Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu tổng hợp và xác định các đặc trưng của hydroxyapatite polymaltose

Nghiên cứu tổng hợp và xác định đặc trưng của hydroxyapatite polymaltose trong luận văn thạc sĩ HUS, góp phần vào lĩnh vực vật liệu sinh học.

• Tác giả: Đặng Thị Nhung
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Thị Ngọc Bích
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp và xác định các đặc trưng của Hydroxyapatite - Polymaltose
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính chất vật lý
• 1.2. Tính chất hóa học
• 1.3. Tính chất sinh học
• 1.4. Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA
• 1.5. Các phương pháp tổng hợp HA
• 1.6. Tính chất và ứng dụng của polymaltose
• 1.7. VẬT LIỆU COMPOZIT CỦA HA VÀ POLYME
• 1.7.1. Sự tạo thành vật liệu compozit HA/polyme
• 1.7.2. Các phương pháp tổng hợp compozit HA/polyme
• 1.7.3. Phương pháp trộn HA và polyme
• 1.7.4. Phương pháp kết tủa trực tiếp
• 1.7.5. Đặc trưng của vật liệu compozit HA/polyme
• 1.7.6. Hình thái học
• 1.7.7. Tương tác giữa HA và polyme
• 1.7.8. Ứng dụng của compozit HA/polyme
• 1.7.9. Sửa chữa khuyết tật xương
• 1.7.10. Sửa chữa khiếm khuyết răng
• 1.7.11. Truyền thuốc và gen
• 1.8. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ HA VÀ COMPOZIT HAP Ở NƯỚC TA
• 2. CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM
• 2.1. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ PHẢN ỨNG ĐẾN HA/POLYMALTOSE
• 2.1.1. Lựa chọn phương pháp tổng hợp HA/polymaltose
• 2.1.2. Lựa chọn polymaltose có chỉ số DE thích hợp
• 2.1.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến sản phẩm HAP
• 2.1.3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng polymaltose
• 2.1.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H3PO4
• 2.1.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
• 2.1.3.4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 2.1.3.5. Ảnh hưởng của chế độ làm khô sản phẩm
• 2.2. CAC PHƯƠNG PHAP XAC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG
• 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.2.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 2.2.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.2.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.2.5. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA-DTA)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HA/POLYMALTOSE
• 3.2. LỰA CHỌN POLYMALTOSE VỚI DE THÍCH HỢP
• 3.3. KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ PHẢN ỨNG ĐẾN HAP
• 3.3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng polymaltose
• 3.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H3PO4
• 3.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
• 3.3.4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 3.3.5. Ảnh hưởng của chế độ làm khô sản phẩm
• KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tổng hợp hydroxyapatite polymaltose

Nghiên cứu tổng hợp hydroxyapatite (HA) và polymaltose đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học trong lĩnh vực y sinh học. HA là thành phần chính của xương và răng, có công thức hóa học Ca10(PO4)6(OH)2, trong khi polymaltose là sản phẩm thủy phân của tinh bột, có khả năng tương thích sinh học cao. Việc kết hợp hai vật liệu này tạo ra các vật liệu compozit với nhiều ứng dụng tiềm năng trong y học và dược phẩm.

1.1. Đặc điểm và tính chất của hydroxyapatite

Hydroxyapatite có màu trắng, độ cứng cao và tính bền nhiệt. Nó có khả năng tương thích sinh học tốt, giúp tái sinh xương nhanh chóng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng HA có thể thúc đẩy sự phát triển của xương mới mà không gây độc tính cho cơ thể.

1.2. Tính chất và ứng dụng của polymaltose

Polymaltose có tính chất sinh học tốt, dễ hấp thụ và có khả năng tạo liên kết với các tế bào sinh học. Nó được sử dụng trong các ứng dụng như chất dẫn truyền thuốc và cải thiện tính tương thích sinh học của các vật liệu y sinh.

II. Thách thức trong nghiên cứu tổng hợp hydroxyapatite polymaltose

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc tổng hợp hydroxyapatite polymaltose vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như kiểm soát kích thước hạt, độ tinh khiết và tính chất cơ học của vật liệu là những yếu tố quan trọng cần được giải quyết. Ngoài ra, việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng cũng là một thách thức lớn.

2.1. Kiểm soát kích thước hạt và độ tinh khiết

Kích thước hạt của HA ảnh hưởng đến tính chất sinh học và khả năng hấp thụ của vật liệu. Việc kiểm soát kích thước hạt trong quá trình tổng hợp là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.2. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng

Các yếu tố như nhiệt độ, pH và thời gian phản ứng có thể ảnh hưởng đến chất lượng của HA. Cần thiết phải nghiên cứu và tối ưu hóa các điều kiện này để đạt được sản phẩm với tính chất mong muốn.

III. Phương pháp tổng hợp hydroxyapatite polymaltose hiệu quả

Có nhiều phương pháp để tổng hợp hydroxyapatite polymaltose, trong đó phương pháp kết tủa là phổ biến nhất. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các thông số phản ứng và tạo ra sản phẩm với kích thước hạt đồng đều.

3.1. Phương pháp kết tủa từ dung dịch

Phương pháp kết tủa từ dung dịch chứa các ion Ca2+ và PO43- là một trong những cách hiệu quả nhất để tổng hợp HA. Phương pháp này cho phép điều chỉnh pH và nhiệt độ để tối ưu hóa quá trình phản ứng.

3.2. Phương pháp kết tủa từ muối

Sử dụng các muối như Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 để tổng hợp HA là một phương pháp đơn giản và hiệu quả. Phương pháp này giúp tạo ra HA với độ tinh khiết cao và kích thước hạt đồng đều.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hydroxyapatite polymaltose trong y học

Vật liệu hydroxyapatite polymaltose có nhiều ứng dụng trong y học, đặc biệt trong lĩnh vực tái tạo xương và nha khoa. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu này có khả năng thúc đẩy sự phát triển của xương mới và cải thiện tính tương thích sinh học.

4.1. Ứng dụng trong tái tạo xương

HA được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm tái tạo xương, giúp cải thiện quá trình lành thương và phục hồi chức năng xương. Vật liệu này có khả năng tạo liên kết tốt với xương tự nhiên.

4.2. Ứng dụng trong nha khoa

Trong nha khoa, HA được sử dụng để điều trị các khuyết tật nha chu và cấy ghép răng. Vật liệu này giúp cải thiện tính tương thích sinh học và thúc đẩy quá trình lành thương.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu hydroxyapatite polymaltose

Nghiên cứu về hydroxyapatite polymaltose đang mở ra nhiều triển vọng mới trong lĩnh vực y sinh học. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả và tối ưu hóa tính chất của vật liệu sẽ giúp nâng cao khả năng ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới và cải thiện tính chất của vật liệu để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong y sinh học.

5.2. Tích hợp công nghệ mới vào nghiên cứu

Việc áp dụng các công nghệ mới như công nghệ nano và công nghệ sinh học vào nghiên cứu tổng hợp HA sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển vật liệu y sinh có tính năng vượt trội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khoáng vô cơ tự nhiên trong cấu trúc xương người chiếm khoảng 65% đến 70% tổng khối lượng, chủ yếu tồn tại dưới dạng Hydroxyapatite với công thức hóa học chuẩn là Ca10(PO4)6(OH)2 và tỷ lệ mol Ca/P đạt 1,67. Phần còn lại từ 30% đến 35% là các chất nền hữu cơ sinh học, chủ yếu là sợi collagen có vai trò nâng đỡ và định hướng quá trình khoáng hóa. Hydroxyapatite tổng hợp sở hữu các đặc tính vật lý vượt trội như khối lượng riêng 3,156 g/cm3, khối lượng phân tử 1004,60 g/mol, độ cứng đạt mức 5 theo thang Mohs và nhiệt độ nóng chảy lên tới 1760°C. Tuy nhiên, bột Hydroxyapatite vô cơ đơn thuần thường có kích thước hạt không đồng đều, dễ bị kết tụ thành các đám lớn có kích thước trên 80 đến 100 nm, làm suy giảm đáng kể khả năng phân tán và mức độ hấp thụ sinh học trong cơ thể.

Theo các thống kê trên cơ sở dữ liệu Scopus, số lượng ấn phẩm quốc tế nghiên cứu về vật liệu Hydroxyapatite đã gia tăng gấp 3 lần trong giai đoạn từ năm 1999 đến 2011, khẳng định xu hướng ứng dụng mạnh mẽ của hợp chất này trong kỹ thuật mô và dược phẩm. Nhằm khắc phục triệt để hiện tượng kết tụ hạt và mô phỏng chính xác cấu trúc vi mô của xương tự nhiên, việc tạo phức hợp compozit giữa Hydroxyapatite và polyme tự nhiên như polymaltose trở thành một giải pháp đột phá.

Đề tài được thực hiện trong giai đoạn năm 2015 đến năm 2016 tại Phòng thí nghiệm Hóa Vô cơ thuộc Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, phối hợp cùng Khoa Hóa học thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là thiết lập quy trình tổng hợp compozit Hydroxyapatite - polymaltose bằng phương pháp kết tủa trực tiếp, kiểm soát kích thước hạt đạt kích thước nano dưới 25 nm, độ tinh khiết đơn pha 100% và tăng cường độ phân tán nhằm phục vụ cho các ứng dụng cấy ghép xương và dẫn truyền thuốc y sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết chuyên sâu:

1. Thuyết khoáng hóa phỏng sinh học: Mô phỏng quá trình tạo xương tự nhiên trong cơ thể sống, trong đó khung chất nền polyme đóng vai trò định hướng vị trí tạo mầm tinh thể và điều hòa tốc độ tăng trưởng của pha khoáng vô cơ.
2. Thuyết tạo mầm và phát triển tinh thể có kiểm soát không gian: Các nhóm chức phân cực trên mạch phân tử polyme tương tác tĩnh điện với ion canxi Ca2+, tạo phức chất trung gian trước khi liên kết với ion photphat PO43-, giúp giới hạn kích thước vùng tinh thể hóa trong thang đo nanomet.
3. Hóa học cấu trúc vật liệu Hydroxyapatite: Mạng ô mạng cơ sở lục phương của tinh thể Hydroxyapatite chứa 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH-, có khả năng liên kết hydro và tương tác lực Van der Waals mạnh mẽ với chuỗi polyme hữu cơ.

Nghiên cứu ứng dụng 4 khái niệm khoa học then chốt bao gồm: độ tương đương đường khử (giá trị DE từ 12 đến 30 đặc trưng cho mức độ thủy phân tinh bột), hiện tượng kết tủa đồng thời in situ, độ tinh thể hóa xác định theo vạch nhiễu xạ mặt (002), và sự ức chế kết đám hạt nano nhờ hiệu ứng cản trở không gian của polysaccharide có phân tử lượng trung bình khoảng 10.000 Dalton.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng quy trình thực nghiệm đồng bộ với các thông số mẫu được kiểm soát nghiêm ngặt:

• Cỡ mẫu và thiết kế thí nghiệm: Khảo sát 4 loại polymaltose có giá trị DE lần lượt là 12, 20, 25 và 30; 6 mức hàm lượng polymaltose phối trộn ban đầu từ 20%, 25%, 35%, 50%, 65% đến 80%; 3 tốc độ cấp axit H3PO4 ở mức 1 ml/phút, 3 ml/phút và 6 ml/phút; 3 mức nhiệt độ phản ứng là 30°C, 60°C và 90°C; 3 chế độ làm khô gồm sấy đông khô, sấy đối lưu 60°C và sấy 100°C.
• Phương pháp chọn mẫu và hóa chất: Sử dụng hóa chất tinh khiết phân tích gồm Ca(OH)2 nồng độ 0,25 M, dung dịch H3PO4 nồng độ 0,15 M và polymaltose có nguồn gốc từ tinh bột sắn được thủy phân chọn lọc.
• Lý do lựa chọn hệ phương pháp phân tích:
  • Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị Bruker D8 Advance: Sử dụng góc quét 2θ từ 10° đến 70° để xác định độ đơn pha, tính toán kích thước tinh thể qua phương trình Scherrer tại đỉnh nhiễu xạ góc 2θ = 25,9° và xác định độ tinh thể Xc với hằng số Ka = 0,24.
  • Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) trên máy Impact 410-Nicolet: Quét dải sóng từ 400 đến 4000 cm-1 nhằm nhận diện tương tác hóa học giữa nhóm PO43-, OH- và các liên kết glicozit alpha-1,4 và alpha-1,6.
  • Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) Hitachi S4800 và truyền qua (TEM) JEM 1010 ở độ phóng đại 60.000 lần: Đánh giá chính xác hình thái học, biên giới hạt và độ phân tán kích thước hạt nano.
  • Phương pháp phân tích nhiệt vi sai và trọng lượng (TGA-DTA) Setaram Labsys Evo từ nhiệt độ phòng đến 600°C: Đo lường chính xác lượng polymaltose thực tế liên kết trong cấu trúc vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng có ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc:

• Tối ưu hóa phương pháp tiếp cận: Phương pháp bổ sung đồng thời dung dịch polymaltose cùng với H3PO4 vào huyền phù Ca(OH)2 (Phương pháp C) tạo ra sản phẩm đạt độ đơn pha 100%, vạch nhiễu xạ mở rộng đặc trưng cho kích thước nano. Ngược lại, phương pháp bổ sung etanol (Phương pháp B) dẫn tới việc xuất hiện tạp pha canxi hydrophotphat CaHPO4 do cản trở sự phân ly nấc thứ ba của axit photphoric.
• Tác động của chỉ số DE đến hình thái hạt: Mẫu polymaltose có DE = 25 (mẫu P3) và DE = 30 (mẫu P4) giúp giảm kích thước hạt nano Hydroxyapatite xuống chỉ còn 10 đến 15 nm trên ảnh TEM và 20 đến 25 nm trên ảnh SEM. So với mẫu Hydroxyapatite không có polymaltose bị kết tụ thành các khối dài tới 100 nm và rộng 40 đến 60 nm, kích thước hạt đã giảm hơn 65% và mức độ phân tán đồng đều tăng rõ rệt.
• Khả năng duy trì độ đơn pha ở tốc độ cấp axit cao: Khi nâng tốc độ cấp axit H3PO4 lên 6 ml/phút, giá trị pH của hệ phản ứng vẫn ổn định trong ngưỡng kiềm từ 8,0 đến 10,0. Sản phẩm tạo thành hoàn toàn là đơn pha Hydroxyapatite với kích thước hạt ổn định trong khoảng 30 đến 40 nm, giúp rút ngắn 50% thời gian tổng hợp so với tốc độ truyền thống 1 đến 3 ml/phút.
• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tinh thể hóa: Khi tăng nhiệt độ phản ứng từ 30°C lên 60°C và 90°C, kích thước tinh thể tính toán theo công thức Scherrer tăng dần từ 19 nm lên 23 nm và đạt 28 nm. Độ tinh thể hóa Xc tăng tương ứng từ 0,24 lên 0,30, khẳng định nhiệt độ phòng 30°C là điều kiện lý tưởng nhất để thu nhận cấu trúc nano siêu mịn.

Thảo luận kết quả

Các dữ liệu thực nghiệm được minh chứng rõ nét khi biểu diễn trên các đồ thị phổ XRD và đường cong phân tích nhiệt TGA-DTA. Giản đồ XRD chỉ ra rằng các đỉnh nhiễu xạ tại mặt phẳng (002) và (211) bị mở rộng chân phổ ở các mẫu chứa polymaltose, phản ánh sự tồn tại của các tinh thể có kích thước siêu nhỏ và mức độ hoàn thiện tinh thể thấp, tương đồng hoàn toàn với pha khoáng apatit sinh học trong cơ thể người.

Đường cong nhiệt TGA-DTA cho thấy sự suy giảm khối lượng của polymaltose trong compozit diễn ra tại vùng nhiệt độ 326°C đến 375°C, dịch chuyển thấp hơn so với mẫu polymaltose nguyên chất bị phân hủy ở 378°C và 506°C. Hiện tượng này minh chứng cho sự tồn tại của lực tương tác hóa học và liên kết phối trí giữa ion canxi trên bề mặt Hydroxyapatite với các nhóm hydroxyl trên chuỗi polysaccharide.

Nguyên nhân polymaltose DE = 25 đem lại hiệu quả phân tán cao nhất là do phân tử này được thủy phân bằng enzyme chuyên biệt cắt mạch nhánh, tạo chuỗi mạch thẳng amylose chứa mật độ nhóm -OH tự do rất cao. Chuỗi xoắn kép của polymaltose bao bọc xung quanh các mầm tinh thể mới sinh, đóng vai trò như một màng ngăn vật lý hạn chế sự tái kết tụ. Hàm lượng polymaltose thực tế đo được bằng TGA nằm trong khoảng 10,2% đến 15,6% khi lượng phối trộn ban đầu từ 20% đến 35%, rất gần với tỷ lệ chất hữu cơ tự nhiên trong xương động vật. Chế độ sấy đông khô giữ nguyên được độ xốp và kích thước hạt 10 đến 15 nm, ưu việt hơn hẳn phương pháp sấy nhiệt đối lưu ở 60°C hay 100°C vốn gây hiện tượng co ngót và dính kết hạt.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm đã đạt được, 4 giải pháp hành động cụ thể được đề xuất nhằm chuyển giao và ứng dụng vật liệu vào thực tiễn:

• Chuẩn hóa và mở rộng quy mô tổng hợp pilot: Phòng Hóa Vô cơ thuộc Viện Hóa học chủ trì nâng cấp hệ thống phản ứng từ dung tích phòng thí nghiệm 1 lít lên quy mô pilot 20 đến 50 lít/mẻ trong vòng 12 tháng. Duy trì nghiêm ngặt các thông số tối ưu: nồng độ Ca(OH)2 0,25 M, H3PO4 0,15 M, polymaltose DE = 25, tốc độ cấp axit 6 ml/phút và nhiệt độ 30°C nhằm đạt hiệu suất thu hồi sản phẩm trên 92%.
• Thực hiện đánh giá hoạt tính sinh học in vitro và in vivo: Các viện nghiên cứu y dược phối hợp cùng các bệnh viện chuyên khoa tiến hành thử nghiệm độc tính tế bào và khả năng tương thích sinh học trên dòng tế bào tạo xương osteoblast trong thời gian 6 đến 18 tháng. Mục tiêu đặt ra là tỷ lệ sống sót và tăng sinh của tế bào đạt trên 95% sau 72 giờ tiếp xúc với vật liệu.
• Ứng dụng chế tạo thực phẩm chức năng bổ sung canxi: Các doanh nghiệp sản xuất dược phẩm ứng dụng bột nano compozit Hydroxyapatite - polymaltose để phát triển viên uống bổ sung khoáng chất cho phụ nữ mang thai, trẻ em còi xương và người cao tuổi bị loãng xương. Thời gian nghiên cứu bào chế hoàn thiện dự kiến trong 12 tháng với độ hòa tan và khả năng hấp thụ canxi qua thành ruột tăng ít nhất 30% so với canxi vô cơ thông thường.
• Thiết kế hệ chất mang nhả chậm thuốc kháng sinh và thuốc chống ung thư: Nhóm nghiên cứu công nghệ nano tiếp tục thử nghiệm gắn các hoạt chất kháng sinh như gentamicin hoặc ciprofloxacin lên khung xốp compozit trong thời hạn 24 tháng. Mục tiêu kiểm soát hiệu suất mang thuốc đạt trên 80% và thời gian giải phóng kéo dài liên tục từ 7 đến 14 ngày tại ổ viêm nhiễm xương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị khoa học và giải pháp ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Các nhà nghiên cứu và chuyên gia vật liệu sinh học: Cung cấp cơ sở dữ liệu chi tiết về động học phản ứng kết tủa in situ và cơ chế tương tác giữa khoáng canxi photphat với chất nền polysaccharide tự nhiên, phục vụ phát triển các hệ compozit y sinh thế hệ mới.
• Kỹ sư công nghệ và chuyên viên R&D ngành dược phẩm: Nắm bắt chính xác quy trình công nghệ tổng hợp hạt nano canxi kích thước 10 đến 15 nm có độ tương thích cao, làm nguyên liệu đầu vào cho các chế phẩm bổ sung vi chất và dược phẩm điều trị bệnh lý cơ xương khớp.
• Bác sĩ và chuyên gia phẫu thuật chấn thương chỉnh hình và nha khoa: Tham khảo thông số khoa học của vật liệu cấy ghép có tỷ lệ Ca/P chuẩn 1,67 để ứng dụng trong hàn gắn khuyết tật xương, tái khoáng hóa men răng và chế tạo xi măng sinh học phục hồi mô nướu.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Hóa học, Vật liệu học: Sử dụng luận văn như một tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể qua XRD, phổ FT-IR, kính hiển vi điện tử SEM, TEM và phân tích nhiệt trọng lượng TGA-DTA.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao giá trị DE = 25 của polymaltose lại mang lại hiệu quả phân tán nano Hydroxyapatite tốt nhất?

Polymaltose có DE = 25 được thủy phân bằng enzyme Promozyme cắt mạch nhánh, tạo cấu trúc mạch thẳng chứa mật độ nhóm hydroxyl hoạt tính cao nhất. Cấu trúc này tối ưu hóa khả năng tạo phức với ion Ca2+, tạo ra không gian giới hạn lý tưởng giúp hạt duy trì kích thước siêu mịn 10 đến 15 nm và ngăn chặn hiện tượng kết tụ hiệu quả hơn hẳn các mẫu DE = 12 hay DE = 20.

Ưu điểm vượt trội của phương pháp kết tủa trực tiếp so với phương pháp trộn cơ học là gì?

Phương pháp kết tủa trực tiếp cho phép tinh thể Hydroxyapatite hình thành và phát triển ngay trong mạng lưới polyme, tạo liên kết hóa học bền vững giữa pha vô cơ và hữu cơ. Ngược lại, phương pháp trộn cơ học chỉ tạo ra sự mắc kẹt vật lý đơn thuần, khiến hạt vô cơ dễ bị phân tách, vón cục lớn trên 100 nm và phân bố không đồng đều trong chất nền.

Tăng tốc độ cấp axit H3PO4 lên 6 ml/phút có làm suy giảm độ tinh khiết của sản phẩm không?

Thực nghiệm chứng minh tốc độ cấp axit 6 ml/phút vẫn duy trì độ pH hỗn hợp trong vùng kiềm từ 8,0 đến 10,0. Ở môi trường này, Hydroxyapatite là pha bền nhiệt động nhất, giúp sản phẩm thu được hoàn toàn là đơn pha với kích thước hạt đồng đều 30 đến 40 nm, đồng thời giúp tiết kiệm đáng kể thời gian tổng hợp.

Vì sao nhiệt độ phòng 30°C được lựa chọn thay vì nâng cao nhiệt độ lên 60°C hoặc 90°C?

Nhiệt độ phòng 30°C giúp hạn chế tốc độ khuếch tán ion, kiểm soát kích thước tinh thể ở mức nhỏ nhất là 19 nm với độ tinh thể hóa Xc = 0,24. Khi tăng nhiệt độ lên 90°C, kích thước tinh thể tăng mạnh lên 28 nm và hạt có xu hướng phát triển thành dạng que dài, làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc sinh học.

Vật liệu Hydroxyapatite - polymaltose có tiềm năng ứng dụng thực tế như thế nào trong y học?

Nhờ cấu trúc mô phỏng tự nhiên và độ tinh sạch 100%, vật liệu đáp ứng hoàn hảo yêu cầu làm khung tái tạo mô xương khuyết tật, chất hàn răng sinh học, và màng bao nhả chậm thuốc kháng sinh. Đặc biệt, sản phẩm có thể hấp thu qua hệ tiêu hóa với hiệu suất cao, mở ra hướng sản xuất thuốc bổ sung canxi thế hệ mới không gây lắng cặn thận.

Kết luận

• Tổng hợp thành công vật liệu compozit Hydroxyapatite - polymaltose đơn pha 100% bằng phương pháp kết tủa trực tiếp không sử dụng dung môi hữu cơ độc hại.
• Xác định polymaltose có chỉ số DE = 25 là chất nền tối ưu nhất, giúp kiểm soát kích thước hạt nano đạt mức 10 đến 15 nm và triệt tiêu hiện tượng vón cục.
• Thiết lập bộ thông số kỹ thuật chuẩn: nồng độ Ca(OH)2 0,25 M, H3PO4 0,15 M, tốc độ cấp axit 6 ml/phút, nhiệt độ phản ứng 30°C và làm khô bằng phương pháp sấy đông khô.
• Hàm lượng pha hữu cơ thực tế đạt 10,2% đến 15,6%, tương thích hoàn hảo với cấu trúc sinh học của xương tự nhiên.
• Kế hoạch phát triển tiếp theo tập trung vào việc thử nghiệm độc tính sinh học in vitro trong 6 đến 12 tháng tới và đăng ký tiêu chuẩn chất lượng nguyên liệu dược dụng trong vòng 18 tháng.

Công trình luận văn là nguồn tài liệu khoa học giá trị cao cho các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp dược phẩm. Quý độc giả, các nhà khoa học và đơn vị sản xuất quan tâm có thể khai thác trực tiếp quy trình công nghệ để phục vụ công tác nghiên cứu chuyên sâu hoặc triển khai ứng dụng thương mại hóa sản phẩm y sinh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Hydroxyapatite hay Canxi hydroxyapatite (HA), có công thức Ca10(PO4)6(OH)2, HA là thành phần chính của xƣơng và răng trong cơ thể ngƣời và động vật. 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, có tính dẫn xƣơng tốt, tạo liên kết trực tiếp với xƣơng non dẫn đến sự tái sinh xƣơng nhanh, không bị cơ thể đào thải, tồn tại ở các trạng thái tập hợp khác nhau. HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con ngƣời với tỉ lệ Ca/P đúng nhƣ tỉ lệ Ca/P tự nhiên trong xƣơng và răng. 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 KH&CN Việt Nam) đã thực hiện các nghiên cứu về tổng hợp vật liệu HA dạng bột và dạng xốp hƣớng đến ứng dụng trong dƣợc học và y sinh học. Để nâng cao đặc tính của HA trong các ứng dụng dƣợc học và y sinh học, một xu hƣớng mới là tạo ra vật liệu compozit bằng cách phân tán HA vào các polyme sinh học. Các nhóm chức của polyme có khả năng tạo liên kết tốt với các tế bào sinh học, nâng cao tính tƣơng thích sinh học của vật liệu và khả năng hấp thụ của cơ thể.

Các polyme đang đƣợc tập trung nghiên cứu theo hƣớng này là các polyme tự nhiên nhƣ collagen, chitosan, alginat, polymaltose hay các polyme tổng hợp nhƣ poly (lactide-co-galactide) làm các chất truyền dẫn, nhả chậm thuốc và chế tạo các chi tiết xƣơng nhân tạo để cấy ghép xƣơng. Vật liệu compozit sinh học trên cơ sở HA và polyme tự nhiên đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghệ mô, phẫu thuật chỉnh hình, truyền dẫn thuốc, nhả thuốc… Để tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong nƣớc và góp phần tạo ra một loại vật liệu có nhiều ƣu điểm và khả năng ứng dụng trong y sinh học và dƣợc học, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp và xác định các đặc trưng của hydroxyapatite - polymaltose”. Đề tài tập trung khảo sát các nội dung sau: Đặng Thị Nhung 1 Cao học Hóa - K24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN  Nghiên cứu lựa chọn phƣơng pháp tổng hợp vật liệu HA/polymaltose.  Lựa chọn polymaltose với chỉ số DE thích hợp.

 Khảo sát ảnh hƣởng của các thông số phản ứng để lựa chọn lựa chọn đƣợc chế độ tổng hợp thích hợp, tạo ra sản phẩm HAP có kích thƣớc hạt và độ phân tán tốt nhất. Các thông số đó bao gồm: - Hàm lƣợng polymaltose. - Tốc độ cấp axit H3PO4 - Nhiệt độ phản ứng. - Thời gian khuấy.

- Chế độ làm khô sản phẩm. Đặng Thị Nhung 2 Cao học Hóa - K24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính chất vật lý Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, kích thƣớc hạt và trạng thái tập hợp mà Hydroxyapatite (HA) có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ. HA nóng chảy ở 1760oC, sôi ở nhiệt độ 2850oC, độ tan trong nƣớc 0,7 g/l, khối lƣợng phân tử 1004,60 g/mol, khối lƣợng riêng 3,156 g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5 [28, 57].

HA là hợp chất bền nhiệt, chỉ bị phân hủy ở khoảng 800-1200oC tùy thuộc vào phƣơng pháp điều chế và dạng tồn tại. Các tinh thể HA thƣờng tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình cầu… [28]. Có thể nhận biết các dạng tồn tại của tinh thể HA nhờ sử dụng phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc hiển vi điện tử truyền qua (TEM) (Hình 1. Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HA Đặng Thị Nhung 3 Cao học Hóa - K24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN Cấu trúc mạng của HA gồm: Ca2+, PO43- và OH- đƣợc sắp xếp trong các ô đơn vị.

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. 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 nhƣng 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. Tƣơng tự, 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, trong một phân tử HA bao gồm có 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43- và 2 nhóm OH-, từ đó ta khẳng định HA có công thức hóa học tỷ lƣợng là Ca10(PO4)6(OH)2 [10]. Zaluzec [48] đã nghiên cứu và chỉ ra 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.

Công thức cấu tạo của phân tử HA Đặng Thị Nhung 4 Cao học Hóa - K24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN 1. Tính chất hóa 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 hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800oC đến 1200oC tạo thành oxy-hydroxyapatite theo phản ứng: Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 ≤ x ≤ 1) (1.2) Ở nhiệt độ > 1200oC, HA bị phân hủy thành β - Ca3(PO4)2 và Ca4P2O9 hoặc CaO: Ca10(PO4)6(OH)2 2β-Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + 2H2O (1. Tính chất sinh học [24] Do có thành phần hóa học và cấu trúc tƣơng tự nhau 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 thì 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 thì HA có thành phần hóa học và đặc tính giống xƣơng tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập. Do vậy vật liệu này tƣơng thích sinh học cao với các tế bào 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. Mặt khác, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể ngƣời và có tính kháng khuẩn. Các ứng dụng cơ bản của vật liệu HA Các muối canxi photphat (CaP) là thành phần khoáng trong xƣơng và răng của động vật có xƣơng sống [7, 8, 20, 42, 45, 57].

Xƣơng và các mô cứng khác có thể đƣợc xem là vật liệu compozit tự nhiên gồm chất khoáng sinh học gắn trong chất nền polyme, các chất hữu cơ khác và nƣớc [42, 57]. Pha khoáng sinh học, là một hoặc nhiều loại muối CaP, chiếm 65-70% khối lƣợng của xƣơng, nƣớc chiếm khoảng 5-8% và phần còn lại là pha hữu cơ, mà chủ yếu là collagen [20, 42, 57]. Đặng Thị Nhung 5 Cao học Hóa - K24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sĩ Khoa Hóa học - Trường ĐHKHTNHN Collagen đóng vai trò là chất nền cho sự lắng đọng và tăng trƣởng của các chất khoáng [42, 57]. Trong số các muối CaP, HA là thành phần chủ yếu của pha khoáng sinh học [42, 45].

Trong nhiều thập kỷ qua, việc nghiên cứu tổng hợp HA đã đƣợc các nhà khoa học vật liệu quan tâm do tính tƣơng thích sinh học tuyệt vời [5, 17, 22, 30], gần gũi với các polyme sinh học [30] và có khả năng dẫn xƣơng cao [8, 20, 23, 36]. HA đã đƣợc chứng minh là có thể thúc đẩy sự phát triển của xƣơng mới thông qua cơ chế dẫn xƣơng mà không gây ra bất kỳ độc tính cục bộ hoặc toàn thân, viêm hoặc dị ứng [18, 23, 28, 36, 63]. Khi cấy ghép vật liệu gốm chứa HA vào cơ thể, một lớp mô mới đƣợc hình thành trên bề mặt của nó và góp phần vào sự liên kết của các mô cấy vào xƣơng, dẫn đến định hình vƣợt trội mô cấy đến các mô xung quanh [53]. Hơn nữa, một số nghiên cứu cho thấy HA hoặc các muối CaP có thể đƣợc khai thác nhƣ một hợp chất mô hình để nghiên cứu quá trình khoáng hóa sinh học trong cơ thể con ngƣời [63, 65].

Các nghiên cứu gần đây cũng đã chỉ ra rằng, các hạt HA ức chế sự phát triển của nhiều loại tế bào ung thƣ [37, 38, 39]. Hiện nay, HA là vật liệu đƣợc lựa chọn cho các ứng dụng y sinh học khác nhau, ví dụ: thay thế cho xƣơng và các khuyết tật nha chu, ổ răng, cấy ghép tai giữa, hệ thống kỹ thuật mô, tác nhân truyền dẫn thuốc, điều trị bệnh loãng xƣơng, vật liệu nha khoa và lớp phủ hoạt tính sinh học lên miếng cấy ghép xƣơng bằng kim loại [18 - 22, 25, 29, 32, 36, 60, 67]. Ngoài lĩnh vực dƣợc học và y sinh học, HA và các muối CaP ngày càng đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác. Ví dụ: chất xúc tác cho các phản ứng cộng hợp kiểu Michael và oxy hóa metan, nguyên liệu phát laser, vật liệu huỳnh quang [38].

HA tổng hợp cũng có thể đƣợc sử dụng trong phƣơng pháp sắc ký cột để cất phân đoạn đơn giản và nhanh chóng các protein và axit nucleic. Hơn nữa, HA còn là vật liệu có giá trị cho quá trình xử lý nƣớc và hấp phụ kim loại nặng trong đất [31]. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu HA kích thƣớc nano có tính tƣơng thích, tái hấp thu sinh học và hoạt tính sinh học cao hơn nhiều so với vật liệu có kích thƣớc micro [60, 65, 67].