Luận văn thạc sĩ khảo sát quá trình tách và một số đặc trưng của canxi hydroxyapatite từ xương động vật

Luận văn thạc sĩ khảo sát quá trình tách và đặc trưng của canxi hydroxyapatite từ xương động vật, cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật liệu sinh học.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hưởng
• Người hướng dẫn: PGS. Đào Quốc Hương
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Tách Canxi Hydroxyapatite Từ Xương Động Vật
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính chất của hyđroxyapatit
• 1.2. Ứng dụng của HA
• 1.2.1. Ứng dụng của HA bột
• 1.2.2. Ứng dụng của HA dạng màng
• 1.2.3. Ứng dụng của HA dạng xốp
• 1.2.4. Ứng dụng của HA dạng compozit
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Dụng cụ, thiết bị và hoá chất
• 2.2. Nghiên cứu quy trình tách bột HA
• 2.3. Chuẩn bị phụ gia
• 2.4. Lấy mẫu và sơ chế mẫu
• 2.5. Phương pháp tiến hành
• 2.5.1. Tạo mẫu HA nguyên bản
• 2.5.2. Ninh mẫu xương ở điều kiện áp suất thường, không có phụ gia
• 2.5.3. Ninh mẫu xương ở điều kiện áp suất thường, có phụ gia
• 2.5.4. Ninh ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia
• 2.5.5. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới quá trình tách HA
• 2.6. Chuẩn bị mẫu phân tích
• 2.6.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.6.2. Phổ hồng ngoại (FTIR)
• 2.6.3. Hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.6.4. Phân tích nhiệt
• 2.6.5. Phân tích thành phần hóa học
• 2.7. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.7.1. Kết quả các mẫu HA nguyên bản
• 2.7.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thường, không có phụ gia
• 2.7.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thường, có chất phụ gia
• 2.7.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia
• 2.7.5. Sản phẩm HA tách ra ở thân xương
• 2.7.6. Đặc trưng nhiệt – trọng lượng của các mẫu HA
• 2.7.7. Phân tích thành phần hóa học và các kim loại nặng
• 2.7.8. Kết quả thành phần chính của một số sản phẩm HA
• 2.7.9. Kết quả hàm lượng các kim loại nặng có trong một số sản phẩm HA
• 2.7.10. Xác định độ xốp tổng của các mẫu HA theo trọng lượng riêng
• 2.7.11. Độ xốp tổng của các mẫu HA tách ra ở hai đầu xương
• 2.7.12. Độ xốp tổng của các mẫu HA tách ra ở thân xương
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Tách Canxi Hydroxyapatite từ Xương Động Vật

Canxi Hydroxyapatite (HA) là một hợp chất quan trọng trong cơ thể động vật, đặc biệt là trong xương và răng. Việc tách chiết HA từ xương động vật không chỉ giúp cung cấp nguồn canxi tự nhiên mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong y sinh học. Quá trình này bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, từ nhiệt độ đến hóa học, nhằm tối ưu hóa chất lượng và hiệu quả của sản phẩm cuối cùng.

1.1. Tính chất và vai trò của Canxi Hydroxyapatite

Canxi Hydroxyapatite có cấu trúc tinh thể đặc biệt, chiếm 65-70% khối lượng xương. Nó có tính tương thích sinh học cao, giúp tái sinh xương nhanh chóng mà không bị đào thải. HA cũng có khả năng hấp thụ canxi tốt, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các sản phẩm bổ sung dinh dưỡng.

1.2. Quy trình tách chiết Canxi từ xương động vật

Quy trình tách chiết HA từ xương động vật thường bao gồm các bước như chuẩn bị mẫu, xử lý nhiệt và phân tích thành phần. Các phương pháp như ninh ở áp suất thường hoặc có chất phụ gia được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất tách chiết.

II. Vấn đề và Thách thức trong Tách Canxi Hydroxyapatite

Mặc dù tách chiết HA từ xương động vật mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tinh khiết của sản phẩm, khả năng hấp thụ và tính tương thích sinh học cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ tinh khiết và chất lượng của sản phẩm

Độ tinh khiết của HA tách chiết từ xương động vật phụ thuộc vào quy trình xử lý. Việc loại bỏ tạp chất và kim loại nặng là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

2.2. Tính tương thích sinh học của Canxi Hydroxyapatite

Tính tương thích sinh học của HA là yếu tố quyết định trong ứng dụng y sinh học. Cần nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo rằng HA không gây phản ứng phụ trong cơ thể.

III. Phương pháp Tách Canxi Hydroxyapatite hiệu quả

Có nhiều phương pháp tách chiết HA từ xương động vật, mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu quả của sản phẩm.

3.1. Phương pháp ninh ở áp suất thường

Phương pháp này đơn giản và hiệu quả, giúp tách chiết HA mà không cần sử dụng hóa chất độc hại. Tuy nhiên, cần kiểm soát nhiệt độ và thời gian ninh để đạt được kết quả tốt nhất.

3.2. Phương pháp ninh có chất phụ gia

Sử dụng chất phụ gia có thể cải thiện hiệu suất tách chiết HA. Các chất này giúp tăng cường khả năng hấp thụ và giảm thiểu tạp chất trong sản phẩm cuối cùng.

3.3. Phương pháp ninh trong nồi áp suất

Phương pháp này cho phép tách chiết HA ở nhiệt độ cao hơn, giúp tăng cường hiệu suất và giảm thời gian xử lý. Tuy nhiên, cần chú ý đến an toàn trong quá trình thực hiện.

IV. Ứng dụng thực tiễn của Canxi Hydroxyapatite

Canxi Hydroxyapatite có nhiều ứng dụng trong y sinh học, từ việc bổ sung canxi cho cơ thể đến việc sử dụng trong các sản phẩm y tế. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng này đang ngày càng được chú trọng.

4.1. Ứng dụng trong bổ sung dinh dưỡng

HA được sử dụng trong các sản phẩm bổ sung canxi, giúp cải thiện sức khỏe xương cho trẻ em và người cao tuổi. Sản phẩm này có thể được hấp thụ nhanh chóng và hiệu quả.

4.2. Ứng dụng trong y tế và phẫu thuật

HA được sử dụng để sửa chữa các khuyết tật xương và răng. Với tính tương thích sinh học cao, HA giúp tăng cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo và mô tự nhiên.

V. Kết luận và Tương lai của Tách Canxi Hydroxyapatite

Tách Canxi Hydroxyapatite từ xương động vật là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng. Với những ứng dụng đa dạng trong y sinh học, việc phát triển các phương pháp tách chiết hiệu quả và an toàn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới.

5.1. Tương lai của nghiên cứu Canxi Hydroxyapatite

Nghiên cứu về HA sẽ tiếp tục được mở rộng, với mục tiêu cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng cường khả năng ứng dụng trong y sinh học. Các công nghệ mới sẽ được phát triển để tối ưu hóa quy trình tách chiết.

5.2. Định hướng phát triển ứng dụng Canxi Hydroxyapatite

Các ứng dụng của HA trong y tế và dinh dưỡng sẽ ngày càng được chú trọng. Việc phát triển các sản phẩm mới từ HA sẽ góp phần nâng cao sức khỏe cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Canxi hydroxyapatite (HA), với công thức hóa học Ca$_{10}$(PO$_4$)$_6$(OH)$_2$, là thành phần chính chiếm từ 65 đến 70% khối lượng xương và 99% khối lượng răng trong cơ thể người và động vật. HA có tính tương thích sinh học cao, không gây độc và có khả năng liên kết trực tiếp với xương non, thúc đẩy quá trình tái sinh xương nhanh chóng mà không bị đào thải. Nghiên cứu này tập trung khảo sát quá trình tách HA từ xương bò tự nhiên, nhằm đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện nhiệt độ, áp suất và chất phụ gia đến đặc trưng vật lý, hóa học và sinh học của HA thu được. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các phương pháp ninh xương ở điều kiện áp suất thường và trong nồi áp suất, với hoặc không có phụ gia natri bicacbonat (NaHCO$_3$), trong khoảng thời gian từ 5 đến 196 giờ. Việc khảo sát chi tiết các đặc tính như cấu trúc tinh thể (XRD), phổ hồng ngoại (FTIR), hình thái bề mặt (SEM), phân tích nhiệt (DTA-TGA), thành phần hóa học và độ xốp tổng góp phần làm rõ cơ chế tách HA và nâng cao chất lượng vật liệu sinh học ứng dụng trong y sinh học và dược phẩm. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nguồn nguyên liệu HA tự nhiên, thân thiện với môi trường và phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc tinh thể của HA: HA tồn tại chủ yếu ở dạng lục phương (hexagonal) với nhóm không gian P6$_3$/m, có hằng số mạng a = b = 0,9417 nm, c = 0,6875 nm. Cấu trúc này quyết định tính chất vật lý và hóa học của HA, đặc biệt là khả năng tương thích sinh học.

• Phương pháp tách HA từ xương động vật: Sử dụng phương pháp nhiệt (ninh) để loại bỏ các hợp chất hữu cơ và tạp chất, giữ lại pha HA tinh khiết. Các điều kiện nhiệt độ, áp suất và sự có mặt của phụ gia ảnh hưởng đến hiệu quả tách và đặc tính của HA.

• Phân tích đặc trưng vật liệu: Áp dụng các kỹ thuật phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và độ tinh thể; phổ hồng ngoại (FTIR) để nhận diện các nhóm chức trong HA; hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt và kích thước hạt; phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và nhiệt vi sai (DTA) để đánh giá tính ổn định nhiệt và thành phần hóa học; xác định độ xốp tổng dựa trên trọng lượng riêng.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Mẫu xương ống bò tự nhiên, chưa qua xử lý, được thu thập và sơ chế tại phòng thí nghiệm Viện Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

• Phương pháp chọn mẫu: Xương được cắt thành khối nhỏ kích thước khoảng 4 x 6 x 6 mm, lấy từ hai vị trí khác nhau là đầu xương và thân xương để so sánh đặc tính HA thu được.

• Quy trình tách HA: Thực hiện ninh mẫu xương trong dung dịch nước cất hoặc dung dịch NaHCO$_3$ 0,114% ở điều kiện áp suất thường (100 – 102$^\circ$C) hoặc trong nồi áp suất (120$^\circ$C, 1,7 atm). Thời gian ninh dao động từ 5 đến 196 giờ, chia thành các giai đoạn ninh gần bằng một nửa thời gian tới nhừ và ninh tới nhừ hoàn toàn.

• Phân tích mẫu: Sau khi ninh, mẫu được sấy khô, nghiền mịn và nung ở 700$^\circ$C trong 2 giờ để loại bỏ hoàn toàn các hợp chất hữu cơ còn sót lại. Các mẫu sau đó được phân tích bằng XRD, FTIR, SEM, TGA-DTA và xác định độ xốp tổng.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình thu thập, xử lý mẫu và phân tích kéo dài trong khoảng 6 tháng, đảm bảo thu thập đủ dữ liệu cho các điều kiện khảo sát khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ninh đến độ tinh thể HA: Giản đồ XRD cho thấy các mẫu HA nguyên bản chưa nung (NB1, NB2) có độ tinh thể thấp, với các vạch nhiễu xạ rộng và không rõ ràng. Sau khi nung ở 700$^\circ$C trong 2 giờ (NB3, NB4), các vạch nhiễu xạ trở nên sắc nét, rõ ràng, độ tinh thể tăng đáng kể, đồng thời loại bỏ hoàn toàn pha Ca$_3$(PO$_4$)$_2$ không mong muốn. Độ tinh thể của mẫu NB4 cao hơn NB3 do lấy từ thân xương, nơi cấu trúc xương đặc hơn.

2. Ảnh hưởng của phụ gia NaHCO$_3$ trong quá trình ninh: Mẫu ninh trong dung dịch NaHCO$_3$ có phổ FTIR rõ nét hơn, với các dải đặc trưng của nhóm PO$_4^{3-}$ và OH$^-$ xuất hiện rõ, đồng thời màu sắc mẫu chuyển sang trắng sáng hơn so với mẫu ninh trong nước cất. Điều này cho thấy phụ gia giúp tăng hiệu quả loại bỏ tạp chất hữu cơ và cải thiện chất lượng HA.

3. Độ xốp tổng và hình thái bề mặt: Độ xốp tổng của HA tách ra từ đầu xương cao hơn thân xương, dao động trong khoảng 40 – 60%, phù hợp với cấu trúc xốp tự nhiên của xương. Ảnh SEM cho thấy các hạt HA có kích thước nano đến micro, hình dạng đa dạng như hình que, hình trụ và hình vảy, đặc biệt ở mẫu nung có cấu trúc tinh thể rõ ràng hơn.

4. Phân tích nhiệt và thành phần hóa học: Kết quả TGA-DTA xác định được nhiệt độ phân hủy của HA trong khoảng 800 – 1200$^\circ$C, phù hợp với các phản ứng phân hủy oxy-hydroxyapatite. Hàm lượng Ca và P trong các mẫu đạt tỷ lệ mol Ca/P gần 1,67, tương đương với HA chuẩn, đồng thời hàm lượng kim loại nặng nằm trong giới hạn an toàn.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy quá trình ninh xương ở nhiệt độ và áp suất thích hợp, đặc biệt khi có sự hỗ trợ của phụ gia NaHCO$_3$, giúp loại bỏ hiệu quả các hợp chất hữu cơ và tạp chất, đồng thời giữ nguyên cấu trúc tinh thể HA tự nhiên. Việc nung mẫu sau khi ninh làm tăng độ tinh thể và loại bỏ hoàn toàn các pha không mong muốn, nâng cao chất lượng vật liệu. Độ xốp cao của HA tách từ đầu xương phù hợp với ứng dụng trong y sinh học, giúp mô sợi và mạch máu dễ dàng xâm nhập, tăng khả năng tương thích sinh học. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đồng với các phương pháp tách HA từ xương động vật khác, đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng HA tự nhiên trong nước. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD so sánh các mẫu, phổ FTIR minh họa các nhóm chức, ảnh SEM thể hiện hình thái bề mặt và bảng tổng hợp tỷ lệ Ca/P cùng độ xốp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình ninh xương: Áp dụng ninh trong dung dịch NaHCO$_3$ 0,114% ở nhiệt độ 100 – 102$^\circ$C trong khoảng 50 – 100 giờ để đạt hiệu quả tách HA cao, giảm thời gian và năng lượng tiêu thụ. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu sinh học.

2. Sử dụng phương pháp nung sau ninh: Nung mẫu ở 700$^\circ$C trong 2 giờ để tăng độ tinh thể và loại bỏ hoàn toàn tạp chất hữu cơ, nâng cao chất lượng HA cho ứng dụng y sinh. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất vật liệu y sinh.

3. Phát triển sản phẩm HA dạng bột nano và xốp: Khai thác đặc tính độ xốp và kích thước hạt nano của HA tách từ xương để sản xuất thuốc bổ sung canxi và vật liệu ghép xương có tính tương thích sinh học cao. Chủ thể thực hiện: công ty dược phẩm và y sinh.

4. Xây dựng tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng HA tự nhiên: Thiết lập các chỉ tiêu về độ tinh thể, tỷ lệ Ca/P, hàm lượng kim loại nặng và độ xốp để đảm bảo an toàn và hiệu quả khi ứng dụng trong y học. Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý chất lượng và các viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu y sinh học: Nghiên cứu sâu về đặc tính và quy trình tách HA từ nguồn tự nhiên, phát triển vật liệu sinh học mới.

2. Cơ sở sản xuất dược phẩm và thực phẩm chức năng: Áp dụng quy trình tách HA để sản xuất nguyên liệu bổ sung canxi chất lượng cao, an toàn.

3. Bệnh viện và phòng khám chỉnh hình, nha khoa: Tham khảo đặc tính HA để lựa chọn vật liệu ghép xương, phục hình răng phù hợp.

4. Cơ quan quản lý và kiểm định chất lượng: Xây dựng tiêu chuẩn và quy định về vật liệu HA tự nhiên sử dụng trong y sinh học và dược phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Quá trình tách HA từ xương bò có phức tạp không?
   Quá trình tách HA chủ yếu dựa trên phương pháp ninh xương ở nhiệt độ và áp suất thích hợp, có thể kết hợp phụ gia để tăng hiệu quả. Đây là phương pháp đơn giản, tiết kiệm chi phí và thân thiện môi trường, phù hợp với điều kiện nghiên cứu trong nước.

2. Phụ gia NaHCO$_3$ có vai trò gì trong quá trình tách HA?
   NaHCO$_3$ giúp duy trì môi trường kiềm nhẹ, hỗ trợ loại bỏ các hợp chất hữu cơ và tạp chất hiệu quả hơn, đồng thời cải thiện màu sắc và chất lượng HA thu được, như đã chứng minh qua phổ FTIR và hình thái bề mặt SEM.

3. Tại sao cần nung mẫu sau khi ninh?
   Nung mẫu ở nhiệt độ cao giúp loại bỏ hoàn toàn các hợp chất hữu cơ còn sót lại, tăng độ tinh thể của HA, làm cho vật liệu ổn định hơn về mặt cấu trúc và phù hợp hơn cho ứng dụng y sinh.

4. Độ xốp của HA ảnh hưởng thế nào đến ứng dụng y sinh?
   Độ xốp cao tạo điều kiện cho mô sợi và mạch máu xâm nhập, tăng khả năng tương thích sinh học và dẫn xương tốt, rất quan trọng trong các ứng dụng ghép xương và sửa chữa khuyết tật xương.

5. Tỷ lệ mol Ca/P trong HA có ý nghĩa gì?
   Tỷ lệ Ca/P gần 1,67 là đặc trưng của HA chuẩn, đảm bảo tính tương thích sinh học và khả năng hấp thu canxi của cơ thể. Tỷ lệ này cũng phản ánh chất lượng và độ tinh khiết của vật liệu HA.

Kết luận

• Quá trình tách HA từ xương bò bằng phương pháp ninh kết hợp phụ gia NaHCO$_3$ và nung sau đó cho ra sản phẩm HA có độ tinh thể cao, cấu trúc ổn định và độ xốp phù hợp.
• Phân tích XRD, FTIR, SEM và TGA-DTA đã xác nhận đặc tính vật lý, hóa học và sinh học của HA thu được tương đương với HA chuẩn.
• Việc sử dụng phụ gia NaHCO$_3$ giúp nâng cao hiệu quả tách và chất lượng HA, đồng thời giảm thời gian ninh cần thiết.
• Đề xuất áp dụng quy trình này trong sản xuất vật liệu y sinh và dược phẩm bổ sung canxi tại Việt Nam.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng quy mô sản xuất thử nghiệm và đánh giá ứng dụng lâm sàng để hoàn thiện sản phẩm.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu y sinh nên áp dụng và phát triển quy trình tách HA từ xương tự nhiên nhằm đa dạng hóa nguồn nguyên liệu và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong các hợp chất vô cơ trong cơ thể ngƣời và động vật những hợp chất chứa canxi và photpho đóng vai trò rất quan trọng. Thuộc nhóm hợp chất này phải kể đến canxi hydroxyapatite. Trong tự nhiên, apatit là tên chung của nhóm khoáng chất, chủ yếu chứa canxi florua photphat Ca5F(PO4)3 và một lƣợng nhỏ các khoáng trong đó F- đƣợc thay thế một phần hay hoàn toàn bởi Cl-, Br- hoặc OH-. Trong cơ thể ngƣời và động vật HA là thành phần chính trong xƣơng (chiếm đến 65 – 70 % khối lƣợng) và răng (chiếm 99%).

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, tạo liên kết trực tiếp với xƣơng non dẫn đến sự tái sinh xƣơng nhanh mà không bị cơ thể đào thải [29], [23]… Do có cùng bản chất hoá học và cấu trúc, HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con ngƣời và có tỷ lệ Ca/P đúng nhƣ tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xƣơng và răng. Các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tổng hợp HA ở các dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phƣơng pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để mở rộng khả năng ứng dụng của chúng. Ở dạng bột, các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế HA kích thƣớc nano (trong khoảng 20 – 100 nm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ của cơ thể. HA tự nhiên và nhân tạo ở dạng bột vi tinh thể cùng với một số khoáng chất khác đã đƣợc dùng trong bào chế thuốc chống loãng xƣơng và thực phẩm chức năng bổ sung canxi, xử lý các khuyết tật trong xƣơng do chấn thƣơng… HA bột cũng có thể đƣợc dùng bổ sung canxi trong nƣớc giải khát [3].

Ở dạng màng, một lớp HA siêu mịn, mỏng phủ trên xƣơng nhân tạo có thể tăng cƣờng khả năng liên kết giữa xƣơng nhân tạo với mô và xƣơng tự nhiên [7]. HA dạng xốp đƣợc ứng dụng để sửa chữa các khuyết tật của xƣơng và răng. Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy, HA xốp còn đƣợc sử dụng làm chất truyền dẫn thuốc do bền trong các dịch sinh lý của cơ thể, có tác dụng nhả chậm các dƣợc chất đi kèm với nó. Ở nƣớc ta, việc nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng ứng dụng trong y sinh học nói chung và dƣợc phẩm nói riêng chƣa đƣợc quan tâm nhiều.

Từ năm 2005, nhóm nghiên cứu thuộc Phòng Hoá Vô cơ, Viện Hoá học (Viện KH&CN Việt Nam) 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] đã thực hiện các nghiên cứu về vật liệu HA dạng bột [5] và dạng xốp [19] đã và đang hƣớng đến ứng dụng trong dƣợc học và y sinh học. Phòng Hóa Vô Cơ, Viện Hóa Học (Viện KH&CN Việt Nam) đã chế tạo HA dạng bột và dạng khối xốp bằng các phƣơng pháp khác nhau. Để góp phần hoàn thiện các nghiên cứu về chế tạo HA nhân tạo và tự nhiên, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Khảo sát quá trình tách và một số đặc trƣng của canxi hydroxyapatite từ xƣơng động vật”. Đề tài có mục đích tách HA từ xƣơng động vật, cụ thể là xƣơng bò và khảo sát một số đặc tính của HA thu đƣợc.

Đề tài tập trung khảo sát các nội dung sau: - Khảo sát quá trình tách HA từ xƣơng bò theo các phƣơng pháp nhiệt: ninh ở điều kiện bình thƣờng; ninh trong điều kiện có chất phụ gia; ninh trong nồi áp suất. - Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ, áp suất, chất phụ gia trong quá trình tách HA theo các phƣơng pháp nêu trên. - Khảo sát một số đặc trƣng nhƣ XRD, FTIR, DTA-TGA, SEM và độ xốp tổng của bột HA thu đƣợc. - Xác định hàm lƣợng Ca và P, tỉ số mol Ca/P, hàm lƣợng kim loại nặng trong HA.

9 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính chất của hyđroxyapatit 1. Tính chất vật lý Hydroxyapatite (HA), Ca10(PO4)6(OH)2, có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thƣớc hạt và trạng thái tập hợp. HA có nhiệt độ nóng chảy 17600C và nhiệt độ sôi 28500C, độ tan trong nƣớc 0,7 g/l, khối lƣợng mol phân tử 1004,60 g, khối lƣợng riêng là 3,156 g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5.

Các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo, tùy thuộc vào điều kiện hình thành mà có thể tồn tại ở các dạng hình que, hình kim, hình vảy,… [3]. Sử dụng phƣơng pháp hiển vi điện tử SEM hoặc TEM có thể nhận biết đƣợc các dạng tồn tại của tinh thể HA (Hình 1.1: Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HA (a) - Dạng hình que (b) - Dạng hình trụ (c) - Dạng hình cầu (d) - Dạng hình sợi (e) - Dạng hình vảy (f) - Dạng hình kim HA tồn tại ở hai dạng cấu trúc là dạng lục phƣơng (hexagonal) và dạng đơn tà (monoclinic). HA dạng lục phƣơng thƣờng đƣợc tạo thành trong quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 đến 1000C, còn dạng đơn tà chủ yếu đƣợc sinh ra khi nung dạng lục phƣơng ở 8500C trong không khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hai dạng này giống nhau hoàn toàn về số lƣợng và vị trí của các vạch nhiễu xạ, chỉ khác nhau về cƣờng độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cƣờng độ yếu hơn các pic của dạng lục phƣơng khoảng 1% [1].

10 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- đƣợc sắp xếp nhƣ hình 1. Ô mạng này có dạng hình lục phƣơng, thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a là 0,9417 nm, b: 0,9417 nm và c: 0,6875 nm, α = β = 900 và γ = 1200 [10]. Đây là cấu trúc thƣờng gặp của HA nhân tạo và HA tự nhiên trong thành phần của xƣơng và răng [16].2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA Ở men răng, các tinh thể HA sắp xếp rất đặc khít với nhau bởi các ô mạng cơ sở thuộc hệ đơn tà, nhóm không gian P21/b (hình 1. Các hằng số mạng lần lƣợt có giá trị: a là 0,9421 nm, b: 1,8843 nm và c: 0,6881 nm, α = β = 900 và γ = 1200.

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. 3: Công thức cấu tạo của phân tử HA 1. Tính chất hoá học HA không phản ứng với kiềm nhƣng phản ứng với các axit tạo thành muối canxi và nƣớc: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl  3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1) HA tƣơng đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 8000C đến 12000C tạo thành oxy-hydroxyapatite theo phản ứng: Ca10(PO4)6(OH)2  Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0  x  1) (2) 11 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ở nhiệt độ lớn hơn 12000C, HA bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β – TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO: Ca10(PO4)6(OH)2  2β – Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O (3) Ca10(PO4)6(OH)2  3β – Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (4) 1.

Tính chất sinh học [5] Nhƣ đã trình bày ở trên, do có cùng bản chất và thành phần hoá học, 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, 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, HA có thành phần hoá học và các đặc tính giống xƣơng 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 tƣơng thích sinh học cao với các tế bào và 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.

Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể ngƣời và có tính sát khuẩn cao. Hợp chất HA tƣơng đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hƣởng của dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thƣớc nano, HA đƣợc cơ thể ngƣời hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lƣỡi và thực quản. Vì những đặc tính này, bột HA kích thƣớc nano đƣợc dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao.

Để chế tạo vật liệu HA có tính tƣơng thích sinh học cao và phù hợp với mục đích ứng dụng trong y sinh học và dƣợc học, cần chọn lựa quy trình chế tạo chúng bằng phƣơng pháp hóa học hay tách từ xƣơng động vật. Ứng dụng của HA 1. Ứng dụng của HA bột Do lƣợng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tƣơng đối thấp nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và ngƣời cao tuổi. Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thƣờng nằm ở dạng hợp chất hoà tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thƣờng phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cƣờng việc hấp thụ và chuyển hoá canxi thành HA.

Có thể bổ sung canxi cho cơ thể ngƣời bằng cách dùng thức ăn, thuốc tiêm hoặc truyền huyết thanh… Một phƣơng pháp hữu hiệu là sử dụng HA tự nhiên hoặc nhân tạo ở dạng bột mịn, kích thƣớc nano để bổ sung canxi [10]. 12 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Với kích thƣớc cỡ 20 – 100 nm, HA đƣợc hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải chuyển hoá thêm. Để chữa trị căn bệnh loãng xƣơng, Cục Quản lý Thực phẩm và Dƣợc phẩm Mỹ (FDA) đã cho phép sử dụng HA trong sản xuất thuốc và thực phẩm chức năng. Nhiều loại thuốc và thực phẩm bổ sung canxi có sử dụng HA đã đƣợc lƣu hành trên thị trƣờng.

Trong số đó có thể kể đến Ossopan của Pháp, Bone Booster Complex, Bone Dense Calcium của Mỹ, Calcium Complex của Anh, SuperCal của New Zealand.4 là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung canxi sử dụng HA bột tự nhiên hoặc nhân tạo ở dạng vi tinh thể đang đƣợc lƣu hành trên thị trƣờng [16]. 4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể 1.