng Cô, Thừa Thiên Huếcó trữ lƣợng vỏ sò rất lớn (ƣớc đạt 1,8 triệu tấn) hiện đang đƣợc khai thác với mục đích chủ yếu là nung vôi làm vật liệu xây dựng, xử lý ao nuôi trồng thủy sản và nghiền làm thức ăn chăn nuôi (Nguyễn Văn Canh, 2003). Vỏ sò khai thác từ đầm Lập An có thành phần loài đa dạng nhƣ vỏ ốc, sò, hến, ngao, hàu với các kích cỡ khác nhau.
Nhằm tạo ra một sản phẩm có hàm lƣợng khoa học cao, vỏ sò Thừa Thiên Huế đang đƣợc nghiên cứu để chế tạo vật liệu HA bằng các phƣơng pháp khác nhau. Sau khi rửa sạch bùn đất, hàm lƣợng canxi trung bình trong vỏ sò đạt trên 96% khối lƣợng (tính theo CaCO3), hàm lƣợng các kim loại nặng rất ít. Để tận dụng đƣợc nguồn vỏ sò lớn cũng nhƣ hạn chế tình trạng ô nhiễm môi trƣờng, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò Thừa Thiên Huế”. Đề tài có mục đích tổng hợp HA từ vỏ sò và khảo sát một số yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng HA thu đƣợc.
Đề tài tập trung khảo sát các nội dung sau: 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Nghiên cứu quá trình làm sạch và chuẩn bị vỏ sò làm nguyên liệu để tổng hợp HA; - Tổng hợp HA từ vỏ sò: Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian chuyển hóa CaO thành Ca(OH)2; Khảo sát ảnh hƣởng của phƣơng pháp làm khô sản phẩm; Khảo sát ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt CaO ban đầu đến sản phẩm; Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ polymanto. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính chất của hydroxyapatite 1.1 Tính chất vật lý Hydroxyapatit (HA) là một tinh thể màu trắng ngà, sôi ở 2850oC và nóng chảy tại 1700oC. Ở 25oC, độ tan trong nƣớc của HA là 0,7g/l, tỷ trọng 3,08 g/cm3. Về mặt cấu trúc, HA có dạng hình lục phƣơng và thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a = 0,9417 nm, b = 0,9417 nm và c = 0,6875 nm, α = β = 900 và γ = 1200 [45].
Cấu trúc mạng của HA bao gồm các ion Ca2+, PO43- và OH– và chúng đƣợc sắp xếp trong các ô đơn vị nhƣ trong Hình 1.1: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA Trong tổng số 14 ion Ca2+ thì có 6 ion thuộc về HA và nằm trọn vẹn trong ô mạng đơn vị, còn lại 8 ion nằm trên chu vi hai mặt đáy đƣợc dùng chung với các ô đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ô là 4 ion. Tƣơng tự nhƣ thế, trong số 10 nhóm PO43- thì 2 nhóm nằm ở bên trong ô đơn vị còn 8 nhóm thì nằm trên chu vi của hai mặt đáy nhƣng chỉ có 6 nhóm thuộc về ô đơn vị, 6 nhóm này bao gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của hai mặt đáy. Giống nhƣ vậy, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH– chỉ ra trong hình là thuộc về ô đơn vị. Số lƣợng các ion xuất hiện trong ô đơn vị có thể không đúng với công thức phân tử của HA.
Điều này có thể giải thích do sự lặp lại của các ô đơn vị trong hệ đối xứng ba chiều. Với cách giải thích nhƣ trên thì trong một phân tử HA bao gồm có 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH–, từ đó ta có thể khẳng định HA có công thức phân tử là Ca10(PO4)6(OH)2. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Zaluzec (2003) đã nghiên cứu và chỉ ra công thức cấu tạo của phân tử HA đƣợc thể hiện trên Hình 1.2, 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 [36]: Hình 1.2: Công thức cấu tạo của phân tử HA Về mặt hình dạng thì các tinh thể HA thƣờng có dạng hình cầu, hình lá, hình que hoặc hình kim, đôi khi HA còn có dạng hình vảy.3: Một số loại hình dạng của tinh thể HA (a) Hình cầu (b) Hình sợi (c) Hình vảy (d) Hình kim 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tuỳ theo các phƣơng pháp tổng hợp khác nhau (nhƣ phƣơng pháp kết tủa, phƣơng pháp sol - gel, phƣơng pháp điện hoá) cũng nhƣ các điều kiện tổng hợp khác nhau (nhƣ thay đổi nhiệt độ phản ứng, pH trƣớc già hóa, tốc độ nạp liệu, thời gian già hoá sản phẩm hay môi trƣờng phản ứng…) mà các tinh thể HA có hình dạng khác nhau.2 Tính chất hoá học HA không phản ứng với kiềm nhƣng phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nƣớc: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1.1) HA tƣơng 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) (1.2) Ngoài ra, HA có thể bị phân hủy thành các chất khác trong nhóm canxi photphat tùy theo điều kiện. Ví dụ: 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 (1.3 Tính chất sinh học [36] HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tƣơng thích sinh học cao do có cùng bản chất và thành phần hoá học. 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. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Vai trò và ứng dụng của HA Khi phân tích thành phần xƣơng ngƣời, ngƣời ta thấy xƣơng gồm có phần vô cơ và hữu cơ. Phần hữu cơ chiếm khoảng 30% trọng lƣợng cơ thể, đƣợc tạo bởi các collagen, các men chân răng và các thành phần tế bào xốp.