CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Tính chất của hydroxyapatit 1. Tính chất vật lý Hydroxyapatit (HA), có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tùy theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp. HA nóng chảy ở nhiệt độ 1760oC; sôi ở 2850oC; độ tan trong nước: 0,7 g/l; khối lượng phân tử: 1004,60; khối lượng riêng: 3,156 g/cm3; độ cứng theo thang Mohs: 5.
HA là hợp chất bền nhiệt, chỉ bị phân hủy ở khoảng 800 - 1200oC tùy thuộc vào phương pháp điều chế và dạng tồn tại. Tùy theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa, phương pháp sol - gel, phương pháp điện hóa) cũng như các điều kiện tổng hợp khác nhau (như nhiệt độ phản ứng, nồng độ, thời gian già hóa sản phẩm…) mà các tinh thể có hình dạng khác nhau [32]. Các tinh thể HA thường tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình cầu,… [55] và có thể nhận biết các dạng tồn tại của tinh thể HA nhờ sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc hiển vi điện tử truyền qua (TEM) (Hình 1.1: Ảnh SEM các dạng tồn tại của tinh thể HA 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cấu trúc tinh thể của HA được tìm ra bởi Naray - Szabo và Meheml. Cấu trúc mạng của HA bao gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- được sắp xếp trong các ô đơn vị như hình 1.2: 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 được dùng chung với các ô đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ô là 4 ion.
Trong 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 nhưng chỉ có 6 nhóm thuộc về ô đơn vị, 6 nhóm này gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của 2 mặt đáy. Tương tự, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH- chỉ ra trong hình là thuộc về ô đơn vị. Số lượng 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 như trên, trong một phân tử HA bao gồm có 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH-, từ đó có thể khẳng định HA có công thức hóa học tỷ lượng là Ca10(PO4)6(OH)2 [54]. Tính chất hóa học Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện trên hình 1. Phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca - O là liên kết cộng hóa trị. Hai nhóm OH được gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch [35].
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA · HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1.1) · HA tương đối bền nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800 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) · Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HA bị phân hủy thành β-Ca3(PO4)2 (β-TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO: Ca10(PO4)6(OH)2 2β-Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + 2H2O (1. Tính chất sinh học [30, 35] Do có cùng bản chất và thành phần hóa học, HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng. Ở dạng màng và dạng xốp, HA có thành phần hóa học và đặc tính giống xương 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 tương thích sinh học cao với các tế bào mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Để chế tạo HA có tính tương thích sinh học cao, cần nghiên cứu và lựa chọn công nghệ phù hợp với mỗi mục đích ứng dụng trong y sinh học và dược học. Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA Vật liệu HA tồn tại ở nhiều dạng: Dạng màng, dạng bột, dạng khối xốp, dạng compozit.
Với các đặc tính nổi trội của nó, HA đã được ứng dụng đa dạng, phong phú trong y học và dược học. Ở dạng bột: Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi. Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hòa tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hóa canxi thành HA. HA ở dạng bột mịn, kích thước nano được cơ thể người hấp thụ nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản, do vậy nó ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit có trong dạ dày.
Vì những đặc tính này, HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao [39].4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể Ở dạng màng: Lớp màng HA chiều dày cỡ nanomet (màng n-HA) được phủ lên bề mặt vật liệu bằng kim loại và hợp kim bằng các phương pháp điện hóa và phương pháp điện di trên gốm nhân tạo có thể tăng cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên. Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng n - HA, người ta không chỉ làm tăng tuổi thọ các chi tiết ghép mà còn mở rộng 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com phạm vi ứng dụng của màng n - HA từ chỗ chỉ áp dụng cho ghép xương hông tiến đến có thể sử dụng ghép xương đùi, xương khớp gối và các vị trí khác [6]. Ở dạng khối xốp: Gốm xốp HA được ứng dụng rất rộng rãi trong y sinh học: - Chế tạo răng giả và sửa chữa khuyết tật của răng: Các nhà khoa học Nhật Bản đã thành công trong việc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thước nano và polyme sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy, nghĩa là tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng cứng chắc, “bắt chước” theo đúng tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên ở dưới [23]. - Chế tạo mắt giả: HA tổng hợp từ san hô có cấu trúc bền vững, nhẹ và đặc biệt có khả năng thích ứng cao với cơ thể [27].
- Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa khuyết tật của xương [49].5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau Tùy thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra các sản phẩm gốm HA (hình 1.5) có kích thước và độ xốp khác nhau. Sau đó, gia công sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HA ở dạng hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xương [12]. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.6: Sửa chữa khuyết tật của xương bằng gốm HA dạng khối xốp hoặc dạng hạt Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HA như: - Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [13]; - Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [52]; - Gần đây, người ta phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân tán isulin trong ruột [52]. Các phương pháp tổng hợp HA Trên thế giới, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu HA ở các dạng đã được triển khai từ lâu và đạt được những thành tựu đáng kể.
Ứng dụng loại vật liệu tiên tiến này đã tạo ra các bước tiến mới trong lĩnh vực xét nghiệm, điều trị y học cũng như trong dược phẩm và vật liệu y sinh học. Tùy thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở các dạng khác nhau có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác. Dưới đây là các phương pháp cơ bản thường được sử dụng để tổng hợp vật liệu HA kích thước nano. Phương pháp kết tủa Việc tổng hợp HA bằng cách kết tủa từ các ion Ca2+ và PO43- có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau, được phân ra thành hai nhóm chính: - Phương pháp kết tủa tử các muối chứa ion Ca2+ và PO43- dễ tan trong nước: Các muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4,… 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH → Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O (1.5) Để phản ứng xảy ra theo chiều thuận (chiều tạo HA), cần duy trì pH của hỗn hợp phản ứng ở pH từ 10 - 12.
- Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan trong nước: Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3… với axit H3PO4 trong môi trường kiềm. Phương trình phản ứng đặc trưng: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O (1.6) Trong quá trình điều chế, độ pH của hỗn hợp phản ứng giảm dần. H3PO4 là một axit có độ mạnh trung bình, phân ly theo 3 giai đoạn: H3PO4 ↔ H2PO4- + H+ pKa1 = 2,2 (1.7) H2PO4- ↔ HPO42- + H+ pKa1 = 7,2 (1.8) HPO42- ↔ PO43- + H+ pKa1 = 12,3 (1.9) Khi thêm axit với tốc độ cao, pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột, dẫn đến sự phân ly axit không hoàn toàn, tạo ra các ion HPO42- và H2PO4- ảnh hưởng đến độ đơn pha của sản phẩm HA. Sơ đồ của phương pháp được trình bày trên hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Phương pháp siêu âm hóa học Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thước nano, có thể tiến hành phản ứng hóa học trong môi trường sóng có tần số lớn như sóng siêu âm. Nguyên lí của phương pháp siêu âm là dưới tác dụng của sóng siêu âm với cường độ cao, trong môi trường lỏng xảy ra hiện tượng tạo và vỡ bọt (cavitation). Sóng siêu âm tạo ra một chu trình giãn nở, nó gây ra áp suất chân không trong môi trường lỏng.