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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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].