MỞ ĐẦU Nước ta có đường bờ biển dài và hệ thống sông ngòi dày đặc nên ngành đánh bắt, nuôi trồng và chế biến thủy hải sản có nhiều thuận lợi. Chế biến thủy sản hiện nay đang phát triển thành một trong những ngành kinh tế mũi nhọn. Ngành này sản xuất một lượng hàng hóa lớn và đi đầu trong chiến lược hội nhập quốc tế. Với sự tăng trưởng nhanh và hiệu quả, thủy sản đã đóng góp tích cực trong chuyển đổi cơ cấu kinh tế nông nghiệp, đóng góp hiệu quả cho công cuộc xóa đói, giảm nghèo và giải quyết được việc làm cho hàng triệu lao động, nâng cao đời sống cộng đồng dân cư khắp các vùng nông thôn, ven biển, đồng bằng,…Ở khu vực cửa sông nơi giao nhau của nước ngọt và nước mặn là khu vực lý tưởng để nuôi trồng các loại thủy hải sản thích nghi với vùng nước lợ, hoặc có thay đổi điều kiện độ muối trong các giai đoạn sinh trưởng khác nhau.
Cá chẽm là loài cá có vảy được nuôi ở nước ta với số lượng lớn. Nuôi cá chẽm có một số điểm thuận lợi, ít rủi ro hơn các loại thủy hải sản khác, như: cá chẽm dễ thích nghi với môi trường, có thể chịu nóng tốt, thích nghi với môi trường có khoảng muối rộng [1] và gần đây nguồn giống cá chẽm đang được các Viện/đơn vị có uy tín cung ứng ổn định, đáp ứng được nhu cầu của bà con nông dân nên xu hướng trong tương lai, sản lượng cá chẽm nuôi trồng ở nước ta sẽ tiếp tục tăng nhanh. Ngoài việc tiêu thụ nhỏ lẻ ở các chợ dân sinh, hầu hết cá chẽm nuôi được thu mua, chế biến công nghiệp và xuất khẩu dưới dạng cá phi lê. Phần xương cá được xem là phế phẩm có giá trị thấp, thực trạng hiện nay tồn tại một số cơ sở nhỏ thu gom và xử lý chưa tốt gây ra các vấn đề về môi trường.
Trong khi đó phế phẩm này lại chứa nhiều thành phần có giá trị như canxi photphat, sợi colagen, canxicarbonat và hydroxyapatite. Đến nay, đã nhiều nghiên cứu nhằm tìm giải pháp tận dụng nguồn nguyên liệu này để gia tăng giá trị cho ngành nuôi trồng cũng như giải quyết được vấn đề môi trường. Trong đó, hướng nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng canxi hydroxyapatite (viết tắt là HA) có kích thước nano từ xương cá chẽm rất có tiềm năng phát triển, tuy nhiên hướng nghiên cứu này ở Việt Nam chưa được quan tâm. HA là một trong những thành phần chính của xương và răng người, do đó HA 1 Luận văn tốt nghiệp là vật liệu phù hợp để ứng dụng trong ngành vật liệu y sinh.
Và xương cá sẽ là nguồn canxi photphat tự nhiên rẻ tiền cho việc tổng hợp HA. Hơn nữa đã có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng HA từ động vật là vật liệu y sinh có tính tương thích sinh học cao, không gây độc đối với cơ thể so với các chất tổng hợp hóa học [2]. Chắc chắn quá trình biến đổi xương cá thành HA là một quá trình thân thiện với môi trường và là cơ hội tốt để giảm chi phí điều trị trong lĩnh vực nha khoa và chỉnh hình. Tuy nhiên thực tế sẽ có một sự chênh lệch đáng kể giữa thành phần nguyên tố trong nguyên liệu nguồn gốc động vật và trong vật liệu y sinh mong muốn.
Do đó, nhiệm vụ đặt ra là kiểm soát được tỉ lệ phù hợp của các thành phần mong muốn trong sản phẩm, cũng như gia tăng các tính chất cơ lý, tính chất kháng khuẩn đối với một số chủng vi khuẩn phổ biến. Do đó, đề tài nghiên cứu này được thực hiện với mục đích là tổng hợp được vật liệu HA đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của vật liệu y sinh; đồng thời biến tính HA đã đượng chế tạo với một lượng nhỏ ZnO giúp tăng cường các phản ứng sinh học, mở ra một giải pháp mới cho lĩnh vực chấn thương chỉnh hình nói riêng và các ứng dụng y sinh khác nói chung. Trong khuôn khổ đề tài này, các mục tiêu và nội dung nghiên cứu cụ thể như sau: Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng được quy trình tổng hợp HA từ xương cá chẽm bằng phương pháp thủy nhiệt. Xây dựng được quy trình điều chế ZnO@HA bằng phương pháp vi sóng.
Đánh giá các tính chất lý hóa cũng như các chỉ tiêu vi sinh của các mẫu vật liệu HA và HA biến tính ZnO tổng hợp được. Đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với 05 chủng vi sinh Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella và Bacillus cereus. Nội dung nghiên cứu: Nội dung 1: Tổng hợp HA bằng phương pháp thủy nhiệt từ xương cá 2 Luận văn tốt nghiệp chẽm và các tiến chất H3PO4, dung dịch NH4OH bổ sung. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian phản ứng, tỉ lệ rắn lỏng đến quy trình tổng hợp.
Đánh giá sản phẩm thu được để lựa chọn điều kiện thích hợp nhất. Nội dung 2: Điều chế vật liệu ZnO@HA bằng phương pháp vi sóng từ sản phẩm HA tổng hợp được và muối kẽm nitrat. Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian vi sóng và công suất vi sóng đến tính chất, kích thước và cấu trúc hạt sản phẩm thu được để lựa chọn điều kiện phù hợp. Nội dung 3: Sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại để xác định tính chất lý hoá của các mẫu vật liệu HA biến tính ZnO thu được: phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định thành phần pha; phương pháp phân tích phổ EDS để xác định thành phần nguyên tố hóa học; phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để xác định hình thái bề mặt; phương pháp hấp phụ N2 (BET) để xác định diện tích bề mặt riêng, thể tích và kích thước lỗ xốp.
Đồng thới đánh giá mức độ nhiễm khuẩn của các vật liệu. Nội dung 4: Đánh giá khả năng kháng khuẩn đối với năm chủng vi khuẩn: Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella và Bacillus cereus bằng phương pháp nồng độ ức chế tối thiểu. 3 Luận văn tốt nghiệp Chương 2. TỔNG QUAN GIỚI THIỆU VỀ CANXI HYDROXYAPATITE (HA) 2.1 Cấu tạo hóa học và cấu trúc tinh thể Trong tự nhiên, apatite là tên chung của một nhóm khoáng chất, có công thức tổng quát Ca5X(PO4)3.
Trong đó X có thể là một trong số các gốc OH, Cl, F hoặc Br. Canxi hydroxyapatite là một dạng apatite chứa nhóm OH có công thức Ca5(PO4)3OH [3]. Còn khi thể hiện HA ở dạng tinh thể công thức HA thường được viết là Ca10(PO4)6(OH)2, do HA tồn tại với hai phân tử liên kết với nhau. Công thức cấu tạo của HA được thể hiện ở hình 1.1: Công thức cấu tạo của phân tử HA Phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, gồm ba vòng canxi photphat Ca3(PO4)2 liên kết với nhau bằng cầu nối canxi, hai nhóm OH nằm ở hai đầu mạch và liên kết trực tiếp với nguyên tử P.
HA thường được tìm thấy ở hai dạng tinh thể, là dạng lục phương (hexagonal) và dạng đơn tà (monoclinic) [4]. HA dạng đơn tà chủ yếu được sinh ra khi nung dạng lục phương ở 850 oC trong không khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng. Còn dạng lục phương thường được tạo thành trong quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 oC đến 100 oC. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hai dạng này giống nhau hoàn toàn về số lượng và vị trí của các vạch nhiễu xạ (hình 1.2), chúng chỉ khác nhau về cường độ của đỉnh đặc trưng, dạng đơn tà cho các đỉnh có cường độ yếu hơn dạng lục phương khoảng 1% [5].
4 Luận văn tốt nghiệp Hình 2.2: Kết quả XRD của hai dạng tinh thể lục phương (a) và đơn tà (b) Trong thực tế, dạng lục phương xuất hiện nhiều hơn, đây cũng là cấu trúc thường gặp trong xương và răng của người. Cấu trúc ô mạng tinh thể lục phương bao gồm các ion Ca2+,PO43, và OH được sắp xếp trong các ô đơn vị như hình 1.3: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể lục phương Hình 1.3 cho thấy, có 6 ion Ca2+ của HA nằm trọn vẹn trong một ô mạng đơn vị trong tổng số 14 ion Ca2+, còn lại 8 ion nằm trên hai mặt đáy và được dùng chung với các ô đơn vị kế bên. Trong 10 nhóm PO43, có hai nhóm nằm trong ô đơn vị và 8 nhóm nằm trên hai mặt đáy nhưng chỉ có sáu nhóm thuộc về ô đơn vị, 6 nhóm này 5 Luận văn tốt nghiệp gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị và tám nhóm chia đều nằm trên 2 mặt đáy. Tương tự chỉ có 2 trong số tám nhóm OH- trong hình là thuộc về ô đơn vị.
Trong ô đơn vị, số lượng các ion có thể không đúng với công thức phân tử của HA. Điều này được giải thích do có sự lặp lại của các ô đơn vị trong hệ đối xứng ba chiều. Như vậy cách giải thích trên cho thấy, trong một phân tử HA bao gồm 10 ion Ca2+, 6 nhóm PO43 và hai nhóm OH-, một lần nữa khẳng định công thức hóa học lý tưởng của HA là Ca10(PO4)6(OH)2. Cấu trúc mạng tinh thể lục phương của HA có các thông số mạng như sau: a = b = 0,9423 nm, c = 0,6875 nm, α = β = 90o, γ = 120o.2 Tính chất vật lý HA thường có màu trắng hoặc trắng ngà, ngoài ra khi hình thành ngoài tự nhiên, HA cũng có thể có các màu khác như xanh, vàng, nâu….
Tùy thuộc vào điều kiện hình thành và phương pháp tổng hợp, điều kiện tổng hợp mà tinh thể HA tồn tại ở dạng hình cầu, hình kim hoặc hình trụ. Sau khi đã xác định được trạng thái pha của HA bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, có thể sử dụng các phương pháp phân tích như kính hiển vi điện tử quét (SEM) hoặc kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để nhận biết các hình dạng tồn tại của tinh thể HA minh họa ở hình 1. HA có một số tính chất vật lý đặc trưng như được trình bày ở bảng 1.4: Các dạng tồn tại của HA 6 Luận văn tốt nghiệp Bảng 2.1: Tính chất vật lý của HA STT Tính chất vật lý Giá trị 1 Khối lượng phân tử 1004,62 g/mol 2 Nhiệt độ nóng chảy 1760 oC 3 Nhiệt độ sôi 2850 oC 4 Khối lượng riêng 3,156 g/cm3 5 Độ tan trong nước 0,7 g/l 6 Độ cứng theo thang Mod 5 7 Tính bền nhiệt Bền với nhiệt độ < 850 oC 2.