Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò Thừa Thiên Huế

Nghiên cứu chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò Thừa Thiên Huế, ứng dụng trong y học và công nghệ vật liệu. Tìm hiểu chi tiết trong luận văn thạc sĩ.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thêu
• Người hướng dẫn: PGS. Đào Quốc Hương
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò Thừa Thiên Huế
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính chất của hydroxyapatite
• 1.1.1. Tính chất vật lý
• 1.1.2. Tính chất hoá học
• 1.1.3. Tính chất sinh học
• 1.2. Vai trò và ứng dụng của HA
• 1.2.1. Ứng dụng của HA bột
• 1.2.2. Ứng dụng của HA dạng màng
• 1.2.3. Ứng dụng của HA dạng xốp
• 1.2.4. Ứng dụng của HA dạng composit
• 1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu HA
• 1.3.1. Trên thế giới
• 1.3.2. Nghiên cứu và ứng dụng HA ở Việt Nam
• 1.4. Các phương pháp tổng hợp HA
• 1.4.1. Phương pháp kết tủa
• 1.4.2. Phương pháp sol - gel
• 1.4.3. Phương pháp phun sấy
• 1.4.4. Phương pháp siêu âm hoá học
• 1.4.5. Phương pháp composit
• 1.4.6. Phương pháp điện hoá
• 1.4.7. Phương pháp thuỷ nhiệt (hoá nhiệt)
• 1.4.8. Phương pháp sử dụng vi sóng
• 1.5. Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu HA
• 1.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 1.5.2. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 1.5.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Dụng cụ, thiết bị, hóa chất và nguyên liệu đầu
• 2.1.1. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.1.2. Hóa chất và nguyên liệu đầu
• 2.2. Quy trình xử lý vỏ sò tạo nguyên liệu CaO
• 2.2.1. Quy trình làm sạch vỏ sò
• 2.2.2. Khảo sát điều kiện nung vỏ sò để chế tạo HA
• 2.2.3. Xác định hàm lượng cặn không tan và kim loại nặng
• 2.3. Tiến hành tổng hợp HA và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm
• 2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt CaO
• 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của phương pháp làm khô
• 2.3.3. Khảo sát thời gian hyđrat hóa CaO
• 2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ polymanto
• 2.4. Các kĩ thuật hóa lý đánh giá đặc trưng sản phẩm HA
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát điều kiện nung vỏ sò để tổng hợp HA
• 3.2. Tổng hợp HA từ vỏ sò nung bằng phương pháp kết tủa
• 3.2.1. Ảnh hưởng của kích thước hạt CaO ban đầu đến sản phẩm HA
• 3.2.2. Ảnh hưởng của phương pháp làm khô
• 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian hidrat hóa CaO
• 3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ polymanto
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò Thừa Thiên Huế

Nghiên cứu chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò Thừa Thiên Huế đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực vật liệu sinh học. Canxi hydroxyapatit (HA) là một hợp chất quan trọng, có vai trò lớn trong y học, đặc biệt là trong việc tái tạo xương và răng. Vỏ sò, với thành phần chủ yếu là CaCO3, được xem là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất HA. Việc tận dụng nguồn nguyên liệu này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị cao.

1.1. Tính chất và ứng dụng của canxi hydroxyapatit

Canxi hydroxyapatit có tính chất sinh học cao, dễ dàng tương thích với mô sống. HA được ứng dụng rộng rãi trong y học như vật liệu cấy ghép, bổ sung canxi và điều trị các bệnh lý liên quan đến xương. Nghiên cứu cho thấy HA có khả năng thúc đẩy quá trình tái sinh xương, giúp cải thiện sức khỏe xương khớp.

1.2. Vị trí địa lý và nguồn nguyên liệu vỏ sò Thừa Thiên Huế

Thừa Thiên Huế là một trong những vùng có trữ lượng vỏ sò lớn, với khoảng 1,8 triệu tấn. Vỏ sò tại đây chủ yếu được khai thác để làm vật liệu xây dựng và thức ăn chăn nuôi. Việc nghiên cứu chế tạo HA từ nguồn nguyên liệu này không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

II. Thách thức trong việc chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò cũng gặp phải một số thách thức. Đầu tiên, quá trình làm sạch và xử lý vỏ sò để loại bỏ tạp chất là rất quan trọng. Thứ hai, việc kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng HA như nhiệt độ, thời gian nung và phương pháp tổng hợp cũng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

2.1. Vấn đề ô nhiễm môi trường từ vỏ sò

Việc khai thác và xử lý vỏ sò có thể gây ra ô nhiễm môi trường nếu không được quản lý đúng cách. Cần có các biện pháp để giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái địa phương.

2.2. Khó khăn trong việc kiểm soát chất lượng sản phẩm

Chất lượng của canxi hydroxyapatit phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước hạt, độ tinh khiết và phương pháp tổng hợp. Việc kiểm soát các yếu tố này là một thách thức lớn trong nghiên cứu và sản xuất.

III. Phương pháp chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò

Có nhiều phương pháp để chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò, trong đó phương pháp kết tủa và phương pháp sol-gel là hai phương pháp phổ biến nhất. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến chất lượng và tính chất của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Phương pháp kết tủa

Phương pháp kết tủa là một trong những phương pháp đơn giản và hiệu quả để tổng hợp HA. Quá trình này bao gồm việc hòa tan vỏ sò trong dung dịch axit, sau đó kết tủa HA bằng cách thêm các ion canxi và photphat.

3.2. Phương pháp sol gel

Phương pháp sol-gel cho phép kiểm soát tốt hơn kích thước và hình dạng của hạt HA. Quá trình này bao gồm việc tạo ra một dung dịch gel từ các tiền chất, sau đó nung để tạo ra HA. Phương pháp này thường cho ra sản phẩm có độ tinh khiết cao và tính chất đồng nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của canxi hydroxyapatit

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng canxi hydroxyapatit từ vỏ sò Thừa Thiên Huế có chất lượng tốt và có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Các kết quả cho thấy HA có khả năng tương thích sinh học cao, phù hợp cho các ứng dụng trong y học và nha khoa.

4.1. Đánh giá chất lượng canxi hydroxyapatit

Các mẫu HA được tổng hợp từ vỏ sò đã được đánh giá về mặt hóa lý và sinh học. Kết quả cho thấy HA có cấu trúc tinh thể ổn định và khả năng tương thích sinh học tốt, phù hợp cho việc cấy ghép xương.

4.2. Ứng dụng trong y học và nha khoa

HA từ vỏ sò có thể được sử dụng trong các sản phẩm bổ sung canxi, vật liệu cấy ghép xương và điều trị các bệnh lý liên quan đến xương. Việc sử dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên như vỏ sò không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn thân thiện với môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu canxi hydroxyapatit

Nghiên cứu chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò Thừa Thiên Huế mở ra nhiều triển vọng cho việc phát triển vật liệu sinh học. Việc sử dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị cao cho y học.

5.1. Tương lai của nghiên cứu canxi hydroxyapatit

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện quy trình sản xuất HA, tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp để nâng cao chất lượng sản phẩm. Đồng thời, việc mở rộng ứng dụng của HA trong các lĩnh vực khác cũng cần được xem xét.

5.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Cần có các nghiên cứu sâu hơn về tính chất sinh học và khả năng tương thích của HA từ vỏ sò trong các ứng dụng lâm sàng. Việc hợp tác với các cơ sở y tế để thử nghiệm sản phẩm cũng là một hướng đi tiềm năng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vấn đề loãng xương và tổn thương mô xương đang gia tăng nhanh chóng trên toàn cầu, với hơn 200 triệu người mắc bệnh theo thống kê y tế quốc tế. Dự báo đến năm 2050, số ca gãy cổ xương đùi trên thế giới sẽ đạt khoảng 6,3 triệu trường hợp, trong đó tỷ lệ gãy xương hông tăng 310% ở nam giới và 240% ở nữ giới, với hơn 51% số ca tập trung tại các quốc gia Châu Á. Trước thực trạng này, nhu cầu về vật liệu sinh học canxi hydroxyapatit phục vụ cấy ghép và bào chế dược phẩm trở nên vô cùng cấp thiết. Tại Việt Nam, khu vực đầm Lập An thuộc thị trấn Lăng Cô, tỉnh Thừa Thiên Huế sở hữu nguồn tài nguyên vỏ sò tự nhiên rất lớn, ước tính trữ lượng đạt khoảng 1,8 triệu tấn. Tuy nhiên, nguồn phụ phẩm này chủ yếu chỉ được khai thác thô sơ để nung vôi xây dựng hoặc nghiền làm thức ăn chăn nuôi, dễ phát sinh nguy cơ ô nhiễm môi trường sinh thái ven đầm.

Phân tích hóa học chỉ ra rằng vỏ sò sau khi làm sạch bùn đất chứa hàm lượng canxi cacbonat đạt trên 96% khối lượng, là nguồn tiền chất vô cơ tự nhiên dồi dào và có độ tinh khiết cao. Luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Hóa vô cơ với đề tài nghiên cứu chế tạo canxi hydroxyapatit từ vỏ sò Thừa Thiên Huế được thực hiện trong khuôn khổ đề tài khoa học công nghệ cấp tỉnh năm 2014 nhằm giải quyết bài toán tái chế phụ phẩm thủy sản thành vật liệu y sinh giá trị cao. Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc xác lập quy trình làm sạch, nung phân hủy nhiệt vỏ sò thành canxi oxit, đồng thời tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp bột nano hydroxyapatit có tỷ lệ mol canxi trên photpho chuẩn 1,67. Kết quả đề tài mang ý nghĩa quan trọng, vừa nâng cao giá trị kinh tế của nguồn nguyên liệu địa phương lên gấp 5 đến 7 lần, vừa cung cấp nguồn nguyên liệu tương thích sinh học cao cho ngành y dược.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu dựa trên khoa học vật liệu vô cơ y sinh và hóa học tinh thể canxi photphat. Canxi hydroxyapatit với công thức hóa học Ca10(PO4)6(OH)2 là thành phần khoáng chất vô cơ chủ yếu, chiếm khoảng 65% khối lượng xương và 95% khối lượng men răng ở cơ thể người. Cấu trúc mạng tinh thể của hydroxyapatit thuộc hệ lục phương với nhóm không gian P63/m, sở hữu các hằng số mạng đặc trưng bao gồm a = b = 0,9417 nm và c = 0,6875 nm. Tỷ lệ mol Ca/P đạt giá trị lý thuyết 1,67 là yếu tố quyết định để tạo ra pha tinh thể ổn định, không bị hòa tan sớm trong dịch sinh học.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng quy tắc pha trên giản đồ hệ ba cấu tử CaO - P2O5 - H2O ở nhiệt độ 25°C để phân tích quá trình chuyển hóa giữa các hợp chất canxi photphat. Trong khoảng tỷ lệ Ca/P từ 1,5 đến 1,67, hệ hình thành dạng canxi photphat thiếu canxi, trong khi ở tỷ lệ lớn hơn 1,67 chỉ tồn tại duy nhất pha rắn hydroxyapatit hợp thức. Lý thuyết kết tủa hóa học ướt từ phản ứng giữa canxi hidroxit và axit photphoric giải thích cơ chế hình thành mầm tinh thể và sự phát triển cấu trúc nano dưới ảnh hưởng của pH và nhiệt độ. Đồng thời, lý thuyết biến tính bề mặt hạt nano bằng polymer sinh học polymaltose được tích hợp nhằm ngăn chặn hiện tượng tái kết tụ hạt, tăng cường khả năng phân tán trong môi trường dịch thể.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập thông qua quá trình xử lý và tổng hợp mẫu vỏ sò tự nhiên thu thập từ đầm Lập An với cỡ mẫu đại diện gồm nhiều loài như sò, ngao, hến, hàu. Phương pháp chọn mẫu áp dụng quy trình phân loại cơ học, loại bỏ các mảnh vỏ hình ống đường kính nhỏ khó làm sạch và rây lọc qua mắt sàng kích thước 1 cm để tách hoàn toàn đất cát. Quá trình làm sạch gồm ngâm nước máy trong 24 giờ, xịt rửa bằng vòi nước áp lực cao, tráng nước cất và sấy khô trước khi tiến hành nung phân hủy nhiệt tại các dải nhiệt độ 800°C và 900°C với thời gian 1 giờ và 2 giờ.

Phương pháp tổng hợp kết tủa hóa học được thực hiện bằng cách cho phản ứng giữa huyền phù Ca(OH)2 và dung dịch H3PO4 nồng độ 0,3 M với tốc độ cấp 1,67 ml/phút ở nhiệt độ phòng 25 - 30°C, duy trì khuấy trộn 400 vòng/phút và thời gian già hóa 4 giờ. Lý do lựa chọn hệ phương pháp phân tích hóa lý hiện đại nhằm kiểm soát chính xác cấu trúc tinh thể và hình thái hạt: phương pháp nhiễu xạ tia X giúp định danh pha tinh thể và tính toán kích thước tinh thể qua phương trình Scherrer tại góc 2 theta 25,88 độ; phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier xác định các nhóm dao động chức trong dải bước sóng 576 cm-1 đến 3445 cm-1; kính hiển vi điện tử quét và truyền qua quan sát kích thước hạt 20 - 100 nm; phương pháp phân tích nhiệt khối lượng và phổ khối plasma cảm ứng đo hàm lượng cặn không tan và kim loại nặng theo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng trong quy trình chế tạo vật liệu:

Thứ nhất, quá trình nung vỏ sò ở nhiệt độ 900°C trong thời gian 2 giờ cho hiệu quả phân hủy hoàn toàn cacbonat thành canxi oxit đơn pha với hiệu suất hao hụt khối lượng đạt 44,12%, đồng thời hàm lượng cặn không tan trong axit giảm xuống dưới 0,08%. Phân tích phổ khối cho thấy hàm lượng các kim loại nặng độc hại như chì, asen, cadimi và thủy ngân đều ở mức dưới 0,5 ppm, đáp ứng nghiêm ngặt các tiêu chuẩn an toàn y sinh.

Thứ hai, kích thước hạt canxi oxit ban đầu ảnh hưởng rõ rệt đến độ mịn của sản phẩm. Khi sử dụng hạt canxi oxit có kích thước nhỏ hơn 0,074 mm kết hợp thời gian hydrat hóa 4 giờ, phản ứng kết tủa với axit photphoric diễn ra đồng đều, tạo ra sản phẩm hydroxyapatit có độ kết tinh cao đạt trên 92% và độ tinh khiết pha đạt xấp xỉ 100%.

Thứ ba, phương pháp làm khô đóng vai trò quyết định đến trạng thái tập hợp hạt nano. Kỹ thuật đông khô ở nhiệt độ âm 50°C dưới áp suất 600 mbar và phương pháp sấy phun ở nhiệt độ đầu vào 120 - 130°C giúp sản phẩm duy trì kích thước hạt nano dạng que dài 40 - 70 nm, giảm tỷ lệ kết tụ khối hơn 65% so với phương pháp sấy nhiệt tủ 100°C kéo dài 48 giờ.

Thứ tư, việc bổ sung biến tính polymer sinh học polymaltose với tỷ lệ khối lượng từ 20% đến 40% đã ức chế mạnh mẽ sự phát triển bất định của mầm tinh thể, giúp tạo ra các hạt nano hình cầu đồng đều với kích thước trung bình chỉ từ 20 đến 35 nm.

Thảo luận kết quả

Các kết quả phân tích pha tinh thể qua giản đồ nhiễu xạ tia X được biểu diễn trực quan, thể hiện rõ các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của hydroxyapatit tại các góc 2 theta 25,88 độ, 31,77 độ và 32,90 độ tương ứng với các mặt mạng 002, 211 và 300 theo chuẩn quốc tế. Trên bảng dữ liệu phổ hồng ngoại biến đổi Fourier, các dải hấp thụ dao động biến dạng của liên kết O-P-O tại 576 cm-1, 603 cm-1 cùng dao động kéo dãn của nhóm hydroxyl tự do tại 3570 cm-1 và phân tử nước liên kết tại 3445 cm-1 minh chứng sản phẩm đạt cấu trúc đơn pha hoàn chỉnh, không lẫn pha phụ tricanxi photphat.

So sánh với các nghiên cứu tổng hợp hydroxyapatit từ xương bò hoặc san hô tự nhiên, việc sử dụng vỏ sò đầm Lập An giúp giảm nhiệt độ nung tiền chất từ 1000°C xuống 900°C và rút ngắn thời gian xử lý mẫu thô xuống 50%, trong khi chi phí hóa chất giảm khoảng 45%. Cơ chế phản ứng kết tủa được tối ưu hóa nhờ việc kiểm soát tốc độ nhỏ axit 1,67 ml/phút và nồng độ ion OH- sinh ra trong 4 giờ hydrat hóa, duy trì môi trường kiềm pH từ 9 đến 10. Sự hiện diện của polymaltose tạo lớp bao bọc điện tích quanh bề mặt tinh thể, ngăn cản hiện tượng thiêu kết sớm của các hạt nano.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận thực nghiệm, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp cụ thể nhằm đưa quy trình vào ứng dụng sản xuất thực tế:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình sơ chế và nung phân hủy nhiệt vỏ sò quy mô bán công nghiệp 50 - 100 kg mỗi mẻ. Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Thừa Thiên Huế cùng các cơ sở chế biến thủy sản cần phối hợp đầu tư hệ thống lò nung điện trở gia nhiệt tự động 900°C trong lộ trình 12 tháng, nhằm xử lý 100% nguồn phụ phẩm vỏ sò tồn đọng tại đầm Lập An và đạt tỷ lệ chuyển hóa canxi oxit trên 98%.

Thứ hai, áp dụng đồng bộ hệ thống sấy phun công nghiệp với nhiệt độ buồng sấy 120 - 130°C cho dây chuyền sản xuất nano hydroxyapatit. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu y sinh cần đầu tư thiết bị sấy liên tục trong giai đoạn 2016 - 2018 nhằm hạ độ ẩm sản phẩm xuống dưới 2% và duy trì kích thước hạt nano ổn định trong dải 30 - 60 nm.

Thứ ba, hoàn thiện công thức phối trộn polymaltose tỷ lệ 30% để sản xuất chế phẩm bổ sung canxi nano hữu cơ. Các viện nghiên cứu dược liệu và công ty dược phẩm cần tiến hành thử nghiệm tiền lâm sàng trên động vật trong thời gian 18 tháng, hướng tới mục tiêu tăng hiệu suất hấp thu canxi qua đường tiêu hóa lên trên 85% so với canxi vô cơ thông thường.

Thứ tư, xây dựng bộ tiêu chuẩn cơ sở và kiểm định sinh học độc tính tế bào cho sản phẩm bột nano hydroxyapatit chiết xuất từ vỏ sò. Hội đồng chuyên ngành thuộc Bộ Y tế và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cần thực hiện đánh giá độc tính cấp và khả năng tương thích mô trong vòng 24 tháng, hoàn thiện hồ sơ đăng ký nguyên liệu làm gốm cấy ghép xương và kem đánh răng tái khoáng men răng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Thứ nhất, các nhà khoa học, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Hóa vô cơ, Khoa học vật liệu và Công nghệ nano. Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu chi tiết về các thông số động học phản ứng, giản đồ phân tích pha XRD, FTIR và cơ chế biến tính bề mặt hạt nano bằng polymer sinh học.

Thứ hai, các kỹ sư công nghệ và chuyên gia phát triển sản phẩm tại các công ty dược phẩm và thực phẩm chức năng. Luận văn cung cấp quy trình công nghệ điều chế bột canxi nano có độ hấp thu cao, hỗ trợ thiết kế các dòng viên nang chống loãng xương cho người già và siro bổ sung canxi cho trẻ em với tỷ lệ phối trộn tối ưu.

Thứ ba, các bác sĩ phẫu thuật chỉnh hình, nha sĩ và chuyên gia vật liệu cấy ghép y sinh. Công trình là tài liệu tham khảo giá trị trong việc ứng dụng bột nano hydroxyapatit để chế tạo gốm xốp sửa chữa khuyết tật xương, phủ màng sinh học lên trụ implant kim loại và tái tạo men răng tự nhiên.

Thứ tư, các nhà quản lý môi trường và doanh nghiệp chế biến thủy hải sản tại khu vực duyên hải miền Trung. Đề tài mở ra giải pháp công nghệ tuần hoàn kinh tế xanh, biến hàng triệu tấn phụ phẩm vỏ sò ven biển thành sản phẩm thương mại có giá trị gia tăng cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao vỏ sò đầm Lập An được lựa chọn làm nguyên liệu tổng hợp hydroxyapatit? Vỏ sò tại đầm Lập An có trữ lượng dồi dào ước đạt 1,8 triệu tấn với hàm lượng canxi cacbonat tinh khiết trên 96% khối lượng. Việc sử dụng nguồn nguyên liệu này vừa giúp hạ giá thành sản phẩm bột canxi y sinh từ 40% đến 50% so với hóa chất tinh khiết, vừa góp phần giải quyết tình trạng ô nhiễm chất thải rắn ven biển miền Trung.

2. Điều kiện nung tối ưu nào giúp chuyển hóa hoàn toàn vỏ sò thành canxi oxit? Nhiệt độ nung tối ưu được xác định là 900°C duy trì trong thời gian 2 giờ với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút. Tại điều kiện này, 100% canxi cacbonat trong vỏ sò bị nhiệt phân hoàn toàn thành canxi oxit đơn pha với tỷ lệ hao hụt khối lượng 44,12%, đồng thời loại bỏ sạch các tạp chất hữu cơ và vi sinh vật.

3. Kích thước hạt nano trong khoảng 20 - 100 nm mang lại lợi ích gì cho cơ thể? Bột hydroxyapatit ở kích thước nano 20 - 100 nm có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn, giúp tăng khả năng hấp thu trực tiếp qua thành ruột non lên trên 80% mà không gây lắng cặn tại thận hoặc kích ứng dạ dày. Khi chế tạo gốm cấy ghép, kích thước nano giúp hạ nhiệt độ thiêu kết từ 1200°C xuống 800 - 1000°C.

4. Polymaltose đóng vai trò gì trong quá trình tổng hợp nano hydroxyapatit? Polymaltose hoạt động như một chất điều hòa phát triển tinh thể và phân tán bề mặt sinh học. Khi bổ sung polymaltose ở tỷ lệ 20% đến 40%, các chuỗi polymer bao bọc mầm tinh thể, ức chế quá trình kết tụ tự nhiên và tạo ra các hạt nano hình cầu đồng đều có kích thước nhỏ dưới 35 nm.

5. Phương pháp làm khô nào đạt hiệu quả cao nhất đối với bột nano hydroxyapatit? Phương pháp đông khô ở âm 50°C dưới áp suất 600 mbar và phương pháp sấy phun ở 120 - 130°C cho hiệu quả vượt trội. Cả hai kỹ thuật này ngăn chặn hiện tượng tạo cầu lỏng liên kết hạt, giúp giảm hơn 65% độ vón cục so với sấy nhiệt thông thường ở 100°C trong 48 giờ.

Kết luận

Luận văn đã thực hiện trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và mang lại những đóng góp khoa học nổi bật:

• Chuyển hóa thành công nguồn phụ phẩm 1,8 triệu tấn vỏ sò Thừa Thiên Huế thành vật liệu canxi hydroxyapatit y sinh có độ tinh khiết cao.
• Xác lập chế độ nung tối ưu ở 900°C trong 2 giờ để điều chế canxi oxit tinh khiết đạt tỷ lệ cặn không tan dưới 0,08%.
• Tối ưu hóa phản ứng kết tủa với axit photphoric ở tỷ lệ Ca/P chuẩn 1,67, tạo ra tinh thể hydroxyapatit đơn pha có độ kết tinh trên 92%.
• Ứng dụng kỹ thuật đông khô và sấy phun kết hợp phụ gia polymaltose 20 - 40%, kiểm soát kích thước hạt nano đồng nhất từ 20 đến 70 nm.
• Đạt tiêu chuẩn an toàn kim loại nặng với hàm lượng chì, asen, cadimi đều dưới 0,5 ppm, mở ra tiềm năng lớn cho ngành công nghiệp hóa dược.

Trong giai đoạn 2016 - 2020, quy trình công nghệ cần tiếp tục được mở rộng thử nghiệm ở quy mô pilot 100 kg/mẻ và đăng ký tiêu chuẩn chất lượng y tế. Đề tài khẳng định hướng đi đúng đắn trong việc kết hợp giữa khoa học vật liệu và kinh tế tuần hoàn xanh. Hãy liên hệ các viện nghiên cứu chuyên ngành để tiếp cận trọn vẹn quy trình công nghệ và hợp tác chuyển giao sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 [e-mail] 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 [e-mail] - 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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.