Nghiên Cứu Tính Chất Kháng Khuẩn và Hoạt Tính Quang Xúc Tác của Vật Liệu Hydroxyapatite Pha Tạp Đồng

Khóa luận nghiên cứu tính chất kháng khuẩn và khả năng quang xúc tác của hydroxyapatite pha tạp copper, ứng dụng trong y học và công nghệ.

• Tác giả: Đỗ Nguyễn Phương Uyên
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Trúc Linh
• Trường học: Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa học vô cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Kháng Khuẩn và Hoạt Tính Quang Xúc Tác của Vật Liệu Hydroxyapatite Pha Tạp Đồng
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vật liệu Hydroxyapatite
• 1.2. Các phương pháp tổng hợp hydroxyapatite
• 1.3. Tình hình nghiên cứu về tổng hợp và ứng dụng của hydroxyapatite
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất, thiết bị
• 2.2. Tổng hợp vật liệu hydroxyapatite pha tạp copper
• 2.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.4. Phương pháp hấp phụ N2 Brunauer-Emmett-Teller (BET)
• 2.5. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán (DRS)
• 2.6. Khảo sát hoạt tính của vật liệu
• 2.6.1. Hoạt tính kháng khuẩn của sản phẩm
• 2.6.2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy Orange G của các sản phẩm
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Đặc trưng của sản phẩm Cu/HAp
• 3.2. Hàm lượng Copper đã tham gia phản ứng
• 3.3. Các đặc trưng của vật liệu Cu/HAp
• 3.4. Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu
• 3.5. Khả năng ứng dụng làm vật liệu quang xúc tác của các sản phẩm Cu/HAp
• 3.6. Xác định bước sóng hấp thu cực đại của dung dịch OG
• 3.7. Khảo sát điều kiện tối ưu cho hoạt tính xúc tác
• 3.7.1. Ảnh hưởng của khối lượng dung dịch H2O 30% đến hoạt tính xúc tác
• 3.7.2. Ảnh hưởng của hàm lượng ion Cu2+ có trong mẫu vật liệu
• 3.7.3. Ảnh hưởng của khối lượng bột vật liệu xúc tác
• 3.7.4. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Orange G
• 3.7.5. Khả năng hấp phụ của vật liệu Cu/HAp với điều kiện tối ưu đã khảo sát
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên cứu tính chất kháng khuẩn của Hydroxyapatite

Nghiên cứu về Hydroxyapatite (HAp) đã thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực y học và công nghệ vật liệu. HAp là thành phần chính của xương và răng, có cấu trúc hóa học tương tự như mô xương tự nhiên. Việc cải thiện tính chất kháng khuẩn của HAp thông qua việc pha tạp các kim loại như đồng (Cu) đã mở ra hướng đi mới trong việc phát triển vật liệu cấy ghép. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao khả năng kháng khuẩn mà còn cải thiện khả năng quang xúc tác của vật liệu, từ đó ứng dụng trong điều trị và bảo vệ sức khỏe.

1.1. Đặc điểm hóa học và cấu trúc của Hydroxyapatite

HAp có công thức hóa học là Ca10(PO4)6(OH)2, với tỷ lệ mol Ca/P là 1.67. Cấu trúc của HAp có dạng lục phương, cho phép nó tương thích tốt với mô xương. Sự hiện diện của các nhóm hydroxyl OH- trong cấu trúc HAp đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tính ổn định và khả năng tương tác với các ion khác.

1.2. Tình hình nghiên cứu về Hydroxyapatite pha tạp

Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc pha tạp các kim loại như đồng vào HAp có thể cải thiện đáng kể tính chất kháng khuẩn của vật liệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng Cu có khả năng ức chế sự phát triển của nhiều loại vi khuẩn, từ đó giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng trong quá trình cấy ghép.

II. Thách thức trong việc cải thiện tính chất kháng khuẩn của HAp

Mặc dù HAp có nhiều ưu điểm, nhưng việc cải thiện tính chất kháng khuẩn vẫn gặp nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là khả năng kháng thuốc của vi khuẩn ngày càng gia tăng, làm cho việc điều trị trở nên khó khăn hơn. Việc sử dụng thuốc kháng sinh không đúng cách có thể dẫn đến sự phát triển của các chủng vi khuẩn kháng thuốc, gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho sức khỏe.

2.1. Tình trạng kháng thuốc của vi khuẩn

Kháng thuốc là một vấn đề nghiêm trọng trong y tế hiện đại. Việc sử dụng thuốc kháng sinh không đúng cách đã dẫn đến sự phát triển của các chủng vi khuẩn kháng thuốc, làm tăng thời gian điều trị và có thể dẫn đến tử vong. Do đó, cần có các vật liệu mới có khả năng kháng khuẩn tốt hơn.

2.2. Những hạn chế của HAp trong ứng dụng thực tiễn

Mặc dù HAp có tính tương thích sinh học tốt, nhưng nó vẫn thiếu tính kháng khuẩn tự nhiên. Điều này khiến cho việc sử dụng HAp trong các ứng dụng y tế gặp khó khăn, đặc biệt là trong các ca phẫu thuật cấy ghép, nơi mà nguy cơ nhiễm trùng là rất cao.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất kháng khuẩn của HAp pha tạp đồng

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp đồng kết tủa để tổng hợp vật liệu HAp pha tạp đồng. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt hàm lượng đồng trong cấu trúc HAp, từ đó cải thiện tính chất kháng khuẩn và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu. Các phương pháp phân tích như XRD và DRS được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu.

3.1. Phương pháp đồng kết tủa trong tổng hợp HAp

Phương pháp đồng kết tủa là một trong những kỹ thuật hiệu quả để tổng hợp HAp pha tạp. Kỹ thuật này cho phép tạo ra các hạt HAp với kích thước đồng đều và kiểm soát được hàm lượng đồng trong cấu trúc, từ đó nâng cao tính chất kháng khuẩn của vật liệu.

3.2. Phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu

Các phương pháp phân tích như XRD và DRS được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể và tính chất quang của vật liệu HAp pha tạp đồng. Kết quả phân tích cho thấy sự thay đổi trong cấu trúc và tính chất quang của vật liệu khi có sự hiện diện của đồng.

IV. Kết quả nghiên cứu về hoạt tính kháng khuẩn của HAp pha tạp đồng

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu HAp pha tạp đồng có hoạt tính kháng khuẩn tốt hơn so với HAp nguyên chất. Các thí nghiệm cho thấy khả năng ức chế sự phát triển của nhiều loại vi khuẩn, bao gồm E. coli và S. aureus. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu trong y tế, đặc biệt là trong các ca phẫu thuật cấy ghép.

4.1. Hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu HAp pha tạp

Các thí nghiệm cho thấy vật liệu HAp pha tạp đồng có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn E. coli và S. aureus. Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu trong việc giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng trong các ca phẫu thuật.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của HAp pha tạp đồng

Vật liệu HAp pha tạp đồng có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực y tế như cấy ghép xương và khớp. Khả năng kháng khuẩn của vật liệu giúp giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng, từ đó nâng cao hiệu quả điều trị và phục hồi cho bệnh nhân.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về tính chất kháng khuẩn và hoạt tính quang xúc tác của vật liệu HAp pha tạp đồng đã mở ra hướng đi mới trong việc phát triển vật liệu cấy ghép. Kết quả nghiên cứu cho thấy HAp pha tạp đồng không chỉ có tính tương thích sinh học tốt mà còn có khả năng kháng khuẩn vượt trội. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các tính chất của vật liệu và mở rộng ứng dụng trong y tế.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong lĩnh vực vật liệu y tế

Nghiên cứu về HAp pha tạp đồng có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực vật liệu y tế. Việc phát triển các vật liệu có tính kháng khuẩn tốt sẽ giúp nâng cao hiệu quả điều trị và giảm thiểu nguy cơ nhiễm trùng trong các ca phẫu thuật.

5.2. Hướng đi mới trong phát triển vật liệu cấy ghép

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc kết hợp HAp với các chất xúc tác quang khác để nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Điều này không chỉ giúp cải thiện tính chất kháng khuẩn mà còn mở rộng ứng dụng của vật liệu trong xử lý ô nhiễm môi trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của y học hiện đại cùng các tiến bộ kỹ thuật đã thúc đẩy nhu cầu ứng dụng vật liệu sinh học trong điều trị chấn thương và thay thế mô cứng như xương, khớp, cột sống. Xương là mô liên kết có chức năng nâng đỡ cơ thể và tái tạo liên tục, tuy nhiên khả năng hồi phục suy giảm dần theo độ tuổi và sau các tổn thương cơ học nghiêm trọng. Trong các phẫu thuật cấy ghép vật liệu thay thế xương, biến chứng nhiễm trùng hậu phẫu do vi khuẩn là nguy cơ đáng lo ngại. Việc lạm dụng hoặc sử dụng thuốc kháng sinh dự phòng đường uống/tiêm không đúng phác đồ, sai liều lượng không những không mang lại hiệu quả bảo vệ đầy đủ mà còn gia tăng áp lực chọn lọc, tạo điều kiện xuất hiện các chủng vi khuẩn kháng thuốc phức tạp. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển loại vật liệu cấy ghép có đặc tính cơ học và thành phần tương thích sinh học cao, đồng thời sở hữu hoạt tính kháng khuẩn tự thân mà không phụ thuộc hoàn toàn vào kháng sinh.

Bên cạnh lĩnh vực y sinh, vấn đề ô nhiễm môi trường nước do chất thải công nghiệp—đặc biệt từ ngành dệt may, hóa chất nhuộm và xi mạ—đang gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Thuốc nhuộm azo hòa tan trong nước thải dệt may ngăn cản sự thâm nhập của ánh sáng mặt trời, cản trở quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh, đồng thời gây viêm da, dị ứng và nguy cơ đột biến tế bào.

Hydroxyapatite ($Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$ - viết tắt là HAp) là thành phần vô cơ chủ yếu của xương và răng ở động vật có xương sống. Nhờ cấu trúc tinh thể tương đồng với khoáng xương tự nhiên, HAp có tính tương thích sinh học vượt trội, song vật liệu HAp nguyên chất lại thiếu hoạt tính kháng khuẩn và có hiệu suất xúc tác quang xử lý chất ô nhiễm hữu cơ tương đối thấp do năng lượng vùng cấm lớn. Để khắc phục các hạn chế này, hướng nghiên cứu pha tạp ion kim loại sinh học như đồng ($Cu^{2+}$) vào mạng lưới tinh thể HAp đã được tác giả Đỗ Nguyễn Phương Uyên lựa chọn thực hiện trong khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Hóa học vô cơ tại Thành phố Hồ Chí Minh (năm 2024), dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Thị Trúc Linh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể gồm:

1. Tổng hợp vật liệu hydroxyapatite pha tạp copper ($Cu/HAp$) bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học với các tỷ lệ mol $Cu/(Cu+Ca)$ khác nhau: 0,01; 0,02; 0,05 và 0,10.
2. Định lượng hàm lượng ion $Cu^{2+}$ tham gia vào phản ứng tạo kết tủa và xác định hiệu suất chuyển hóa ion đồng vào cấu trúc vật liệu.
3. Khảo sát cấu trúc tinh thể, pha vật liệu, diện tích bề mặt riêng và tính chất quang học của các mẫu tổng hợp thông qua các phương pháp XRD, BET và DRS.
4. Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn in vitro của vật liệu trước và sau khi nung trên 4 chủng vi khuẩn (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis).
5. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác phân hủy phẩm màu Orange G (OG) dưới bức xạ tử ngoại (UVA) kết hợp tác nhân oxy hóa $H_2O_2$, xác định các điều kiện phản ứng tối ưu và đánh giá theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir cùng động học giả bậc nhất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ vật liệu nano hydroxyapatite pha tạp copper ($Ca_{10-x}Cu_x(PO_4)6(OH)2$); 4 chủng vi khuẩn kiểm định chuẩn gồm 2 chủng Gram âm (E. coli, P. aeruginosa) và 2 chủng Gram dương (S. aureus, B. subtilis); chất ô nhiễm hữu cơ mô hình là phẩm màu azo Orange G ($C{16}H{10}N_2O_7S_2Na_2$).
• Phạm vi nghiên cứu: Khóa luận giới hạn ở quy mô thực nghiệm phòng thí nghiệm bộ môn Hóa học vô cơ, phối hợp đo đạc kiểm tra tại Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ cao TP.HCM, hoàn thành vào tháng 5 năm 2024.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào tinh thể học của vật liệu hydroxyapatite và cơ chế pha tạp ion kim loại đồng hình. Hydroxyapatite nguyên chất chứa 39,89% Ca và 18,49% P về khối lượng, với tỷ lệ mol $Ca/P$ lý thuyết đạt 1,67. Vật liệu tồn tại ở dạng thù hình lục phương (hexagonal, nhóm không gian $P6_3/m$, thông số mạng $a = b = 9,545$ Å, $c = 6,919$ Å) hoặc dạng đơn tà (monoclinic, nhóm không gian $P2_1/c$). Cấu trúc mạng tinh thể được tạo thành từ các tứ diện $PO_4^{3-}$ độc lập liên kết với các khối đa diện của ion canxi; trong đó các ion $Ca^{2+}$ phân bố ở hai vị trí: Ca(I) phối trí 6 với nguyên tử oxy và Ca(II) phối trí 7 (liên kết với 6 nguyên tử oxy của tứ diện phosphat và 1 nguyên tử oxy của nhóm hydroxyl $OH^-$). Cơ chế biến tính dựa trên sự thay thế ion $Ca^{2+}$ (bán kính ion 0,99 Å) bằng cation kim loại sinh học $Cu^{2+}$ (bán kính ion nhỏ hơn, đạt 0,77 Å) vào mạng lưới tinh thể, tạo ra khuyết tật mạng, làm thay đổi thông số mạng, thu hẹp năng lượng vùng cấm ($E_g$) và giải phóng đặc tính kháng khuẩn tự nhiên của ion đồng.

Tên hóa chất	Công thức phân tử	Độ tinh khiết	Xuất xứ	Vai trò trong nghiên cứu
Calcium nitrate tetrahydrate	$Ca(NO_3)_2 \cdot 4H_2O$	99,0%	Trung Quốc	Tiền chất cung cấp ion $Ca^{2+}$
Copper nitrate trihydrate	$Cu(NO_3)_2 \cdot 3H_2O$	99,91%	Trung Quốc	Tiền chất cung cấp ion $Cu^{2+}$ pha tạp
Disodium hydrogen phosphate	$Na_2HPO_4 \cdot 12H_2O$	99,90%	Trung Quốc	Tiền chất cung cấp nhóm phosphat $PO_4^{3-}$
Dung dịch Ammonia	$NH_3$ 25%	99,99%	Trung Quốc	Tác nhân điều chỉnh và duy trì pH kiềm (10–11)
Hydrogen peroxide	$H_2O_2$ 30%	99,99%	Trung Quốc	Tác nhân oxy hóa tạo gốc tự do trong quang xúc tác
Orange G	$C_{16}H_{10}N_2O_7S_2Na_2$	99,90%	Trung Quốc	Phẩm màu hữu cơ mô hình đánh giá hoạt tính quang hóa

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tác giả triển khai bao gồm:

• Phương pháp tổng hợp: Đồng kết tủa hóa học (coprecipitation) từ dung dịch hỗn hợp muối $(Ca+Cu)$ nồng độ 0,5 M và dung dịch $Na_2HPO_4$ 0,3 M ở tỷ lệ mol $(Ca+Cu)/P = 1,67$. Phản ứng tiến hành ở nhiệt độ phòng, khuấy từ 500 vòng/phút, duy trì pH trong khoảng 10–11 bằng dung dịch $NH_3$ 5% và 10%. Kết tủa thu được được rửa sạch tạp chất bằng nước cất và isopropyl alcohol (IPA), sấy khô ở 100–110°C trong 24 giờ, nghiền mịn trong 30 phút và nung tại 500°C trong 2 giờ.
• Phương pháp định lượng Cu: Sử dụng máy so màu trắc quang Palintest Photometer 7100, đo độ hấp thụ của phức chất màu giữa ion $Cu^{2+}$ và viên thuốc thử Coppercol No 2 (muối của 2,2'-biquinoline-4,4'-dicarboxylic acid) ở dải nồng độ 0–5 mg/L để xác định hàm lượng ion đồng tự do trước và sau phản ứng kết tủa.
• Phương pháp phân tích đặc trưng hóa lý:
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Thực hiện trên thiết bị Bruker D8 Advance với bức xạ Cu-$K\alpha$ ($\lambda = 1,540598$ Å), quét góc $2\theta$ từ $20^\circ$ đến $70^\circ$, bước nhảy $0,02^\circ$, thời gian dừng 1 giây/bước. Kích thước tinh thể $d$ được tính toán qua phương trình Scherrer: $d = (K\lambda) / (\beta \cos\theta)$ với hằng số $K = 0,89$.
  • Hấp phụ đẳng nhiệt $N_2$ (BET/BJH): Thực hiện trên máy Quantachrome NOVA 4000e tại nhiệt độ -196°C sau khi đã khử khí ở 200°C dưới dòng khí He, xác định diện tích bề mặt riêng ($S_{BET}$) và kích thước mao quản trung bình.
  • Quang phổ phản xạ khuếch tán (DRS): Đo trên thiết bị UV-Vis JASCO V770, sử dụng phương trình Tauc: $(\alpha h\nu) = A(h\nu - E_g)^n$ để dựng đồ thị xác định năng lượng vùng cấm $E_g$.
• Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn: Sử dụng phương pháp khuếch tán giếng thạch trên môi trường Mueller-Hinton Agar (MHA). Nồng độ huyền phù vi khuẩn được chuẩn hóa tương đương 0,5 McFarland ($1,5 \times 10^8$ CFU/mL) rồi pha loãng về $10^6$ CFU/mL. Mẫu vật liệu phân tán trong dimethyl sulfoxide (DMSO) 10% đạt nồng độ 50 mg/mL, nhỏ 50 $\mu$L vào giếng thạch đường kính 4 mm. Đối chứng âm là DMSO 10% và đối chứng dương là dung dịch kháng sinh Levofloxacin 125 $\mu$g/mL; ủ ở 37°C trong 18 giờ để đo đường kính vòng vô khuẩn (mm).
• Đánh giá hoạt tính quang xúc tác: Phản ứng phân hủy dung dịch Orange G thể tích 150 mL diễn ra trong ly thủy tinh được làm mát ổn nhiệt bằng chậu nước lạnh, sục khí nén liên tục để phân tán hạt xúc tác, nguồn kích thích là đèn UVA (chiều dài 12,7 cm) đặt cách mặt bàn 36 cm. Nồng độ phẩm màu theo thời gian được xác định trên phổ UV-Vis qua mẫu lọc qua đầu lọc kích thước 0,45 $\mu$m; tính toán hiệu suất phân hủy $H%$, đường đẳng nhiệt Langmuir và hằng số tốc độ biểu kiến giả bậc nhất $K_{app}$.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu hydroxyapatite và hydroxyapatite biến tính. Tác giả đi sâu phân tích cấu trúc mạng tinh thể lục phương ($P6_3/m$) và đơn tà ($P2_1/c$), sự sắp xếp phối trí không gian của các tứ diện phosphat $PO_4^{3-}$ và hai loại vị trí canxi Ca(I), Ca(II). Nội dung chương so sánh toàn diện ưu và nhược điểm của 4 phương pháp tổng hợp HAp phổ biến: phương pháp cơ hóa (phản ứng pha rắn đơn giản nhưng hạt không đều, dễ lẫn pha), phương pháp sol-gel (độ tinh khiết cao, hạt mịn nhưng chi phí đắt và thời gian phản ứng kéo dài), phương pháp thủy nhiệt (tinh thể hoàn hảo nhưng đòi hỏi thiết bị chịu áp suất cao và phụ gia phức tạp), và phương pháp đồng kết tủa hóa học. Phương pháp đồng kết tủa được lựa chọn cho đề tài nhờ khả năng tiến hành ở nhiệt độ thấp, chi phí hóa chất thấp, quy trình thực hiện an toàn và sản phẩm phụ chủ yếu là muối tan cùng nước, thuận tiện loại bỏ hoàn toàn trong khâu lọc rửa.

Bên cạnh đó, chương tổng quan phân biệt bản chất giữa vật liệu composite (pha trộn cơ học/cốt nền, các pha giữ nguyên tính chất riêng) và vật liệu pha tạp cation kim loại (ion tạp chất thay thế vị trí canxi trong mạng tinh thể, làm biến dạng mạng và thay đổi tính chất nội tại của HAp). Tác giả tổng hợp tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về việc biến tính HAp bằng các ion $Zn^{2+}, Ag^+, Cu^{2+}, Ti^{4+}, Co^{2+}, Ni^{2+}$; trong đó nhấn mạnh vai trò của đồng ($Cu^{2+}$) như một nguyên tố vi lượng sinh học thiết yếu, có khả năng kích hoạt phản ứng photo-Fenton dị thể xúc tác phân hủy các chất màu hữu cơ độc hại như Methylene blue, Congo red và tăng cường khả năng tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất tinh khiết, hệ thống dụng cụ thủy tinh và các trang thiết bị kỹ thuật phục vụ chế tạo, phân tích vật liệu. Tác giả trình bày phương trình tổng quát tổng hợp hydroxyapatite pha tạp copper:

$$(10-x),Ca^{2+} + x,Cu^{2+} + 6,PO_4^{3-} + 2,OH^- \longrightarrow Ca_{10-x}Cu_x(PO_4)_6(OH)_2 \downarrow$$

với các tỷ lệ mol $Cu/(Cu+Ca)$ lần lượt là 0,01; 0,02; 0,05 và 0,10. Quy trình định lượng hàm lượng ion $Cu^{2+}$ trước và sau phản ứng bằng thiết bị so màu quang phổ Palintest Photometer 7100 được chuẩn hóa qua các bước pha loãng định mức và tạo phức màu với thuốc thử Coppercol No 2.

Chương này cũng thiết lập toàn bộ quy trình vận hành đo đạc nhiễu xạ tia X (XRD), đo hấp phụ/giải hấp $N_2$ (BET/BJH), đo phổ phản xạ khuếch tán (DRS) theo mô hình Tauc plot, quy trình pha chế môi trường thạch MHA và kỹ thuật trải đĩa petri phục vụ thử nghiệm kháng khuẩn. Quy trình khảo sát quang xúc tác phân hủy phẩm màu Orange G được thiết kế đơn biến qua 5 bước: (1) xác định bước sóng hấp thụ cực đại $\lambda_{max}$ của dung dịch Orange G; (2) khảo sát ảnh hưởng của khối lượng dung dịch $H_2O_2$ 30%; (3) khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ pha tạp Cu; (4) khảo sát ảnh hưởng của khối lượng bột xúc tác; và (5) khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Orange G ban đầu, kết hợp xây dựng phương trình đẳng nhiệt Langmuir và phương trình động học phản ứng.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các số liệu thực nghiệm định lượng và biện luận cơ chế hóa lý:

1. Hiệu suất chuyển hóa ion $Cu^{2+}$ vào kết tủa: Kết quả trắc quang cho thấy hàm lượng ion $Cu^{2+}$ tự do sau phản ứng kết tủa giảm mạnh. Ở mẫu Cu/HAp 0,01, nồng độ ion đồng sau phản ứng nằm dưới ngưỡng phát hiện của máy đo ($<0,00$ mg/L), tương ứng hiệu suất kết tủa đạt 100%. Các mẫu còn lại (Cu/HAp 0,02; 0,05 và 0,10) đều ghi nhận tỷ lệ ion $Cu^{2+}$ tham gia tạo kết tủa đạt trên 95%. Tác giả giải thích hiện tượng chuyển hóa triệt để này dựa trên quy luật tích số tan ($K_{sp}$):

Phản ứng tạo kết tủa	Tích số tan ($K_{sp}$)
$10,Ca^{2+} + 6,PO_4^{3-} + 2,OH^- \longrightarrow Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2 \downarrow$	$K_{sp1} = 10^{-116}$
$3,Cu^{2+} + 2,PO_4^{3-} \longrightarrow Cu_3(PO_4)_2 \downarrow$	$K_{sp3} = 1,4 \times 10^{-37}$
$Cu^{2+} + 2,OH^- \longrightarrow Cu(OH)_2 \downarrow$	$K_{sp2} = 2,2 \times 10^{-20}$

Vì tích số tan của mạng lưới HAp ($10^{-116}$) nhỏ hơn $10^{79}$ lần so với $Cu_3(PO_4)_2$ và nhỏ hơn $10^{96}$ lần so với $Cu(OH)_2$, nên hệ phản ứng ưu tiên tuyệt đối cho quá trình kết tinh đồng thời hình thành cấu trúc hydroxyapatite pha tạp copper, giúp ion $Cu^{2+}$ thay thế hoàn toàn ion $Ca^{2+}$ trong mạng tinh thể.

2. Cấu trúc tinh thể và kích thước hạt (XRD): Giản đồ XRD của các mẫu trước khi nung có đường nền gồ ghề, xuất hiện hiện tượng chập các đỉnh nhiễu xạ tại vùng góc $2\theta = 32^\circ - 34^\circ$, phản ánh độ tinh thể hóa thấp. Ngược lại, các mẫu sau khi nung ở 500°C trong 2 giờ thể hiện đường nền phẳng, xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ sắc nhọn đặc trưng tại các góc $2\theta = 25,943^\circ$ (mặt 002), $31,851^\circ$ (mặt 211) và $34,136^\circ$ (mặt 202), hoàn toàn trùng khớp với giản đồ chuẩn của hydroxyapatite dạng lục phương (ICSD 180315-289993, nhóm không gian $P6_3/m$). Không phát hiện bất kỳ đỉnh nhiễu xạ phụ của pha oxide đồng ($CuO, Cu_2O$) hay muối canxi phosphat khác, khẳng định ion đồng đã thâm nhập hoàn toàn vào ô mạng cơ sở của HAp mà không phá vỡ cấu trúc tinh thể đơn pha.

Khi tăng hàm lượng đồng pha tạp từ 0,01 đến 0,10, cường độ các đỉnh nhiễu xạ chính giảm dần, đồng thời kích thước tinh thể tính toán theo phương trình Scherrer giảm đều đặn trên cả 3 mặt phản xạ do bán kính ion $Cu^{2+}$ (0,77 Å) nhỏ hơn đáng kể so với $Ca^{2+}$ (0,99 Å):

Mẫu vật liệu	Kích thước mặt (002) (nm)	Kích thước mặt (211) (nm)	Kích thước mặt (202) (nm)
HAp nguyên chất	57,57	40,76	68,57
Cu/HAp 0,01	51,04	38,84	58,77
Cu/HAp 0,02	44,78	37,12	54,81
Cu/HAp 0,05	40,29	35,46	51,42
Cu/HAp 0,10	38,72	32,63	48,32

3. Tính chất quang học và bề mặt: Dữ liệu DRS cho thấy sự dịch chuyển bờ hấp thụ về vùng ánh sáng khả kiến và sự suy giảm độ rộng vùng cấm ($E_g$) của vật liệu Cu/HAp so với HAp nguyên chất. Phép đo hấp phụ đẳng nhiệt $N_2$ (BET) và phân bố kích thước mao quản BJH ghi nhận sự cải thiện về diện tích bề mặt tiếp xúc và độ xốp mao quản trung bình ở các mẫu pha tạp đồng.
4. Hoạt tính kháng khuẩn: Kết quả thử nghiệm giếng thạch sau 18 giờ ủ ở 37°C cho thấy đối chứng âm DMSO 10% không tạo vòng ức chế, đối chứng dương Levofloxacin 125 $\mu$g/mL tạo vòng vô khuẩn lớn chứng minh khả năng ức chế chuẩn. Các mẫu Cu/HAp sau nung thể hiện vòng vô khuẩn rõ rệt đối với cả 4 chủng vi khuẩn (E. coli, P. aeruginosa, S. aureus, B. subtilis), đường kính vòng kháng khuẩn tỷ lệ thuận với hàm lượng copper đưa vào pha tạp.
5. Khảo sát phản ứng quang xúc tác phân hủy Orange G: Phổ UV-Vis xác định hai đỉnh hấp thụ cực đại của dung dịch thuốc nhuộm Orange G tại các bước sóng $\lambda_1 = 330,94$ nm và $\lambda_2 = 479,45$ nm. Phản ứng phân hủy quang hóa diễn ra chậm khi không có chất xúc tác hoặc thiếu $H_2O_2$. Khi kết hợp đồng thời bột xúc tác Cu/HAp, dung dịch $H_2O_2$ 30% và bức xạ đèn UVA, mật độ quang của phẩm màu suy giảm mạnh sau 180 phút chiếu xạ. Quá trình khảo sát tối ưu hóa đã xác định được các điều kiện phản ứng thích hợp về hàm lượng dung dịch $H_2O_2$, hàm lượng pha tạp ion $Cu^{2+}$ trong mẫu, khối lượng bột xúc tác và nồng độ ban đầu của Orange G; đồng thời dữ liệu thực nghiệm phù hợp tốt với mô hình đẳng nhiệt Langmuir và động học phân hủy giả bậc nhất biểu kiến $\ln(C_0/C) = K_{app} t$.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương kết luận tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được của khóa luận: khẳng định phương pháp đồng kết tủa hóa học là giải pháp hiệu quả để tổng hợp thành công vật liệu nano hydroxyapatite pha tạp copper với hiệu suất kết tủa ion đồng đạt trên 95%; vật liệu nung ở 500°C duy trì cấu trúc lục phương đơn pha ổn định, có kích thước tinh thể nhỏ mịn, sở hữu hoạt tính kháng khuẩn đối với 4 chủng vi sinh vật thường gặp và thể hiện năng lực xúc tác phân hủy tốt phẩm màu dệt nhuộm Orange G trong hệ phản ứng photo-Fenton dị thể dưới bức xạ UVA. Tác giả kiến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng khả năng xử lý trên các hợp chất hữu cơ độc hại khác, kiểm tra chu kỳ tái sử dụng xúc tác và tiến hành các thử nghiệm in vivo về độ thôi nhiễm kim loại cùng tính tương thích sinh học tế bào.

---

Kết quả và đóng góp

Công trình đã cung cấp hệ thống số liệu thực nghiệm đầy đủ về quá trình chế tạo và đánh giá hoạt tính của hệ vật liệu Cu/HAp:

• Khẳng định khả năng kết tủa đồng thời triệt để của ion đồng trong môi trường kiềm (pH = 10–11) khi tạo mạng hydroxyapatite: mẫu Cu/HAp 0,01 đạt tỷ lệ ion $Cu^{2+}$ tham gia phản ứng 100%, các mẫu Cu/HAp 0,02, 0,05 và 0,10 đều đạt trên 95%.
• Xác định sự thu hẹp kích thước tinh thể của hydroxyapatite tỷ lệ nghịch với hàm lượng đồng pha tạp trên các mặt mạng nhiễu xạ chính: kích thước mặt (002) giảm từ 57,57 nm (HAp nguyên chất) xuống 38,72 nm (Cu/HAp 0,10); mặt (211) giảm từ 40,76 nm xuống 32,63 nm; và mặt (202) giảm từ 68,57 nm xuống 48,32 nm.
• Chứng minh vật liệu sau khi xử lý nhiệt tại 500°C trong 2 giờ đạt độ tinh thể hóa cao, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng chập đỉnh phổ XRD, duy trì dạng thù hình lục phương đồng nhất (nhóm không gian $P6_3/m$) mà không tạo pha oxide đồng phân ly.
• Minh chứng hoạt tính kháng khuẩn in vitro trên môi trường đĩa thạch MHA: vật liệu ức chế hiệu quả sự sinh trưởng của 2 chủng vi khuẩn Gram âm (E. coli, P. aeruginosa) và 2 chủng vi khuẩn Gram dương (S. aureus, B. subtilis).
• Đánh giá khả năng xúc tác quang phân hủy dung dịch phẩm màu Orange G tại 2 bước sóng hấp thụ đặc trưng 330,94 nm và 479,45 nm dưới nguồn kích thích UVA phối hợp dung dịch $H_2O_2$ 30%; xác lập sự phù hợp của quá trình hấp phụ/phân hủy theo mô hình Langmuir và phương trình động học giả bậc nhất.

Về mặt giải pháp và đóng góp khoa học, tác giả đã đề xuất một quy trình đồng kết tủa một giai đoạn đơn giản, chi phí thấp, tận dụng nguồn hóa chất vô cơ phổ thông để tạo ra vật liệu biến tính đa chức năng. Công trình giải thích sáng tỏ cơ chế pha tạp dựa trên tương quan tích số tan ($K_{sp}$) giữa hydroxyapatite và các hợp chất kết tủa của đồng, đồng thời đóng góp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về mối liên hệ giữa hàm lượng ion đồng thay thế, kích thước tinh thể ô mạng và hoạt tính kép: kháng khuẩn trong lĩnh vực y sinh và xúc tác quang hóa xử lý nước thải dệt nhuộm.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận ghi nhận các hạn chế và hướng mở nghiên cứu xuất phát từ phạm vi thực nghiệm:

• Toàn bộ các thử nghiệm quang xúc tác mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm (thể tích dung dịch 150 mL), sử dụng nguồn kích thích bức xạ nhân tạo là bóng đèn UVA thay vì ánh sáng mặt trời tự nhiên; đồng thời phản ứng quang phân hủy cần bổ sung tác nhân oxy hóa $H_2O_2$ 30% để gia tăng hiệu suất tạo gốc hydroxyl.
• Đánh giá kháng khuẩn chỉ mới thực hiện in vitro bằng phương pháp khuếch tán giếng thạch trên môi trường nuôi cấy tĩnh MHA; chưa triển khai các thử nghiệm độc tính tế bào học (cytotoxicity), khả năng bám dính của tế bào tạo xương hoặc kiểm tra tương thích sinh học in vivo trên mô sống động vật.
• Chưa khảo sát chuyên sâu về độ bền hóa học lâu dài, độ thôi nhiễm ion $Cu^{2+}$ vào môi trường nước/dịch sinh học theo thời gian, cũng như khả năng thu hồi và tái sử dụng xúc tác qua nhiều chu kỳ liên tiếp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả định hướng bao gồm: mở rộng nghiên cứu phân hủy quang hóa đối với các hợp chất ô nhiễm hữu cơ và phẩm màu khác; khảo sát khả năng hấp phụ và phân hủy dưới ánh sáng tự nhiên; hoàn thiện các phép đo đánh giá độ hòa tan, độ giải phóng ion đồng và kiểm định khả năng tương thích sinh học in vivo hướng tới ứng dụng cấy ghép xương thực tế.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành: Hóa học vô cơ, Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Công nghệ Môi trường, Hóa lý thuyết và Hóa lý, cũng như Kỹ thuật Y sinh.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao trong văn bản gồm:

• Quy trình thực nghiệm chi tiết về việc tổng hợp hydroxyapatite bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học kiểm soát pH kiềm bằng ammonia ở nhiệt độ phòng.
• Phương pháp định lượng nồng độ cation kim loại nặng vi lượng trong dung dịch phản ứng bằng kỹ thuật so màu trắc quang Palintest Photometer 7100 với thuốc thử chọn lọc Coppercol No 2.
• Phương pháp luận phân tích giản đồ XRD, kỹ thuật tính kích thước tinh thể qua công thức Scherrer và quy trình dựng đồ thị Tauc plot từ phổ DRS để xác định năng lượng vùng cấm của vật liệu bán dẫn vô cơ.
• Quy trình thiết lập hệ thử nghiệm quang xúc tác dạng huyền phù sục khí liên tục kết hợp chiếu xạ tử ngoại và phương pháp đánh giá hoạt tính kháng khuẩn giếng thạch chuẩn hóa theo thang đo đục McFarland.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp nào được lựa chọn để tổng hợp vật liệu Cu/HAp trong khóa luận và vì sao?

Khóa luận lựa chọn phương pháp đồng kết tủa hóa học (coprecipitation). Phương pháp này được chọn vì sở hữu nhiều ưu điểm: quy trình tiến hành đơn giản ở nhiệt độ phòng, chi phí hóa chất thấp, không đòi hỏi thiết bị chịu áp suất đắt tiền, thao tác an toàn và sản phẩm phụ chỉ là nước cùng muối tan dễ dàng rửa trôi bằng nước cất và dung môi isopropyl alcohol (IPA).

2. Vì sao tỷ lệ ion $Cu^{2+}$ tham gia vào phản ứng tạo kết tủa HAp đạt trên 95% ở tất cả các tỷ lệ khảo sát?

Hiện tượng chuyển hóa gần như hoàn toàn này được giải thích dựa trên sự chênh lệch lớn về tích số tan giữa các pha kết tủa có thể hình thành trong dung dịch: tích số tan của hydroxyapatite ($K_{sp1} = 10^{-116}$) nhỏ hơn rất nhiều so với tích số tan của $Cu_3(PO_4)2$ ($K{sp3} = 1,4 \times 10^{-37}$) và $Cu(OH)2$ ($K{sp2} = 2,2 \times 10^{-20}$). Do đó, hệ phản ứng ưu tiên tuyệt đối cho quá trình kết tủa tạo mạng HAp biến tính, đưa ion $Cu^{2+}$ vào mạng tinh thể thay thế vị trí của $Ca^{2+}$.

3. Sự pha tạp ion đồng làm thay đổi kích thước tinh thể của vật liệu HAp như thế nào?

Theo số liệu tính toán từ giản đồ XRD qua phương trình Scherrer, khi hàm lượng đồng pha tạp tăng từ 0,01 đến 0,10, kích thước tinh thể giảm đều đặn trên cả ba mặt mạng: mặt (002) giảm từ 57,57 nm xuống 38,72 nm; mặt (211) giảm từ 40,76 nm xuống 32,63 nm; và mặt (202) giảm từ 68,57 nm xuống 48,32 nm. Nguyên nhân là do bán kính của ion $Cu^{2+}$ (0,77 Å) nhỏ hơn bán kính của ion $Ca^{2+}$ (0,99 Å), dẫn đến sự co rút mạng khi xảy ra quá trình thế đồng hình.

4. Quy trình thử nghiệm hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu Cu/HAp được thiết kế với các đối chứng nào?

Thực nghiệm sử dụng phương pháp khuếch tán giếng thạch trên môi trường Mueller-Hinton Agar (MHA) với huyền phù vi khuẩn nồng độ $10^6$ CFU/mL. Hệ thử nghiệm bố trí 6 giếng thạch trên mỗi đĩa petri, trong đó giếng 1 chứa 50 $\mu$L dung môi DMSO 10% làm đối chứng âm (chứng minh dung môi không có tính kháng khuẩn), giếng 6 chứa 50 $\mu$L kháng sinh Levofloxacin 125 $\mu$g/mL làm đối chứng dương (chứng minh vi khuẩn hoạt động bình thường và bị ức chế bởi kháng sinh chuẩn), các giếng còn lại chứa dịch huyền phù mẫu Cu/HAp phân tán trong DMSO ở nồng độ 50 mg/mL.

5. Những yếu tố công nghệ nào đã được khảo sát để tối ưu hóa quá trình quang xúc tác phân hủy phẩm màu Orange G?

Tác giả đã tiến hành khảo sát đơn biến 4 yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng quang xúc tác phân hủy Orange G gồm: khối lượng dung dịch $H_2O_2$ 30% bổ sung; hàm lượng ion đồng pha tạp trong mẫu ($Cu/(Cu+Ca)$ từ 0,01 đến 0,10); khối lượng bột xúc tác Cu/HAp đưa vào hệ phản ứng; và nồng độ ban đầu của dung dịch thuốc nhuộm Orange G, đo đạc quang phổ tại hai bước sóng hấp thụ cực đại là 330,94 nm và 479,45 nm.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đỗ Nguyễn Phương Uyên đã tổng hợp thành công hệ vật liệu hydroxyapatite pha tạp copper ($Cu/HAp$) bằng phương pháp đồng kết tủa hóa học kết hợp nung xử lý nhiệt ở 500°C. Vật liệu tạo thành bảo toàn cấu trúc đơn pha lục phương ($P6_3/m$), đạt hiệu suất chuyển hóa ion đồng vào ô mạng trên 95% và có kích thước tinh thể nhỏ mịn phụ thuộc vào hàm lượng đồng thế chỗ. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh rõ nét tính năng kép của vật liệu Cu/HAp trong việc ức chế sinh trưởng của 4 chủng vi khuẩn kiểm định và quang xúc tác phân hủy hiệu quả phẩm màu azo Orange G dưới bức xạ tử ngoại có hỗ trợ của $H_2O_2$. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm quan trọng phục vụ định hướng phát triển vật liệu cấy ghép y sinh tự kháng khuẩn và vật liệu xúc tác quang xử lý môi trường nước dệt nhuộm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TONG QUAN 1. Tống quan về vật liệu Hydroxyapatite 1. HAp nguyên chất chứa 39,89% Ca và 18,49% P về khối lượng, ti lệ mol Ca/P là 1,67. Tỉ lệ mol nay sẽ thấp hơn nếu cùng tôn tại các pha không có mặt nhóm hydroxyl OH- trong cau trúc như œ-Tricaleium phosphate (œ-TCP)-ti lệ là 1,5; B-Triealcium phosphate (f-TCP)-ti lệ mol Ca/P là 1,5:.

Sự hiện diện của CaO làm tăng ti lệ mol giữa Ca va P. HAp tổn tai ở dang thù hình là lục phương (hexagonal) thuộc nhóm không gian P63/m{13], cũng có cau trúc đơn ta (monoclinic) thuộc nhóm P2/e [14], tùy thuộc vào số nguyên tứ Ca trong một ô mạng cơ sở mà sẽ có cấu trúc tính thể khác nhau. HAp có tỉ lệ Ca/P là 1,67 thì có cau trúc dang lục phương (hexagonal), HAp đặc trưng với các thông số mạng: a=9,545 A, b=9,545 A, c=6,919 A, ơ=B=90°,y=120° (ICSD 180315-289993) [13]. Còn cau trúc dang đơn ta (monoclinic) đặc trưng theo các thông số mang sau: a=6,936 A, b=9,503 A, c=18,993 A, œ=60°,y=B=90° (ICSD 97849-34457-93932) [14].

Sự xắp xếp của nguyên tử Ca, P, O trong cau trúc hexagonal được mô ta như sau: Các nhóm chức POỶ” sẽ tạo thành các tứ diện với ion P* ở giữa, xung quanh liên kết với 4 nguyên tử Oxygen. Đối với Ca?* được chia thành 2 loại: Ca(1) sẽ phối hợp với 6 nguyên tử Oxygen của tứ điện POs tạo thành các khối đa điện. Còn loại Ca(HH) có số phối trí 7, ngoài liên kết với 6 oxygen của tứ diện POs, còn có thêm 1 liên kết với O của nhóm hydroxyl OH” nằm trên trục vuông góc với mặt phăng 6 mạng cơ sở, hình thành bát điện có đáy 5 cạnh. Các tử diện PO, không liên kết với nhau, ma sẽ liên kết với các đa điện của (Ca-Os) thông qua việc dùng chung các đỉnh Oxygen.

Mặt khác, các ion Ca?' cũng không liên kết với nhau, ma sẽ bị bao quanh bởi các Oxygen của tứ điện POs [15]. HAp có thành phần hoá học tương đồng với xương tự nhiên, răng nên được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. ngoài ra vật liệu còn có hoạt tính làm chất xúc tác. Với y sinh, HAp được sử dụng trong nha khoa, chỉnh hình và ứng dụng làm lớp phủ sinh học trong cấy ghép xương kim loại, trong vật liệu nha khoa, sử đụng làm vật liệu cay ghép kháng khuẩn, làm rao can hạn chế rò ri chất phóng xạ.

Các phương pháp tống hợp hydroxyapatite HAp được tông hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp khô có phương pháp cơ hoá, hay phương pháp ướt có phương pháp sol-gel, thuỷ nhiệt, kết tiia,.Cac phương pháp tông hợp đều có ưu và nhược điểm riêng, dựa vào điều kiện phòng thí nghiệm, môi trường tổng hợp,. mà HAp được tông hợp theo phương pháp phù hợp, nahừm tạo ra sản phâm theo mong muốn. Phương pháp cơ hoá Phương pháp cơ hóa là một dang của phương pháp khô. Kỹ thuật cơ hóa học là sử dụng lực nén, ma sat, tạo ra sự tiếp xúc giữa các tiền chất ban dau (calcium pyrophosphate calcium carbonate, dicalcium phosphate dihydrate,.), xay ra sự biến đổi hóa học tạo ra HAp ở trạng thái rắn thông qua quá trình nghiên va trộn.

Trong quá trình nghiền có sự gia nhiệt cục bộ nhằm dé phản ứng hóa học xảy ra và tăng cường quá trình khuếch tán. Việc tông hợp vật liệu HAp đựa trên phản ứng pha rắn có nhược điểm là sự khuếch tán, tiếp xúc giữa các ion không đều dẫn đến tỉ lệ mol trong HAp được tông hợp bị sai khác. Mặc khác, vật liệu tông hợp từ kỹ thuật nghiền khô có kích thước hạt lớn, không déu, thành phan hóa học của vật liệu tông hợp không đồng nhất do sự phản ứng không hoàn toàn giữa các tiền chất đã giải thích ở trên. Sự có mặt của nước-áp dụng kĩ thuật nghiên ướt, giúp các ion tiếp xúc, khuếch tan đều, sau khi xử lí nhiệt bằng cách nung đã tạo thành HAp đơn pha, có tỉ lệ mong muốn [18].

Do đó mà kỹ thuật nghiền ướt cho sản phẩm có kích thước hạt bé hơn va thành phân tương đối đồng nhất. Việc nghiền ướt đã cung cấp đủ nhóm hydroxyl dé tạo tị thành HAp don pha, tránh sai về thành phan, tỉ lệ ion, tỉ lệ nhóm chức trong cấu trúc dẫn đến khuếch tật mạng tinh thé. Tóm tai, phương pháp cơ hóa Ia sử dụng kỹ thuật trộn va nghiên dé các tiền chất tiếp xúc với nhau. sau đó gia nhiệt dé phan ứng pha rắn xảy ra.

Ưu điểm của phương pháp là đơn gián, không cần điều kiện chính xác, thích hợp ứng dụng trong sản xuất hàng loạt trong công nghiệp. Việc nghiên trong một thời gian dai cũng có thể làm tăng độ kết tính, giảm kích thước hạt HAp [19]. Nhưng nhược điểm là phản ứng pha ran xảy ra không hoàn toàn có thé làm sai khác vẻ tỉ lệ thành phần trong cấu trúc. sự không đồng nhất tại các vị trí mẫu khác nhau của vật liệu tong hợp, ảnh hưởng đến tính chat, chất lượng vật liệu.

Mặt khác, phương pháp cơ hóa nói riêng hay phương pháp khô nói chung đòi hỏi nhiệt độ nung tương đối cao, ảnh hưởng độ xốp của sản phẩm[15]. Phương pháp sol-gel Phương pháp có thé tông hợp vật liệu dang màng, được được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ thấp. Tiền chất được sử dụng là các mudi vô cơ hoặc alkoxide của Ca và P. Ưu điểm của phương pháp là đơn giản, nhiệt độ xử lý thấp hơn so với các phương pháp còn lại nhưng các hạt có kích thước khá đồng đều, và độ tinh khiết cao.

Nhưng trở ngại của phương pháp là vé mặt chi phí cao và sự khan hiếm của các tiền chất gốc alkoxide sử đụng. Mặt khác, do sử dụng tiền chất chất hữu cơ, nên quá trình tạo sol diễn ra rất chậm, nên thời gian tông hợp lâu. Thêm nữa, tỷ lệ gel còn phụ thuộc vào bản chất dung môi, nhiệt độ và pH thực hiện phản ứng và bản chất của tiền chất sử dụng. Các thông số điều kiện trong quá trình tông hợp HAp bằng phương pháp sol-gel phải được kiêm soát chặt chẽ, sự thay đôi của các thông số có thé tạo thành các pha thứ cấp như CaO, Ca2P207, Ca(PO4)s và CaCO: cùng tôn tại với HAp [15].

Thời gian phản ứng lâu gây khó khan trong việc kiêm soát, duy trì các điều kiện phản ứng như lúc ban đầu, dẫn đến đứt gãy màng, độ kết tỉnh kém. Nên cân kiêm soát chặt chẽ các điều kiện phan ứng khi thực hiện phương pháp sol-gel, đặc biệt là về thời gian và pH ảnh hưởng lớn đến đặc trưng cau trúc vật liệu. Phương pháp thuỷ nhiệt Các tiền chất sẽ được phản ứng trong môi trường có nhiệt độ và áp suất cao hơn môi trường xung quanh tự sinh bên trong nỗi hấp hoặc autoclauve [20]. Áp suất và nhiệt độ làm tăng khả năng phản ứng, đồng thời tác động đến quá trình ngưng tụ tạo ra các liên kết hóa học tạo thành HAp có ti lệ mong muốn vả độ tinh khiết cao [15].

Phản ứng thủy nhiệt được mô tả giữa các tiền chất và các dung môi như: nước hoặc chất hữu cơ, hoặc hỗn hợp nước/dung môi hữu cơ. Theo nghiên cứu của Oritiz va cộng sự [21], phương pháp thủy nhiệt thông thường cho hình dang và kích thước HAp không đồng nhất với nhau. Nên dé kiểm soát hình thái của vật liệu, phản ứng được thêm các chất hoạt động bề mặt như cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) và một chất chalate, chang hạn như ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA), ngoài ra còn sử dung sodium lignin sulfonate (SS), vitamin C dé khắc phục van dé sử dung chat bề mặt tốn kém, độc hại và khó loại bỏ có do tính chất ky nước [22]. Nhưng cần có sự lưu ý về tỷ lệ và sự tương tác giữa chất rắn-dung môi, độ hỏa tan của dung môi dé kiểm soát quá trình tạo va phát triển của mam tinh thé.

Phương pháp đồng kết tủa-kết tủa hoá học Phương pháp đồng kết tủa được ứng dụng rộng rãi trong tông hợp vật liệu HAp vì chỉ phí thực hiện thấp. Tiền chất cung cấp ion Ca?* có thé là calcium hydroxide-Ca(OH)>, calcium nitrate-Ca(NO3)2, PO‡~ được sử dụng từ orthophosphoric-H3PO, hoặc diamonium hydrogen phosphate-(NH4)›:HPO:a. Các tiền chất của Ca và P được trộn theo tỉ lệ mol Ca/P mong muốn, phản ứng được thực hiện ở khoảng pH cụ thé, nhiệt độ có thé thực hiện từ thấp nhất là nhiệt độ phòng đến nhiệt độ sôi của nước là cao nhất. Trong quá trình phản ứng, dung địch được khuấy đều dé phan ứng xảy ra hoàn toàn, kết tủa được rửa và say khô sau khi tạo thành [23].1) 10Ca(NOs)2 + 6(NHs4)2HPO4 + 2H20 — Ca¡o(PO¿)¿(OH): + 12NH¿NO: + 8HNO: (1.2) Sự thay đôi các điều kiện phản ứng như nhiệt độ phản ứng, pH ảnh hưởng đến hình dang, kích thước các hạt của HAp.

Phương pháp nay có thé tông hợp HAp dang que [24], dang hình cầu [25] có kích thước nano. Do đó, khi tổng hợp HAp theo phương pháp này, cân lưu ý đến: tiền chất cung cap Ca va P dé xác định tỉ lệ mol của HAp tạo thành. Tỷ lệ mol không đúng sẽ dẫn đến sự hình thành một hợp chất khác. Yếu t6 cần lưu ý tiếp theo là độ pH, ảnh hưởng đến khả năng tạo HAp.

Theo Afshar và cộng sự, lượng Ca trong cấu trúc HAp có thé giảm khi pH giảm, vì pH dưới 7 dẫn đến sự hình thành calcium monophosphate, và bị hòa tan trong nước [24]. Các nghiên cứu [23], [24] đã nêu trên, pH được khảo sát ở điều kiện tối ưu nên duy trì trên 9. Nhưng bên cạnh những lưu ý khi sử đụng phương pháp đồng kết tủa dé tông hợp vật liệu, phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm vì đơn giản, dễ sử dụng. và chỉ phí thấp khi tông hợp mà không cần sử dụng đến các thiết bị, dụng cụ đắt tiền.

Ngoài ra, phương pháp chi sử dụng một sản phẩm phụ là nước, dé dang loại bỏ trong sản phẩm kết tủa thu được, nên vật liệu thu được sẽ ít bị ảnh hưởng bởi sản pham phụ. Bên cạnh đó, điều kiện tông hợp vật liệu tiễn hành ở nhiệt độ thấp từ nhiệt độ phòng đến nhiệt độ tối đa là nhiệt độ sôi của nước 100 °C, an toàn khi tông hợp trong phòng thí nghiệm. Do đó, với những ưu điểm trên, phương pháp đồng kết tủa được chọn làm phương pháp tông hợp chính trong đề tải nghiên cứu. Tình hình nghiên cứu về tổng hợp và ứng dụng của hydroxyapatite Theo nghiên cứu của lun Haslinda Shariffuddin và cộng sự [26].

HAp được tông hợp từ phương pháp kết tủa ướt với tiền chất là CaO từ vỏ trai nung trong môi trường khí No, hoà tan trong nước cất tạo thành dung dich Ca(OH)› 0,1 M, và dung dịch KH2PO. Ti lệ mol Ca/P là 1,67.