Luận văn Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột hyđroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2 kích thước nano điều chế từ canxi hyđroxit Ca(OH)2

ĐẶT VẤN ĐỀ Apatit là họ khoáng photphat của canxi có công thức chung là Ca10(PO4)6M2, gồm bốn dạng thường được nhắc đến là hyđroxyapatit, floro apatit, cloro apatit và bromo apatit với M = OH, F, Cl, Br tương ứng. Trong bốn dạng này, hyđroxyapatit (viết tắt là HA) đang được tập trung nghiên cứu do các đặc tính quý giá như có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao với các tế bào và các mô, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải [22], [23]… HA có cấu trúc tinh thể thuộc dạng lục phương hoặc dạng đơn tà. Do có cùng bản chất hoá học và cấu trúc, HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con người và có tỷ lệ Ca/P đúng như tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xương và răng. Các nghiên cứu tập trung vào tổng hợp HA ở các dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính của chúng để mở rộng khả năng ứng dụng. Ở dạng bột, các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế HA kích thước nano (trong khoảng 20 – 100nm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ của cơ thể. HA bột dạng vi tinh thể cùng với một số khoáng chất bổ sung khác đã được dùng trong bào chế thuốc chống loãng xương và thực phẩm chức năng bổ sung canxi, xử lý các khuyết tật trong xương do chấn thương… Ở dạng màng, một lớp màng HA mỏng phủ trên gốm nhân tạo có thể tăng cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên. HA dạng khối xốp được ứng dụng để sửa chữa các khuyết tật của xương và răng. Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy, HA dạng khối xốp bền trong các dịch sinh lý của cơ thể và có tác dụng nhả chậm các dược chất đi kèm với nó [25], [26]. Ở nước ta, các vật liệu vô cơ có khả năng ứng dụng trong y sinh học nói chung và dược phẩm nói riêng đã được quan tâm từ lâu. Tuy nhiên, việc ứng dụng các vật liệu vô cơ trong y sinh học và dược 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 [5] và dạng xốp [27] hướng đến ứng dụng trong dược học và y sinh học. Để góp phần hoàn thiện quy trình chế tạo HA kích thước nano ứng dụng trong y sinh học và dược học, tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột hyđroxyapatit Ca10(PO4)6(OH)2 kích thước nano điều chế từ canxi hyđroxit Ca(OH)2”. Các đặc trưng quan trọng của bột HA như độ đơn pha, độ tinh thể, hình dạng, kích thước hạt… có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả sử dụng. Do vậy, trên cơ sở tổng hợp bột HA kích thước nano, luận văn tập trung vào khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm (độ đơn pha, độ tinh thể, kích thước hạt…) theo những nội dung sau: - Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ. - Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit. - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng ban đầu. - Khảo sát ảnh hưởng của các loại dung môi trong hỗn hợp phản ứng (nước, etanol, hỗn hợp etanol + nước). - Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn. - Nghiên cứu sơ bộ ảnh hưởng của hiệu ứng siêu âm. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thu được, lựa chọn các thông số công nghệ cho quy trình sản xuất HA. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Tính chất của hyđroxyapatit 1.1.1. Tính chất vật lý Hydroxyapatit (HA), Ca10(PO4)6(OH)2, có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp. HA có nhiệt độ nóng chảy 17600C và nhiệt độ sôi 28500C, độ tan trong nước 0,7g/l, khối lượng mol phân tử 1004,60g, khối lượng riêng là 3,156g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5. Các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo thường tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy,… [29]. Sử dụng phương pháp hiển vi điện tử SEM hoặc TEM có thể nhận biết được các dạng tồn tại của tinh thể HA (Hình 1.1). (a) (b) (c) (d) (e) (f) 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 phương (hexagonal) và dạng đơn tà (monoclinic). HA dạng lục phương thường được tạo thành trong quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 đến 1000C, còn dạng đơn tà chủ yếu được sinh ra khi nung dạng lục phương 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 lượng và vị trí của các vạch nhiễu xạ. Chúng chỉ khác nhau về cường độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cường độ yếu hơn các pic của dạng lục phương khoảng 1% [14]. Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- được sắp xếp như hình 1.2a. Ô mạng này có dạng hình lục phương , thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a = 0,9417nm, b = 0,9417nm và c = 0,6875nm, α = β = 900 và γ = 1200 [30]. Đây là cấu trúc thường gặp của HA tổng hợp, trong thành phần của xương và ngà răng [31]. Hình 1.2: 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 1.2b). Các hằng số mạng lần lượt có giá trị: a = 0,9421nm, b = 1,8843nm và c = 0,6881nm, α = β = 900 và γ = 1200 [32]. Công thức cấu tạo của phân tử HA được 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 được gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch [35]: Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HA 1.1.2. Tính chất hoá học 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 huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 8000C đến 12000C 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 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 (1.3) Ca10(PO4)6(OH)2 3β – Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (1.4) 1.1.3. Tính chất sinh học [35] Như 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 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 hoá học và các 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 và 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. Hợp chất HA tương đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA được cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản. Vì những đặc tính này, bột HA kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao. Để chế tạo vật liệu HA có tính tương thích sinh học cao, cần nghiên cứu và chọn lựa các thông số công nghệ phù hợp với mỗi mục đích ứng dụng trong y sinh học và dược học. 1.2. Vai trò và ứng dụng của HA Xương là phần quan trọng của cơ thể người, có ý nghĩa to lớn về mặt sinh học và cấu trúc. Về mặt sinh học, xương là nơi tập trung canxi nhiều nhất và là nơi sản xuất các tế bào máu. Còn về mặt cấu trúc, xương là khung đỡ cho các bộ phận khác, hình thành nên kiến trúc và hình dáng cơ thể. Chất khoáng trong xương gồm chủ yếu là HA dạng khối xốp và một số chất chứa Na+, K+, Mg2+, Cl-, F-, CO32- [38],[39]. Khi mới sinh ra, xương có tỷ lệ collagen nhiều và tỷ lệ khoáng ít. Càng lớn lên, tỷ lệ khoáng càng tăng lên, xương càng trở nên giòn, dễ gãy. Trong xương người trẻ tuổi thì các pha vô định hình chiếm ưu thế và chỉ có một phần chuyển hoá thành pha tinh thể, còn ở người trưởng thành thì đến 70% khối lượng của xương là HA. HA có vi cấu trúc là các sợi tinh thể dài khoảng 10 15nm kết thành bó xốp với độ xốp từ 40 60% gồm các mao quản thông nhau tạo ra phần khung của xương [7]. Do có hoạt tính sinh học, có khả năng tương thích với các cấu trúc xương và có tính dẫn xương tốt nên HA có thể được dùng để nối ghép, thay thế xương trong cơ thể người. Các phẫu thuật ghép xương, chỉnh hình đã đạt được nhiều thành tựu nhờ ứng dụng vật liệu y sinh HA. Một vấn đề lớn khác đối với y học thế giới đó là căn bệnh loãng xương. Mặc dù không gây tử vong nhưng bệnh loãng xương ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng cuộc sống của số đông người cao tuổi, đặc biệt là phụ nữ. Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), có đến 1/3 phụ nữ và 1/5 nam giới trên 50 tuổi bị bệnh loãng xương. Dự báo tới năm 2050, toàn thế giới sẽ có tới 6,3 triệu trường hợp gãy cổ xương đùi do loãng xương và 51% số này sẽ ở các nước châu Á, nơi mà khẩu phần ăn hàng ngày còn rất thiếu canxi và việc chẩn đoán sớm và điều trị tích cực bệnh loãng xương còn gặp rất nhiều khó khăn. Ở Mỹ, ngành y tế đã phải tiêu tốn hàng năm khoảng 14 tỉ USD để điều trị cho 1,5 triệu trường hợp gẫy xương do bệnh loãng xương gây ra [4]. Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của HA tuỳ theo dạng tồn tại của nó. 1.2.1. Ứng dụng của HA 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 hoà 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 hoá canxi thành HA. Có thể bổ sung canxi cho cơ thể người bằng cách dùng thức ăn, thuốc tiêm hoặc truyền huyết thanh… Một phương pháp hữu hiệu là sử dụng HA ở dạng bột mịn, kích thước nano để bổ sung canxi [40]. Với kích thước cỡ 20 – 100nm, HA được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải chuyển hoá thêm. Canxi ở dạng ion có vai trò rất quan trọng trong nhiều hoạt động của cơ thể người như tham gia vào quá trình co cơ, dẫn truyền thần kinh, giải phóng các hooc môn và đông máu. Ngoài ra nó còn tham gia vào quá trình điều hoà nhiều enzym khác nhau trong cơ thể [9]. Đối với bột HA có kích thước hạt khoảng 150nm trở lên, quá trình thiêu kết để tạo gốm HA rất khó khăn. Quá trình kết khối diễn ra ở nhiệt độ khá cao (1000 – 12000C) trong thời gian dài (2 – 3 giờ), làm cho gốm HA bị phân huỷ thành các hợp chất không mong muốn, có hại cho cơ thể. Với kích thước nano (từ 20 – 100nm), nhiệt độ kết khối của HA bột giảm xuống chỉ còn khoảng 800 – 10000C trong thời gian từ ½ giờ đến 1 giờ. Điều này làm cho việc chế tạo gốm y sinh học từ HA có chất lượng cao, thuận lợi và dễ dàng hơn. Hình 1.4 là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể đang được lưu hành trên thị trường [40]. Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể 1.2.2. Ứng dụng của HA dạng màng Thông thường, người ta sử dụng các vật liệu bền cơ – hoá và nhẹ để thay thế, sửa chữa những khuyết tật của xương và răng. Phổ biến nhất là hợp kim Ti6Al4V, đây là vật liệu trơ sinh học và có độ bền cơ – hoá cao nhưng trong thực tế nó vẫn bị ăn mòn khi nằm trong cơ thể người, tạo ra các chất độc hại và làm cho liên kết giữa xương và chi tiết ghép bị lỏng lẻo [42]. Lớp màng gốm HA có chiều dày cỡ µm được phủ lên bề mặt vật liệu thay thế bằng các phương pháp plasma, bốc bay, điện phân… đã hạn chế những nhược điểm nêu trên. Nhưng độ bám dính của lớp màng trên vật liệu nền không bền chặt, do vậy tuổi thọ và phạm vi ứng dụng của chúng không cao [43] Để cải thiện độ bám dính, người ta đã phủ lên các kim loại và hợp kim nền một lớp màng gốm HA có chiều dày cỡ nanomet (màng n – HA) bằng phương pháp điện hoá nói chung và phương pháp điện di (Electrophoretic Deposition, EPD). Lớp màng n – HA có độ bám dính cao với vật liệu nền (> 60MPa) và rất bền theo thời gian. Công nghệ màng n – HA đã tạo ra những chi tiết xương nhân tạo có khả năng tự liên kết với xương và mô tự nhiên, có tính tương thích sinh học cao với cơ thể con người. 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 phạm vi ứng dụng của màng n – HA từ chỗ chỉ áp dụng cho ghép xương hông đã tiến đến có thể ứng dụng ghép xương đùi, xương khớp gối và các sửa chữa, thay thế xương ở vị trí khác. 1.2.3. Ứng dụng của HA dạng xốp Như đã trình bày ở trên, vật liệu gốm xốp HA có tính tương thích sinh học cao, có nhiều lỗ liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu, có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng. Nhờ có khả năng đặc biệt này mà ngày nay, HA dạng gốm xốp được ứng dụng đặc biệt rộng rãi trong y sinh học như: - Chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng: các nhà khoa hoc Nhật Bản đã thành công trong viêc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thước nano và polymer 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 [45]. Hình 1.5: Quá trình tạo lớp men HA trên bề mặt răng Giai đoạn a: Lớp men HA cũ, cần thay thế trên bề mặt răng bị phân huỷ bởi dung dịch H2O2 + H3PO4. Hợp chất H2O2 còn có tác dụng loại bỏ các chất bẩn tồn tại trên răng. Giai đoạn b: Các ion Ca2+, PO43-, OH- trong các polime sinh học dạng bột nhão tạo thành vi tinh thể HA kích thước nano. Hỗn hợp này được phủ lên bề mặt răng cũ để tạo thành lớp men răng mới. - Chế tạo mắt giả [46]: Hình 1.6: HA xốp tổng hợp từ san hô được sử dụng làm mắt giả HA xốp tổng hợp từ san hô có cấu trúc xốp bền vững, nhẹ và đặc biệt là có khả năng thích ứng cao với cơ thể. Việc sử dụng loại vật liệu này đã khắc phục được hiện tượng sụp mi do trọng lượng, hạn chế các phản ứng của cơ thể và làm tăng thời gian sử dụng của mắt giả [49]. - Chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa những khuyết tật của xương [50]: Hình 1.7: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau Tuỳ thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra các sản phẩm gốm HA (Hình 1.7) có kích thước và độ xốp khác nhau [51]. Sau đó, gia công các 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 [35]. Hình 1.8: 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 [52]. - Làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [54]. - Gần đây, người ta phát hiện HA dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân tán insulin trong ruột [55]. Tuy nhiên, gốm HA còn có một nhược điểm là độ bền nén, độ bền uốn thấp. Tồn tại này cản trở viêc áp dụng gốm HA vào các chi tiết đòi hỏi chịu lực lớn. 1.2.4. Ứng dụng của HA dạng composit Bản chất của gốm xốp và màng HA là có độ bền cơ học thấp. Một giải pháp để tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm composit bằng cách phân tán HA bột vào các polyme sinh học như collagen, chitosan, xenlulo, đường sacaro… [51]. Vật liệu ở dạng này được sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc có thể làm chất truyền dẫn thuốc. Việc sử dụng các polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn. Mặt khác, các polyme này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình. Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composit chứa HA [58]. 1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu HA 1.3.1 Trên thế giới Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo HA như: dạng bột được điều chế bằng phương pháp sol – gel [59], kết tủa [60], phun sấy [61], siêu âm [20]…; dạng màng - bằng phương pháp vật lý [62] hoặc điện hoá [63]…; dạng khối rắn, khối xốp, vật liệu tổ hợp (composit) - bằng phương pháp nén ép – thiêu kết HA bột [6], phản ứng pha rắn, phản ứng thuỷ nhiệt…[58]. Hiện nay, trên thế giới đã sản xuất được nhiều chế phẩm từ nguyên liệu HA. Năm 1983, Klein và các đồng nghiệp lần đầu tiên tạo ra chi tiết ghép xương bằng gốm chứa 100% HA [67]. Thực tế cho thấy, sự phát triển của xương trong miếng ghép này có tốc độ phát triển chậm. Điều này tạo cho chất lượng của xương ở nơi cấy ghép rất tốt, nhưng thời gian điều trị kéo dài. Bằng những thí nghiệm khác, họ đã cấy ghép các chi tiết gốm chứa 100% β - TCP. Kết quả cho thấy, tốc độ phát triển của xương non trong miếng ghép rất nhanh, do vậy làm cho chất lượng của xương ở nơi cấy ghép không tốt cho quá trình phát triển của xương. Năm 1986, Moore và Chapman đã chế tạo được miếng ghép tổ hợp giữa hai pha HA và β -TCP. Trong thực tế, gốm HA tốt bao gồm khoảng 93 – 94% HA và 6 – 7% TCP. TCP có hai dạng thù hình là α và β -TCP, thành phần α - TCP có tác dụng làm tăng tốc độ tái sinh xương, nó như là nguồn khoáng cung cấp trực tiếp cho chỗ phát triển xương mới. Điều này có nghĩa rằng phần β -TCP sẽ tiêu biến dần như là nguồn cung cấp khoáng cho xương non phát triển vào chỗ khuyết xương. Do đó gốm tổ hợp HA - β - TCP là vật liệu y sinh chính cho các phẫu thuật ghép xương, nối xương, chỉnh hình hoặc sửa chữa xương. Để chữa trị căn bệnh loãng xương, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược 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 được lưu hành trên thị trường. 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 [69]. Như trong phần ứng dụng đã đề cập, HA dạng màng đã được các nhà khoa học Nhật Bản chế tạo thành vật liệu chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng. 1.3.2 Nghiên cứu và ứng dụng HA ở Việt Nam Trong nước, các hợp chất vô cơ có khả năng ứng dụng làm vật liệu sinh học nói chung và HA nói riêng còn nhiều hạn chế. Năm 2005, lần đầu tiên Viện Công nghệ Xạ hiếm đã triển khai đề tài chế thử gốm HA theo công nghệ của Italia và đã bước đầu thử nghiệm thành công trên động vật [3]. Công nghệ này dựa trên phương pháp nhúng tẩm khung xốp hữu cơ xenlulô vào dung dịch huyền phù HA, sau đó nung thiêu kết ở nhiệt độ cao. Khoa Hoá học, Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu và công bố kết quả sơ bộ về phương pháp tổng hợp bột và màng gốm HA [6]. Từ năm 2005 đến nay, Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã công bố một số kết quả nghiên cứu chế tạo HA bột [5] và HA xốp [27]. Trong đó HA xốp được chế tạo bằng phương pháp nén ép - thiêu kết HA bột với các chất tạo xốp chitosan, xenlulo, đường sacaro và phương pháp phản ứng pha rắn giữa Ca(OH)2 và Ca3(PO4)2. Việc chế tạo gốm HA từ khung xốp tự nhiên của san hô, mai mực, vỏ sò… bằng phản ứng thuỷ nhiệt ở áp suất cao cũng đã được thực hiện. Năm 2008, Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ đã nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu chế tạo gốm sinh học Calcium phosphate: Hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2(HA) và Tricalicium phosphate Ca3(PO4)2(TCP), ứng dụng thay thế một số bộ phận xương, khớp trong cơ thể con người”. 1.4. 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 đã đạt được những thành tựu đáng kể. Các nghiên cứu tập trung vào tổng hợp HA ở dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để nâng cao khả năng ứng dụng của chúng. Việc ứng dụng loại vật liệu tiên tiến này đã tạo ra những bước tiến mới trong các lĩnh vực: xét nghiệm, điều trị y học cũng như trong dược phẩm và vật liệu y sinh học. Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở các dạng khác nhau có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp từ các nguyên liệu khác nhau. Dựa vào điều kiện tiến hành phản ứng, có thể phân chia các phương pháp thành: phương pháp ướt và phương pháp khô; phương pháp vật lý và phương pháp hoá học hoặc chia theo dạng tồn tại (dạng bột, dạng màng, dạng khối xốp) của sản phẩm HA. Trong luận văn này chúng tôi trình bày các cách chế tạo HA theo phương pháp ướt và phương pháp khô. 1.4.1. Phương pháp ướt Đây là phương pháp chế tạo HA ở dạng bột hoặc dạng màng từ dung dịch chứa các nguyên liệu ban đầu khác nhau, bao gồm: phương pháp kết tủa, phương pháp sol – gel, phương pháp phun sấy… Nói chung, ưu điểm của phương pháp ướt là có thể điều chỉnh được kích thước của hạt HA theo mong muốn. Trong hệ CaO – P2O5 – H2O, tồn tại các hợp chất canxi photphat khác nhau tuỳ thuộc vào tỷ lệ của các chất ban đầu và điều kiện áp suất, nhiệt độ, độ pH… Áp dụng các quy tắc pha vào giản đồ pha CaO – P2O5 – H2O, năm 1996, T. S. B. Narasaraju và D. E. Phebe [30] đã tiến hành nghiên cứu sự tạo thành của các pha khác nhau có trong hệ là: anhydric mono canxi photphat – Ca(H2HO4)2, mono canxi photphat monohydrat – Ca(H2PO4)2.H2O. Trên hình 1.9, có thể nhận thấy các pha lỏng tồn tại ở vùng trống, các pha rắn nằm ở vùng elip còn lại. Anhydric mono canxi photphat – Ca(H2PO4)2 và các mono hydrat của nó tồn tại dưới dạng tinh thể trong vùng axit, tức là vùng có tỷ lệ P2O5 cao. Anhydric đicanxi photphat – CaHPO4 tồn tại ở vùng axit, còn đicanxi photphat đihyđrat – CaHPO4.2H2O luôn tồn tại trong môi trường phản ứng có pH khác nhau. Hình 1.9: Giản đồ pha của hệ CaO – P2O5 – H2O ở 250C Trong khoảng tỷ lệ Ca/P từ 1,5 đến 1,67 tương ứng với vùng chứa tricanxi photphat Ca3(PO4)2 đến vùng chứa tetracanxi photphat Ca3(PO4)2.CaO, xuất hiện các tinh thể Ca9(HPO4)(PO4)5OH (Calcium Deficient HA, CDHA). Ở vùng kiềm ứng với tỷ lệ Ca/P cao hơn (lớn hơn 1,67), chỉ tồn tại duy nhất một pha rắn HA, hợp chất hydroxyapatit tồn tại ở pha rắn này có thành phần hoá học theo đúng tỷ lệ hợp thức Ca10(PO4)6(OH)2 (Ca/P = 1,67, Stoichiometric Hydroxyapatite – SHA). 1.4.1.1. Phương pháp kết tủa Dung dịch PO43- Dung dịch điều chỉnh pH Dung dịch Ca2+ Kết tủa HA Ly tâm, sấy Sản phẩm Khuấy, gia nhiệt Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa được thể hiện qua hình 1.10: Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của 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, có thể phân ra thành hai nhóm chính: a) Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca2+và dễ tan trong nước: Các muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4… [24]. Phản ứng diễn ra theo phương trình (1.5) được coi là phương pháp cơ bản để tổng hợp HA [60]: 10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH ® Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O (1.5) Lượng Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 được chuẩn bị theo tỷ lệ Ca/P = 1,67, pha trong nước cất với nồng độ tương ứng 0,2M và 0,1M. Sau đó, nhỏ từ từ (tốc độ 2ml/phút) dung dịch (NH4)2HPO4 vào cốc đựng Ca(NO3)2 trên máy khuấy từ (tốc độ 300 – 400 vòng/phút). Bổ sung dung dịch NH4OH để đảm bảo phản ứng diễn ra trong môi trường pH = 10 – 12. Sau khi nhỏ hết lượng dung dịch (NH4)2HPO4 tiếp tục khuấy hỗn hợp trong khoảng 2 giờ tại nhiệt độ đã định. Kết thúc phản ứng, thu lấy kết tủa và làm sạch bằng cách lọc rửa nhiều lần với nước cất trên máy ly tâm hoặc thiết bị lọc hút chân không. Sản phẩm được sấy khô ở nhiệt độ 75 – 800C và bảo quản tránh tiếp xúc với không khí. b) 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 [28]. Ví dụ: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O (1.6) Trong quá trình điều chế, yếu tố pH cũng đóng vai trò quan trọng. Độ pH 9 – 10 được điều chỉnh bằng cách thêm từ từ H3PO4 vào Ca(OH)2. Các yếu tố như nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ, môi trường phản ứng… thường ảnh hưởng đến chất lượng và hình dạng của tinh thể HA. Để nhận được sản phẩm HA bột có kích thước mong muốn thì ngoài các yếu tố trên, cần quan tâm đến sự kết tinh của HA trong suốt quá trình tổng hợp. 1.4.1.2. Phương pháp sol – gel [10], [59], [15] Theo lý thuyết về phương pháp sol – gel, hệ phân tán là hệ bao gồm một môi trường liên tục và các tiểu phân (các hạt) có kích thước nhỏ được phân tán đồng đều trong môi trường đó. Tập hợp các tiểu phân nhỏ bé đó được gọi là pha phân tán, môi trường chứa đựng pha phân tán gọi là môi trường phân tán. Khi môi trường phân tán là lỏng và pha phân tán là rắn, thì tuỳ kích thước hạt sẽ tạo ra hệ huyền phù hoặc hệ keo (sol). Gel là một trạng thái lỏng hoá rắn, được tạo thành từ các hệ sol hoặc các dung dịch cao phân tử. Gel có cấu trúc mạng không gian chứa đựng trong nó phần còn lại của chất lỏng sau khi hình thành mạng. Quá trình tạo gel được mô tả như sau: Hệ sol, dung dịch cao phân tử gel, nghĩa là các hệ sol, dung dịch cao phân tử có thể chuyển thành gel hoặc ngược lại tuỳ thuộc điều kiện. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo gel là: kích thước, hình dạng của hạt keo và chất cao phân tử; nồng độ pha phân tán và chất cao phân tử; nồng độ chất điện ly, nhiệt độ, cường độ và thời gian khuấy… Có thể chuyển sol thành gel bằng cách tách dung môi. Khi dung môi bị tách ra, các hạt keo hoặc chất cao phân tử lại gần nhau hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng nối chéo với nhau. Khi sự nối chéo này đủ lớn, độ nhớt của dung dịch tăng nhanh và toàn bộ khối dung dịch sẽ chuyển thành gel. Cũng có thể dùng cách khuấy mạnh dung dịch để tạo gel. Cường độ và thời gian khuấy đủ lớn sẽ làm tăng tần số va chạm giữa các hạt keo và tạo điều kiện cho chúng nối chéo với nhau. Trong thực tế, thường kết hợp cả hai cách trên để chuyển sol thành gel. Ưu điểm của phương pháp sol – gel là tạo được độ đồng nhất cao ở mức độ phân tử, từ đó có thể chế tạo vật liệu ở dạng khối, màng mỏng [70], sợi và dạng hạt có chất lượng tốt [15]. to to Khuấy Khuấy Sấy Nung Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol – gel DUNG DỊCH SOL GEL AROGEL XEROGEL SẢN PHẨM Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol – gel được thể hiện qua hình sau: Có thể tổng hợp HA theo phương pháp sol – gel bằng cách: hoà tan các hợp chất Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4 với các chất tạo gel như (C2H5O)3P(O), CH3O(CH2)2(OH) (được chuẩn bị theo tỷ lệ nhất định) vào nước cất. Khuấy và gia nhiệt dung dịch này đến nhiệt độ 60 – 700C, sau khoảng 3 – 4 giờ, gel có chứa hợp chất HA sẽ được tạo thành. Sau đó, sấy gel ở nhiệt độ khoảng 1200C trong vòng 24 giờ và nung ở nhiệt độ 750 – 9000C khoảng 1 giờ. HA bột nhận được có kích thước trung bình khoảng 20nm, độ tinh thể khoảng 97% [59]. 1.4.1.3. Phương pháp phun sấy Hình 1.12 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy. Dung dịch chứa các ion Ca2+ và PO43- (tỷ lệ Ca/P = 1,67) được phun vào thiết bị cùng với khí nén. Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy Tốc độ phun dung dịch được điều chỉnh bằng áp suất khí nén và dòng khí khô sao cho phản ứng tạo HA xảy ra hoàn toàn, bột HA được sấy khô khi rơi đến đáy của cột thuỷ tinh gia nhiệt. Sản phẩm HA dạng bột được lấy ra định kỳ qua bộ phận lắng tĩnh điện. Đây là phương pháp chế tạo bột HA dạng liên tục, năng suất cao, phù hợp với quy mô sản xuất vừa và lớn [61]. 1.4.1.4 Phương pháp siêu âm hoá học Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thước “siêu mịn”, có thể tiến hành phản ứng hoá học trong môi trường sóng có cường độ lớn như vi sóng [34] hay sóng siêu âm [20]. Nguyên lý của phương pháp siêu âm dựa vào hiện tượng tạo và vỡ bọt (cavitation) xảy ra trong môi trường lỏng dưới tác dụng của sóng siêu âm với cường độ cao. Sóng siêu âm tạo ra một chu trình giãn nở, nó gây ra áp suất chân không trong môi trường lỏng. Hiện tượng tạo – vỡ bọt xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng. Khi bọt phát triển tới kích thước nào đó, không hấp thu năng lượng được nữa thì dưới áp lực từ chất lỏng bên ngoài, bọt sẽ vỡ vào trong (hình 1.13). Hiện tượng này sinh ra một lượng nhiệt tại ngay thời điểm đó gọi là sự toả nhiệt điểm (host – spot). Tuy nhiên, môi trường lỏng xung quanh có nhiệt độ thấp nên sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt. Điểm toả nhiệt có nhiệt độ và áp suất cao, thời gian sống của nó rất ngắn. Quá trình tạo và vỡ bọt đóng vai trò nhận và tập trung năng lượng của sóng siêu âm, chuyển năng lượng này thành năng lượng cần thiết làm tăng tốc độ phản ứng hoá học lên nhiều lần. Hình 1.13: Quá trình tạo và vỡ bọt dưới tác dụng của sóng siêu âm Năng lượng được tạo ra ở dạng xung với cường độ rất lớn cũng làm tăng tốc độ tạo mầm tinh thể. Quá trình tạo – vỡ bọt tiếp tục xảy ra gần bề mặt phân pha lỏng – rắn, lúc này chất lỏng tác động lên bề mặt chất rắn với tốc độ rất cao. Tuỳ thuộc vào tần số và công suất của thiết bị siêu âm, có thể làm cho các tinh thể bị vỡ thành những hạt nhỏ hơn. Hình 1.14 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học. Đầu phát siêu âm được ngâm vào trong dung dịch để truyền năng lượng cho phản ứng hoá học. Phương pháp này thường được kết hợp với phương pháp kết tủa để tạo HA bột có kích thước nanomet [15]. Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp siêu âm hoá học 1.4.1.5. Phương pháp composit Phương pháp composit được sử dụng để chế tạo các vật liệu dạng khối xốp chứa HA. HA được sử dụng thường ở dạng hạt, chất nền là các phân tử polyme. Sự kết hợp của hạt HA với polyme đưa ra một phương thức đơn giản và hữu hiệu để gắn kết các đặc tính của hai loại vật liệu. Có thể sử dụng các polyme như axit polylactic, polystyren, polyethylen, collagen, chitosan, xenlulo… trong đó các polyme sinh học được đặc biệt quan tâm trong lĩnh vực y sinh vì chúng có tính tương thích và phân huỷ sinh học cao. Để chế tạo vật liệu composit chứa HA, cation Ca2+ được phân tán đều trong mạng lưới polyme sau đó các anion PO43- và OH- được đưa vào dưới dạng dung dịch để phản ứng tạo thành các nano tinh thể. Cũng có thể thực hiện phản ứng tạo ra các tinh thể nano HA trước, sau đó phân tán chúng vào mạng lưới polyme nhằm ngăn không cho các tinh thể HA kết khối lại với nhau. Việc sử dụng các polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn. Mặt khác các polyme này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình. Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composit chứa HA. Ví dụ, có thể tóm tắt quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp composit với chitosan (CS) theo sơ đồ sau [36]: CS Dung dịch axit axetic Dung dịch CS Bình phản ứng Kết tủa HAp Sản phẩm Dung dich NaH2PO4 Dung dich CaCl2 1M Tỷ lệ mol Ca/P = 1,67 Ly tâm, sấy khô Thêm từ từ NaOH 1,25M Khống chế ở pH = 11 Hình 1.15: Sơ đồ tổng hợp composit HA – CS Theo [36], khi tỷ lệ CS/HA tăng lên thì sự phân tán các hạt HA vào mạng CS sẽ tốt hơn, do đó kích thước của các hạt HA phân tán sẽ nhỏ hơn, đồng thời độ kết tinh của HA cũng tăng lên. 1.4.1.6. Phương pháp điện hoá Với những vật liệu truyền thống, ngành phẫu thuật chỉnh hình thường sử dụng các kim loại trơ sinh học như titan, thép không gỉ hay các hợp kim để thay thế hay nối ghép các bộ phận của xương. Mặc dù các kim loại này có độ bền cao nhưng không có khả năng tương thích sinh học, bị ăn mòn theo thời gian nên các mô tế bào không có khả năng phát triển trên các kim loại đó. Các bệnh nhân sẽ cảm thấy đau đớn và khó chịu khi có những vật lạ nằm trong cơ thể. Để tăng độ cứng, độ bền cơ – hoá và tính tương thích sinh học của chi tiết cấy ghép, người ta chế tạo lớp màng gốm HA có độ dày mong muốn và có khả năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại. Bằng các phương pháp vật lý như plasma, bay bốc, hồ quang… đều tạo ra một lớp màng có chiều dày cỡ µm. Độ bám dính của lớp màng này vào vật liệu nền không cao, thường dao động từ 15 – 30MPa, trong khi đó yêu cầu tối thiểu phải đạt khoảng 50MPa mới đảm bảo tuổi thọ và tránh sự thoái hoá sớm của vật liệu ghép. Để khắc phục hạn chế này, người ta đã chế tạo và phủ được lớp màng HA có chiều dày cỡ nanommet (màng n – HA) trên các vật liệu nền khác nhau bằng: - Phương pháp kết tủa catot: Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực catot, điện cực này được nhúng vào bể điện phân với chất điện giải là dung dịch bão hoà các ion Ca2+ và PO43- ở pH = 6. Quá trình catot hoá diễn ra ở thế phân cực tại catot so với calomen bão hoà là -2V, mật độ dòng catot đạt 10mA/cm2, nhiệt độ điện phân được duy trì ở 600C. Lớp màng HA được tạo ra trên vật liệu nền có chiều dày khoảng 100nm trong vòng 10 phút, chiều dày của lớp màng HA tăng theo thời gian catot hoá [41], [63]. - Phương pháp anot hoá: Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực anot. Catot được làm bằng kim loại trơ, chẳng hạn như bạch kim. Hệ điện cực được đưa vào dung dịch điện giải chứa các ion Ca2+ và PO43- theo tỷ lệ Ca/P = 1,67. Dưới tác dụng của điện áp một chiều từ 250 – 350V, trên anot sẽ xảy ra hiện tượng phóng tia lửa điện tại các điểm dẫn điện tốt. Tại nơi này nhiệt độ có thể lên đến 103- 104 độ Kenvin làm cho kim loại bị oxi hoá, các oxit tạo thành bị nóng chảy tạo thành một lớp oxit với chiều dày khoảng 1 – 2μm có độ xốp cao. Lớp oxit này có điện trở lớn khi nguội và đóng rắn, làm cho hiện tượng phóng tia lửa điện chuyển sang điểm có điện trở nhỏ hơn. Thời gian anot hoá diễn ra trong khoảng 30 phút tạo ra một khối oxit có độ xốp cao. Tại các mao quản của khối xốp này sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ các ion Ca2+ và PO43-. Quá trình hình thành các tinh thể HA phụ thuộc vào số lượng các mầm tinh thể trong khi phóng điện và sự khuếch tán của các ion Ca2+ và PO43- đến bề mặt lớp oxit [37]. - Phương pháp điện di (EPD): Dựa trên hiện tượng chuyển dịch tương đối của pha phân tán trong môi trường phân tán dưới tác dụng của điện trường ngoài [8.H]. Pha phân tán là các hạt HA kích thước nanomet, môi trường phân tán có thể là nước hoặc môi trường mô phỏng dịch thể người SBF (Simulated Body Fluid). Dưới tác dụng của điện trường phù hợp, các hạt huyền phù HA tích điện âm và di chuyển về phía anot (gắn vật liệu nền) tạo ra một lớp màng mỏng n – HA (màng HA có độ dày cỡ nanomet) trên bề mặt chi tiết với độ bám dính cao [41]. Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện di Phương pháp điện di tạo được lớp màng n – HA có độ bám dính tốt, lớn hơn 60MPa, dòng tự ăn mòn chạy qua màng n – HA nhỏ hơn 300 lần so với dòng tự ăn mòn của màng µ - HA (màng HA có độ dày cỡ µm). 1.4.1.7. Phương pháp thuỷ nhiệt (hoá nhiệt) Phương pháp này được dùng chủ yếu để chế tạo HA xốp và gốm xốp. Nhìn chung, sản phẩm HA thu được vẫn giữ nguyên hình thái và cấu trúc xốp giống như khung xương tự nhiên của động vật thân mềm ban đầu (san hô, mai mực, vỏ trai, vỏ ốc…). Với cấu trúc xốp sinh học như vậy, vật liệu này có khả năng tương thích sinh học với cơ thể con người tốt hơn so với gốm xốp HA tổng hợp bằng những phương pháp khác [68]. Khung xương của các động vật thân mềm (san hô, mai mực, vỏ sò…) có thành phần chủ yếu (hơn 98%) là CaCO3 dạng aragonit. Phản ứng thuỷ nhiệt xảy ra giữa CaCO3 với dung dịch (NH4)2HPO4 trong thiết bị kín autoclave, có gia nhiệt. Do mai mực có độ xốp rất cao, diện tích bề mặt lớn nên để phản ứng dị thể xảy ra chỉ cần duy trì trong khoảng nhiệt độ 150 – 2500C ở áp suất 4 – 15atm, thời gian 24 – 30 giờ [66]. Khung xốp của san hô được cấu tạo bởi các tinh thể aragonit lớn, sắp xếp đặc khít với nhau do vậy phản ứng thuỷ nhiệt tạo HA chỉ diễn ra ở nhiệt độ khoảng 200 – 3000C, áp suất rất cao, lên tới 1000atm [44]. Phản ứng thuỷ nhiệt diễn ra theo phương trình: 10CaCO3 + 6(NH4)2HPO4 + 2H2O ® Ca10(PO4)6(OH)2 + 6(NH4)2CO3 + 4H2CO3 (1.7) Hình 1.17 là sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt. Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt Có thể chế tạo HA xốp từ khung xương tự nhiên bằng phản ứng thuỷ nhiệt thông qua sản phẩm trung gian CaO. Trước hết, chuyển hoá khung xương CaCO3 thành CaO mà vẫn giữ nguyên hình dạng ban đầu. Sau đó, phản ứng thuỷ nhiệt theo phương trình (1.7) được tiến hành trong hệ thiết bị như hình 1.17, ở nhiệt độ khoảng 2000C, áp suất 10 - 15atm, thời gian 24 - 48 giờ: 10CaO + 6(NH4)2HPO4 + 4H2O ® Ca10(PO4)6(OH)2 + 12NH4OH (1.8) Quá trình thuỷ phân của muối CaHPO4 cũng tạo ra sản phẩm HA trong bom thuỷ nhiệt được bọc lót bằng platin hoặc teflon ở nhiệt độ 250 – 3000C, trong thời gian 5 – 10 ngày. Nhiệt độ và áp suất cao tạo điều kiện cho các tinh thể HA hình thành và phát triển. Phản ứng xảy ra như sau [3]: 10CaHPO4 + 2H2O ® Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H+ + 4H2PO4- (1.9) 14CaHPO4 + 2H2O ® Ca10(PO4)6(OH)2 + 4Ca2+ + 8H2PO4- (1.10) Ở điều kiện trên, pha rắn HA có độ kết tinh cao, sản phẩm thu được là đơn pha, nhưng thiết bị và điều kiện phản ứng phức tạp, khó thực hiện. 1.4.2. Phương pháp khô 1.4.2.1. Phương pháp phản ứng pha rắn Đây là phương pháp tổng hợp HA trên cơ sở thực hiện các phản ứng pha rắn. Nguyên liệu ban đầu có thể là: Ca3(PO4)2 và Ca4P2O9, Ca3(PO4)2 và CaO,… được trộn đều theo tỷ lệ Ca/P = 1,7, sau đó tiến hành phản ứng ở nhiệt độ khoảng 10000C, trong hệ kín. Phản ứng tạo HA diễn ra như sau [65]: 2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 (1.11) 3Ca3(PO4)2 + CaO + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 (1.12) Nhược điểm của phương pháp này là cần thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao trong thời gian dài. Cũng có thể chế tạo HA bột và khối xốp bằng phản ứng pha rắn giữa Ca3(PO4)2 và Ca(OH)2 ở nhiệt độ thấp (250 – 3000C) trong áp suất khí quyển: 3Ca3(PO4)2 + Ca(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2 (1.13) Các phản ứng pha rắn này thường được áp dụng để chế tạo HA dạng khối xốp. Hỗn hợp nguyên liệu rắn ban đầu được ép nén để tạo ra các chi tiết có hình dạng và độ xốp mong muốn. Sau phản ứng, sản phẩm vẫn giữ nguyên được hình dạng và cấu trúc xốp ban đầu. Chính nhờ những ưu điểm này mà phương pháp phản ứng pha rắn này thích hợp cho việc chế tạo gốm y sinh với các chi tiết phức tạp. 1.4.2.2. Phương pháp hoá - cơ [65] Bằng phương pháp hoá – cơ, có thể chế tạo HA bột bằng phản ứng giữa hai pha rắn CaCO3 và CaHPO4.2H2O: 4CaCO3 + 6CaHPO4.2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H2CO3 (1.14) Hoặc bằng các phản ứng sau: 2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 (1.15) 2Ca3(PO4)2 + CaO + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 (1.16) Nguyên lý của phương pháp này là tác động một lực ma sát lớn giữa bi và má nghiền của bi đến các cấu tử của hai pha rắn. Lực này cần phải đủ mạnh để tạo ra sự khuếch tán nội, tiến tới phản ứng hoá học giữa hai pha rắn tạo ra pha rắn thứ ba. Quá trình phản ứng xảy ra trong thiết bị nghiền với má nghiền và bi có độ cứng cao, khối lượng riêng của bi lớn. Ưu điểm của phương pháp là điều kiện phản ứng đơn giản, dễ thực hiện. Nhược điểm là thời gian phản ứng dài, sản phẩm HA nhận được dễ bị lẫn tạp chất do sự mài mòn của bi và má nghiền. 1.4.2.3. Một số phương pháp vật lý Ngoài các phương pháp trên, còn có một số phương pháp vật lý như phương pháp plasma, bốc bay chân không, phún xạ magnetron, hồ quang… để chế tạo màng gốm HA trên các vật liệu nền trơ sinh học [25]. Nguyên lý của các phương pháp này là làm bốc bay các phân tử HA ở nhiệt độ cao trong chân không, sau đó tích tụ lại trên đế trơ sinh học. Bằng các phương pháp trên có thể dễ dàng chế tạo được màng HA có chiều dày cỡ µm. Màng HA có độ bám dính tương đối cao với vật liệu nền, nhưng khó tạo ra các màng rất mỏng (chiều dày cỡ nm), khó điều chỉnh được độ dày của lớp màng. Mặt khác, do thực hiện ở nhiệt độ cao, HA dễ bị phân huỷ do nhiệt độ cao dẫn đến tỷ lệ Ca/P thay đổi, nên sản phẩm thường lẫn các tạp chất của vật liệu nền. - Phương pháp plasma: Hình 1.18 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp plasma. Bột HA bị ion hoá và một phần nóng chảy trong dòng plasma, tạo ra một lớp màng bám trên vật liệu nền tương đối bền [42], [62]. Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp plasma - Phương pháp bốc bay chân không [11]: Hình 1.19: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp bốc bay chân không Bộ phận chính của thiết bị bốc bay nhiệt là một buồng được hút chân không cao (cỡ 10-5 – 10-6Torr) nhờ các bơm chân không (bơm khuếch tán hoặc bơm phân tử…). Thuyền điện trở được làm bằng các vật liệu (vonphram, tantan, bạch kim…) chịu nhiệt và ít tương tác với HA, có nhiệm vụ đốt nóng chảy HA cho đến khi HA bay hơi. Sau đó HA sẽ ngưng đọng lên các đế được gắn vào giá phía trên (hình 1.19). - Phương pháp phún xạ magnetron: Hình 1.20 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp phún xạ magnetron. Nguyên lý của phương pháp là sử dụng nguồn phát để tạo trường điện từ tần số cao (13,56 MHz) [42]. Hình 1.20: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phún xạ magnetron Do electron có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với ion dương, nên dòng xoay chiều này chỉ làm dịch chuyển electron, còn ion dương không bị ảnh hưởng nhiều. Electron di chuyển sẽ va chạm với Ar trung hoà và sinh ra ion Ar+. Các hạt khí ion này được gia tốc và va chạm với các nguyên tử trên bề mặt của HA, làm cho chúng phún xạ và bay đến vật liệu nền, lắng đọng hình thành nên lớp màng HA [12]. 1.5. Một số phương pháp nghiên cứu vật liệu HA 1.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X – Ray Diffraction, XRD) Phương pháp XRD được dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, có thể xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lượng pha tinh thể và kích thước hạt với độ tin cậy cao. Nguyên lý của phương pháp là xác định cấu trúc tinh thể dựa vào hình ảnh khác nhau của kích thước tinh thể lên phổ nhiễu xạ. Mạng tinh thể nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định. Khoảng cách giữa các nút mạng vào khoảng vài ăngstron () xấp xỉ với bước sóng của tia Rơnghen. Một chùm electron đã được gia tốc, có năng lượng cao, đang chuyển động nhanh, bị hãm đột ngột bằng một vật cản, một phần năng lượng của chúng chuyển thành bức xạ sóng điện từ (tia X) gọi là bức xạ hãm. Khi một chùm tia X có bước sóng l và cường độ I đi qua vật liệu, nếu tia tới thay đổi phương truyền và thay đổi năng lượng gọi là tán xạ không đàn hồi. Khi tia tới thay đổi phương truyền nhưng không thay đổi năng lượng gọi là tán xạ đàn hồi. Trường hợp vật liệu đang nghiên cứu có cấu trúc tinh thể thì hiện tượng tán xạ đàn hồi của tia X sẽ đưa đến hiện tượng nhiễu xạ tia X. Hiện tượng này chỉ xảy ra với ba điều kiện: Vật liệu có cấu trúc tinh thể; có tán xạ đàn hồi; bước sóng của tia X (tia tới) có giá trị cùng bậc với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Hình 1.21: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp nhiễu xạ tia X Trong mạng lưới tinh thể luôn tồn tại họ các mặt phẳng song song, cách đều nhau một khoảng bằng d. Một chùm tia X có bước sóng l chiếu tới bề mặt của mạng lưới tinh thể với một góc q sẽ bị phản xạ trở lại (hình 1.21). Tất cả các tia phản xạ đó tạo nên chùm tia X song song có cùng một bước sóng và có phương truyền làm với phương tia tới một góc 2q. Khi hiệu số pha giữa các tia X phản xạ là 2np (n là số nguyên), tại điểm hội tụ chùm tia X sẽ có vân giao thoa với cường độ ánh sáng cực đại. Các nguyên tử, ion này được phân bố đều trên các mặt phẳng song song, do vậy hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau được tính bằng công thức: (1.17) Trong đó, d là khoảng cách giữa hai mặt song song, q là góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ, D là hiệu quang trình của hai tia phản xạ. Từ hình 1.21 cho thấy, hiệu quang trình giữa hai tia bằng 2.d.sinq. Bragg đã biểu diễn điều kiện để có hiện tượng nhiễu xạ bằng phương trình: 2.d.sinq = nl (1.18) Trong đó, d là khoảng cách giữa hai mặt song song, q là góc giữa chùm tia X, n là bậc phản xạ (số nguyên dương), l là bước sóng của tia tới. Đây là phương trình cơ sở để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Căn cứ vào giá trị cực đại trên giản đồ (giá trị 2q) có thể tính được d theo phương trình (1.18). Bằng phương pháp này sẽ xác định được cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu. Ngoài việc xác định cấu trúc, XRD còn cho phép xác định kích thước của tinh thể. Bản chất vật lý của việc xác định kích thước tinh thể bằng phương pháp XRD là: kích thước hạt và độ rộng của vạch nhiễu xạ có mối liên hệ phụ thuộc. Mẫu có các hạt với kích thước lớn thì độ rộng vạch nhiễu xạ bé và ngược lại. Scherrer đã đưa ra công thức tính toán kích thước tinh thể trung bình của tinh thể theo phương trình: (1.19) D là kích thước tinh thể trung bình (nm), q là góc nhiễu xạ, B là độ rộng pic đặc trưng (radian) ở độ cao bằng nửa cường độ cực đại (tại vị trí góc 2θ = 25,880, đối với HA), l = 1,5406A0 là bước sóng của tia tới, k là hằng số Scherrer phụ thuộc vào hình dạng của tinh thể và chỉ số Miller của vạch nhiễu xạ (đối với HA, k = 0,9) [47]. Trong phương trình (1.19), kích thước hạt D tỉ lệ nghịch với độ rộng B và có cosq ở mẫu số, nên muốn có giá trị D chính xác cần sử dụng vạch nhiễu xạ tương ứng với góc q bé. Từ giản đồ XRD, độ tinh thể được tính toán theo phương pháp phân giải pic [48], theo công thức: (1.20) Trong đó: C là độ tinh thể trong bột HA Y là chiều cao của pic đặc trưng (với HA, thường chọn pic có chỉ số Miller 300) X là chiều cao chân pic tại vị trí thấp nhất giữa hai pic có chỉ số Miller 300 và 112 ) Hình 1.22: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA Hàm lượng pha Ca3(PO4)2 trong bột HA được đánh giá bằng phương pháp XRD độ phân giải cao, với góc quay 2q = 24 – 380. Hàm lượng các pha có trong bột được tính toán từ diện tích các pic đặc trưng cho mỗi pha như sau: (1.21) trong đó, Sa là diện tích của pic đặc trưng cho tinh thể HA, Sp là diện tích của pic đặc trưng cho tinh thể Ca3(PO4)2 [48], [53]. Hình 1.23: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP Giản đồ XRD của mẫu cần được ghi theo cùng một chế độ với phổ chuẩn ATSM, sau đó kết quả đo được so sánh với dữ liệu ATSM. 1.5.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transformation Infrared Spectrophotometer, FTIR) Phổ hồng ngoại dùng để xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu, dựa vào các tần số đặc trưng trên phổ của các nhóm chức trong phân tử. Phổ hồng ngoại chính là phổ dao động - quay vì khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay của các nhóm chức đều bị kích thích. Phổ dao động - quay của phân tử được phát sinh ra do sự chuyển dịch giữa các mức năng lượng dao động và quay (liên quan đến sự quay của phân tử xung quanh trục liên kết). Dạng năng lượng được sinh ra khi chuyển dịch giữa các mức này ở dạng lượng tử hoá, nghĩa là chỉ có thể biến thiên một cách gián đoạn. Hiệu số năng lượng (phát ra hay hấp thụ) được tính theo công thức Bohr: DE = hn Trong đó, DE là biến thiên năng lượng, h là hằng số Planck, n là tần số dao động (số dao động trong một đơn vị thời gian). biến đổi Furie Hình 1.24 dưới đây là sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourie (FTIR). Nguồn bức xạ (1) phát ra một chùm tia hồng ngoại với một tần số trong vùng cần đo. Chùm tia này đi qua bộ giao thoa kế (gồm gương cố định, gương di động và bộ phận phân chia chùm sáng). Bức xạ hồng ngoại sau khi đi ra khỏi giao thoa kế sẽ đi qua mẫu rồi đến detector. Detector ghi nhận sự biến đổi của cường độ của bức xạ theo quãng đường d mà gương di động thực hiện được rồi chuyển thành tín hiệu điện. Khi đó, thu được tín hiệu dưới dạng hàm của điện thế V theo quãng đường: V = f(d) biến đổi Fourie Máy tính sẽ thực hiện phép biến đổi Fourie để chuyển hàm V = f(d) thành hàm của cường độ bức xạ I theo nghịch đảo của quãng đường d (d-1). V = f(d) I = f(d-1) Vì d-1 chính là số sóng , do đó thực chất đó là hàm phụ thuộc của cường độ bức xạ vào số sóng. Hình 1.24: Sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại 1 – Nguồn sáng 5 – Mẫu 2 – Gương cố định 6 – Detector 3 – Gương di động 7 – Computer 4 – Bộ phân chia chùm sáng 8 – Bút tự ghi Bột HA được phân tích FTIR để xác định sự có mặt của các nhóm chức: OH-, CO32-, HPO42-, PO43-. Bước sóng đặc trưng cho các nhóm chức có thể có mặt trong bột HA được trình bày ở bảng sau: Bảng 1: Bước sóng đặc trưng của các nhóm chức [3] Nhóm chức Bước sóng (cm-1) H – O Stretch C – O Stretch P – O Str (H3PO4) CO32- Stretch P – O Stretch P – O Stretch H – O Bend O – P – O Bend 3570 2345 1649 1545 – 1445 1091 962 632 576 1.5.3. Phương pháp hiển vi điện tử 1.5.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM) [57] Nguyên tắc của phương pháp hiển vi điện tử quét là dùng chùm điện tử quét lên bề mặt mẫu và thu nhận lại chùm tia phản xạ. Qua việc xử lý chùm tia phản xạ này, có thể thu được những thông tin về hình ảnh bề mặt mẫu để tạo ảnh của mẫu nghiên cứu. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét cho phép quan sát mẫu với độ phóng đại rất lớn, từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần. Chùm điện tử được tạo ra từ catot qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu sáng, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn hình. Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình. Độ sáng tối trên màn hình phụ thuộc lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu, đồng thời còn phụ thuộc bề mặt của mẫu nghiên cứu. Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu được những bức ảnh ba chiều rõ nét và không đòi hỏi khâu chuẩn bị mẫu quá phức tạp. Tuy nhiên, phương pháp này cho độ phóng đại nhỏ hơn phương pháp TEM. Hình 1.25: Sơ đồ nguyên lý của SEM 1.5.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microcopy, TEM) [8] Nguyên tắc của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là sử dụng chùm điện tử xuyên qua mẫu cần nghiên cứu. Do vậy, các mẫu này cần phải đủ mỏng để chùm điện tử xuyên qua. Hình 1.26: Nguyên tắc chung của phương pháp hiển vi điện tử Chùm tia điện tử được tạo ra từ hai súng phóng điện tử sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia điện tử đập vào mẫu sẽ phát ra các chùm tia điện tử phản xạ và điện tử truyền qua. Chùm tia điện tử truyền qua này được đi qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng, tín hiệu này được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển để tạo ra độ sáng trên màn ảnh. Mỗi điểm trên mẫu cho một điểm tương ứng trên màn ảnh, độ sáng tối phụ thuộc vào lượng điện tử phát ra tới bộ thu. Cơ chế phóng đại của TEM là nhờ thấu kính điện tử đặt bên trong hệ đo. Thấu kính này có khả năng thay đổi tiêu cự. Khi tia điện tử có bước sóng cỡ 0,4nm chiếu lên mẫu ở hiệu điện thế khoảng 100kV, ảnh thu được cho biết chi tiết hình thái học của mẫu theo độ tương phản tán xạ và tương phản nhiễu xạ, qua đó có thể xác định được kích thước hạt một cách khá chính xác. Sử dụng chùm tia điện tử để tạo ảnh mẫu nghiên cứu, ảnh đó khi đến màn hình huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại theo yêu cầu. Chùm tia điện tử được tạo ra từ catot qua hai “tụ quang” điện tử sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm tia điện tử đập vào mẫu sẽ phát ra các chùm tia điện tử phản xạ và điện tử truyền qua. Các điện tử phản xạ và điện tử truyền qua này được đi qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng, tín hiệu này được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển để tạo ra độ sáng trên màn. Độ sáng tối trên màn ảnh phụ thuộc vào lượng điện tử phát ra tới bộ thu và phụ thuộc hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu. CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 2.1 Dụng cụ, thiết bị và hoá chất 2.1.1 Dụng cụ: - Bình cầu hai cổ 500ml. - Pipet 2ml, 5ml, 10ml. - Bình định mức 250ml, 500ml, 1000ml. - Ống đong 100ml. - Bình nhỏ giọt để điều chỉnh tốc độ nhỏ. - Nhiệt kế thuỷ ngân 1000C. - Chén nung, cốc cân, ống nghiệm. 2.1.2 Thiết bị: - Cân điện tử có độ chính xác ± 10-4g. - Máy khuấy từ gia nhiệt. - Bể siêu âm tần số 46kHz, công suất 200W. - Lò nung có nhiệt độ nung lớn nhất 10000C. - Máy ly tâm. - Máy đo pH. - Bộ khuấy cơ. - Tủ sấy. 2.1.3 Hoá chất - Axit photphoric H3PO4 85% (d = 1,69), loại PA (Trung Quốc). - Canxi hiđroxit Ca(OH)2, loại PA (Trung Quốc). - Cồn 960. 2.2 Nghiên cứu quy trình tổng hợp bột HA Bột HA được tổng hợp từ Ca(OH)2 và H3PO4 theo sơ đồ bố trí thí nghiệm được trình bày trên hình 2.1. Quy trình thực nghiệm được trình bày trên hình 2.2. Các thí nghiệm được tiến hành ở qui mô tạo ra khoảng 10g HA. Mô tả thí nghiệm: Hoà tan Ca(OH)2 vào 200ml nước cất trong bình cầu 500ml thu được huyền phù có nồng độ 0,5M. Một bình nhỏ giọt chứa 200ml H3PO4 0,3M được đặt trên bình cầu. Hỗn hợp phản ứng được khuấy và gia nhiệt bằng máy khuấy từ đến nhiệt độ cần nghiên cứu, duy trì tại nhiệt độ đó trong toàn bộ thời gian phản ứng. Nhiệt độ thí nghiệm được đo bằng nhiệt kế thuỷ ngân với sai số 20C. Nhỏ dung dịch axit H3PO4 vào bình phản ứng ở những tốc độ xác định. Sau khi nhỏ hết axit, tiếp tục khuấy hỗn hợp thêm 2 giờ. Sản phẩm thu được ở dạng huyền phù, màu trắng. Để lắng 24h rồi thu sản phẩm bằng cách ly tâm với tốc độ 4400vòng/phút. Rửa sản phẩm 3 lần bằng nước cất, rửa lần cuối bằng axit H3PO4 10-3M. Lấy sản phẩm ra mặt kính đồng hồ và sấy ở 700C đến khô, nghiền mịn rồi sấy tiếp ở 1300C trong 24h. Một số mẫu sau khi sấy được nung ở 9000C trong 1giờ để xác định sự tồn tại của chất đầu Ca(OH)2 trong sản phẩm HA. Ca(OH)2 H3PO4 H2O Khuấy và gia nhiệt Dung dịch huyền phù Kết tủa Già hoá Lọc và rửa Sấy khô H2O Hình 2.2: Sơ đồ quy trình thực nghiệm tổng hợp bột HA 2.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ Các thí nghiệm được tiến hành ở các nhiệt độ 0, 10, 30, 60 và 900C. Tốc độ khuấy : 300 – 350vòng/phút Tốc độ cấp axit H3PO4 : 1,6ml/phút Nồng độ dung dịch H3PO4 : 0,3M Nồng độ huyền phù Ca(OH)2 : 0,5M Các bước thực nghiệm được tiến hành theo quy trình mô tả ở 2.2 Sản phẩm HA được đánh giá bằng các phương pháp XRD, FTIR, SEM, TEM. 2.4 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit Tốc độ cấp axit H3PO4 của các thí nghiệm được thực hiện như sau: Thí nghiệm S1: 1,1ml/phút Thí nghiệm S2: 1,6ml/phút Thí nghiệm S3: 2,2ml/phút Thí nghiệm S4: 7ml/phút Thí nghiệm S5: Rót nhanh toàn bộ lượng axit vào (tốc độ rất lớn). Các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ 300C. Các thông số khác (tốc độ khuấy, nồng độ, dung môi) được duy trì như mục 2.3. Chất lượng HA được đánh giá bằng XRD, FTIR, SEM. 2.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng Thực hiện các thí nghiệm ở 300C với ba mức nồng độ như sau: Thí nghiệm C1: H3PO4 0,09M và Ca(OH)2 0,15M Thí nghiệm C2: H3PO4 0,3M và Ca(OH)2 0,5M Thí nghiệm C3: H3PO4 0,9M và Ca(OH)2 1,5M Các thông số khác (tốc độ khuấy, tốc độ cấp axit, dung môi) được duy trì như mục 2.3. Sử dụng các phương pháp XRD, FTIR, SEM để đánh giá sản phẩm thí nghiệm. 2.6 Khảo sát ảnh hưởng của dung môi Các thí nghiệm được tiến hành ở 300C trong các dung môi: nước, hỗn hợp etanol + nước và etanol (960). Thí nghiệm D1: Các chất phản ứng được pha trong nước Thí nghiệm D2: Các chất phản ứng được pha trong hỗn hợp etanol + nước, tỉ lệ 1:1 về thể tích. Thí nghiệm D3: Các chất phản ứng được pha trong etanol Các thông số (nồng độ, tốc độ khuấy, tốc độ cấp axit) được duy trì như mục 2.3. Sản phẩm được đánh giá qua XRD, FTIR, SEM. 2.7 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn Tiến hành khảo sát tốc độ khuấy ở ba giá trị: - V1: 100 – 150vòng/phút - V2: 300 – 350vòng/phút - V3: 450 – 500vòng/phút Thực hiện các phản ứng ở 300C, các thông số (nồng độ, tốc độ cấp axit, dung môi) được giữ nguyên như mục 2.3. Sản phẩm được đánh giá bằng XRD, FTIR, SEM. 2.8 Khảo sát sơ bộ ảnh hưởng của sóng siêu âm Bình phản ứng điều chế HA được đặt trong bể siêu âm với tần số 46kHz, công suất 200W. Hỗn hợp phản ứng được khuấy bằng máy khuấy cơ. Nhiệt độ được duy trì ở 300C, các thông số khác giống mục 2.3. Mẫu không chiếu sóng siêu âm: P1 Mẫu chiếu sóng siêu âm: P2 Sản phẩm được đo XRD, FTIR, SEM, TEM. 2.9 Chuẩn bị mẫu phân tích Trước khi phân tích, sấy mẫu HA ở 700C, nghiền nhỏ, sấy tiếp ở 1300C trong 24h để khô hoàn toàn, sau đó nghiền mịn. Các mẫu được đo bằng các phương pháp sau: a. Nhiễu xạ tia X (XRD) Các mẫu được đo XRD trên máy SIEMENS D5005 Bruker (Đức), tại Khoa Hoá học (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội), ở các điều kiện như sau: bức xạ Cu-Kα có bước sóng l=1.5406 A0, cường độ dòng điện 30mA, điện áp 40kV, góc quét 2q = 10 ¸ 70, tốc độ quét 0,0300/giây. b. Phổ hồng ngoại (FTIR) Phổ FTIR của các mẫu được ghi trên máy IMPAC 410 – Nicolet (Mỹ), tại Viện Hoá học (Viện KH&CN Việt Nam). Các mẫu được nén ép thành viên với KBr theo tỷ lệ (1:400), được đo trong khoảng từ 500 đến 4000cm-1. c. Hiển vi điện tử quét (SEM) Ảnh SEM của các mẫu được đo trên thiết bị hiển vi điện tử quét Hitachi S4800 (Nhật Bản), tại Viện Khoa học Vật liệu (Viện KH&CN Việt Nam). Trước khi đo, các mẫu được phủ Pt trong chân không để tăng độ nét của ảnh SEM do HA có độ dẫn điện kém. d. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Ảnh TEM của các mẫu được đo trên thiết bị hiển vi điện tử truyền qua JEM – 101 (Nhật Bản), tại Phòng Hiển vi Điện tử (Viện Vệ sinh Dịch tễ Quốc gia). Trước khi đo, cho một lượng nhỏ mẫu vào etanol, sau đó đặt trong bể siêu âm khoảng 3 giờ để bột HA phân tán đồng đều. CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Quy trình tổng hợp HA Trong luận văn này, chúng tôi lựa chọn phương pháp tổng hợp bột HA kích thước nano từ canxi hiđroxit và axit photphoric. Trong hệ Ca(OH)2 – H3PO4, quá trình tạo thành HA theo phản ứng (1.6): 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O Theo nhiều tài liệu [16], [28], phản ứng gồm hai giai đoạn: đầu tiên là quá trình hoà tan và phân li Ca(OH)2 rắn và H3PO4 thành các ion Ca2+, H+, OH-, các nhóm photphat; sau đó đến quá trình kết hợp của các ion Ca2+, PO43- và OH- tạo thành kết tủa HA kích thước nanomet. Hai quá trình này xảy ra rất nhanh và gần như đồng thời do ΔG (biến thiên năng lượng tự do Gibbs) của phản ứng (1.6) có giá trị rất âm (≈ -3030 Kcal/mol) [10] và tích số tan của HA rất nhỏ (10-59) [17]. Ưu điểm của phương pháp là có thể khống chế các thông số phản ứng thông qua việc tìm hiểu và can thiệp vào quá trình kết tinh để thu được sản phẩm HA có chất lượng mong muốn. Bản chất của phương pháp là đi từ các tiểu phân rất nhỏ, dạng ion trong dung dịch để tạo thành các sản phẩm kết tủa có kích thước lớn dần từ kích thước nanomet ban đầu. Do vậy, thay đổi các điều kiện chế tạo như nhiệt độ, thời gian, độ pH, dung môi… có thể kiểm soát được sự lớn lên, hình dạng và độ tinh thể của sản phẩm. Hơn nữa, phản ứng không đòi hỏi phải thường xuyên điều chỉnh pH. Đây là phương pháp dùng các hoá chất cơ bản, dễ kiếm. Đồng thời, quy trình và thiết bị đơn giản, thích hợp với triển khai sản xuất công nghiệp, thân thiện với môi trường và đang được sử dụng phổ biến trên thế giới. Tuy nhiên, điều kiện để tạo ra HA có độ tinh thể cao là khá chặt chẽ. Quá trình kết tủa này có thể tạo ra các sản phẩm trung gian là những hợp chất canxi photphat như canxi photphat vô định hình (ACP) có thành phần thay đổi như Ca3(PO4)2-2x(HPO4)3x.nH2O, octacanxi photphat (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)4.5H2O và canxi hiđrophophat đihiđrat (DCPD) CaHPO4.2H2O [14]. Tuy vậy, các sản phẩm trung gian này không bền, sẽ tiếp tục chuyển hoá thành HA là dạng bền hơn trong thời gian già hoá sản phẩm. Sử dụng các phương pháp vật lý giúp khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng đến chất lượng sản phẩm HA như độ đơn pha, độ tinh thể, kích thước tinh thể và hình dạng hạt… 3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình tổng hợp bột HA trên cơ sở đánh giá thành phần pha, tính toán độ tinh thể và kích thước hạt trung bình của sản phẩm. a. Thành phần pha Trên giản đồ XRD, vạch nhiễu xạ cường độ 100% của Ca(OH)2 ở vị trí 2θ = 340 (JCPDS #4-0733), trùng với vạch cường độ 24% của HA (2θ = 34,05, JCPDS #24-0033). Do vậy, để có thể khẳng định trong sản phẩm HA tạo thành có còn tồn tại chất đầu Ca(OH)2 hay không, trước khi đo XRD, mẫu được nung đến 9000C. Đến nhiệt độ này, Ca(OH)2 chuyển thành CaO theo phản ứng: Ca(OH)2 CaO + H2O (3.1) Các vạch nhiễu xạ mạnh của CaO (JCPDS #37-1497) đều ở vị trí tách biệt so với HA. Giản đồ XRD của tất cả các mẫu nung ở 9000C được đưa ra trên hình 3.5 Hình 3.5: Giản đồ XRD của HA sau khi nung ở 9000C trong 1 giờ Trên giản đồ của tất cả các mẫu nung đến 9000C chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng cho HA, không thấy sự có mặt của các chất đầu hay các chất khác như các muối canxi photphat. Như vậy, theo phương pháp XRD HA tổng hợp được là đơn pha. b. Kết quả phân tích XRD Giản đồ XRD được chỉ ra ở hình 3.1. Hình 3.1: Giản đồ XRD của bột HA ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau Trên các giản đồ chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng của HA (JCPDS 009-0432), không thấy sự có mặt của các pha lạ, chứng tỏ sản phẩm HA đơn pha. Các vạch nhiễu xạ đó gồm một vạch có cường độ mạnh nhất ở 2q = 31,770 của mặt phẳng (211) và hai vạch có cường độ ngang nhau ở 32,196 và 32,9020 tương ứng với các mặt phẳng (112) và (300). Ngoài ra còn các vạch có cường độ tương đối mạnh ở các vị trí 25,86; 30,04; 39,793; 46,683; 49,4580 [14]. Hình 3.1 cho thấy, các vạch đặc trưng dần tách biệt khỏi nhau và có cường độ tăng lên, đồng thời độ rộng của các vạch đặc trưng giảm. Điều đó chứng tỏ nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến việc hình thành cấu trúc tinh thể của HA. Từ giản đồ XRD, áp dụng các công thức (1.19) và (1.20), xác định được kích thước tinh thể trung bình và độ tinh thể của HA. Kết quả được đưa ra trong bảng 4. Bảng 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước tinh thể trung bình và độ tinh thể của bột HA STT Nhiệt độ (0C) D(nm) theo Scherrer Tốc độ tăng kích thước (%) Độ tinh thể (%) Tốc độ tăng độ tinh thể (%) T1 0 20,38 25 T2 10 21,35 4,7 25,93 3,7 T3 30 26,92 32,1 47,37 89,5 T4 60 35 71,7 74,71 198,8 T5 90 36,9 81,1 84,44 237,8 Các kết quả trong bảng 4 cho thấy, sản phẩm bột HA có kích thước khá nhỏ, khi tăng nhiệt độ phản ứng kích thước tinh thể trung bình tăng lên. Nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng và tốc độ tạo mầm tăng lên dẫn đến số mầm tinh thể cũng tăng. Mặt khác, khi nhiệt độ tăng làm cho tốc độ phát triển tinh thể tăng lên. Tuy nhiên, độ tinh thể tăng rất nhiều so với kích thước tinh thể (Bảng 4) nên nhiệt độ tăng ảnh hưởng đến tốc độ phát triển tinh thể nhiều hơn. Vì thế ảnh hưởng tổng cộng của nhiệt độ là làm tăng kích thước tinh thể trung bình. Từ các kết quả về độ tinh thể cho thấy, độ tinh thể tăng khi tăng nhiệt độ phản ứng nhất là ở vùng nhiệt độ cao. Ở 0 và 100C, độ tinh thể của HA tương đối thấp (lần lượt là 25% và 25,93%). Độ tinh thể tăng mạnh (đạt 74,71% và 84,44%) khi nhiệt độ phản ứng tăng đến 600C và 900C, tương đương với tốc độ phát triển tinh thể ở hai nhiệt độ này là 198,8% và 237,8% so với độ tinh thể ở 00C. Điều này cho thấy tinh thể HA phát triển thuận lợi ở nhiệt độ cao. So với giản đồ XRD của mẫu HA không nung, trên giản đồ của các mẫu HA nung đến 9000C, các vạch nhiễu xạ trở nên hẹp hơn, một số vạch (2θ = 32,19; 32,87; 34,05,…) có cường độ mạnh hơn. Như vậy, tinh thể HA phát triển thuận lợi khi tăng nhiệt độ phản ứng và quá trình tinh thể hoá tiếp tục xảy ra khi nung mẫu đến nhiệt độ cao. c. Ảnh SEM và TEM Ảnh SEM của mẫu HA tổng hợp ở nhiệt độ khác nhau được thể hiện trên hình 3.2. Hình 3.2: Ảnh SEM của bột HA ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau. (a): 00C (b): 100C (c): 300C (d): 600C (e): 900C Ảnh TEM của các mẫu tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau được trình bày trên hình 3.3. (a) (b) Hình 3.3: Ảnh TEM của các mẫu bột HA được tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau: (a) – 00C (b) – 100C (c) – 300C (d) – 600C (e) – 900C (c) (d) (e) Quan sát ảnh SEM và TEM cho thấy nhiệt độ tổng hợp không chỉ ảnh hưởng đến kích thước hạt trung bình mà còn ảnh hưởng đến hình dạng của sản phẩm HA. Khi tăng nhiệt độ tổng hợp, kích thước hạt HA tăng mạnh. Mẫu tổng hợp ở 00C: Tinh thể chủ yếu ở dạng hình que, kích thước rất nhỏ, một số tinh thể kết tập với nhau thành từng đám. Đường kính của hạt khoảng 10 đến 14nm, dài khoảng 30 đến 40nm. Mẫu tổng hợp ở 100C: Các hạt có hình dạng tương tự như mẫu tổng hợp ở 00C nhưng có kích thước lớn hơn. Đường kính của hạt khoảng 20 đến 22nm, dài nhất khoảng 50nm. Mẫu tổng hợp ở 300C: Tinh thể có dạng hình que, đường kính lớn nhất khoảng 14 đến 20nm, dài khoảng 51 đến 72nm. Mẫu tổng hợp ở 600C: Tinh thể hình que tiếp tục phát triển, đường kính hạt lớn nhất khoảng 25 đến 30nm, chiều dài cỡ 54 đến 73nm. Mẫu tổng hợp ở 900C: Tinh thể hình que phát triển hơn, đường kính khoảng 26 đến 40nm, chiều dài 75 đến 82nm. Kích thước hạt trung bình tính theo công thức Scherrer (Bảng 4) có sai lệch so với kích thước hạt quan sát được trên ảnh SEM và TEM. Điều này có thể lý giải là do sự khác nhau nhiều về hình dạng hạt thực tế (hình que) và hình dạng hạt giả thiết (hình cầu) để áp dụng công thức Scherrer. Thực tế cho thấy kích thước hạt HA có độ đồng đều không cao (đặc biệt ở nhiệt độ thấp), do vậy các phương pháp xác định kích thước hạt nêu trên chỉ mang tính so sánh tương đối với nhau. Vật liệu kích thước nano có năng lượng bề mặt rất lớn nên chúng có xu hướng kết tập các hạt với nhau tạo thành những hạt lớn hơn để thuận lợi hơn về mặt năng lượng. Đặc biệt đối với HA, do có chứa các gốc PO43- có xu hướng polime hoá và các gốc OH- dễ tạo liên kết hiđro với nhau. Điều này thể hiện trên ảnh SEM, các hạt HA kết tập với nhau thành từng đám, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. Khi tăng nhiệt độ kích thước của các đám giảm dần, tuy nhiên kích thước các hạt tạo đám lại tăng dần. d. Kết quả đo FTIR Phổ FTIR của sản phẩm HA tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau được trình bày trên hình 3.4. Hình 3.4: Phổ FTIR của các mẫu HA được tổng hợp ở 5 nhiệt độ Trên cả 5 mẫu đều xuất hiện các dải phổ đặc trưng cho cấu trúc HA. Các dải phổ ở các vị trí khoảng 630 và 3570cm-1 đặc trưng cho các dao động của nhóm OH- trong cấu trúc. Các dải phổ ở vị trí từ 1100 đến 900, 601 và 574cm-1 đặc trưng cho các dao động của nhóm PO43-. Cường độ các dải phổ ở 631, 601 và 574cm-1 được xem là chỉ thị cho độ tinh thể của sản phẩm [14]. Khi tăng nhiệt độ, cường độ của các dải phổ đặc trưng tăng lên chứng tỏ tinh thể phát triển tốt hơn. Trên giản đồ XRD không thấy xuất hiện các pic đặc trưng của CaCO3, CaHPO4 hay Ca3(PO4)2 có thể do lượng chất quá ít. Tuy nhiên, khi phân tích phổ FTIR của các mẫu HA (hình 3.4) thấy xuất hiện các dải phổ có cường độ tương đối yếu nằm ở vùng 1410 và 1550cm-1. Các dải phổ này được gán cho nhóm CO32- trong cấu trúc (khi nó thay thế nhóm OH- hoặc PO43-). Cường độ của các dải này giảm dần khi tăng nhiệt độ phản ứng, vì ở nhiệt độ cao tinh thể phát triển hoàn thiện hơn. Sự có mặt của CO32- là do sự hấp thụ CO2 trong quá trình phản ứng, lọc rửa, bảo quản và là thành phần luôn đi kèm trong nguyên liệu. 3.3 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H3PO4 là một axit có độ mạnh trung bình, phân ly theo 3 giai đoạn [33]: pKa1 = 2,2 (3.2) pKa2 = 7,2 (3.3) pKa3 = 12,3 (3.4) Vì vậy nếu 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-. Khi đó sản phẩm của phản ứng là các canxi photphat có thành phần thay đổi Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x (Calcium - Deficient HA, CDHA), chẳng hạn như: Ca9(HPO4)(PO4)5OH hoặc Ca8(HPO4)2(PO4)4.5H2O... Sự thay đổi pH theo thời gian của các phản ứng khi tốc độ cấp axit thay đổi được thể hiện trên các biểu đồ trong hình 3.6. Hình 3.6: Sự thay đổi pH khi cấp axit theo các tốc độ khác nhau. S1 = 1,1 ml/phút; S2 = 1,6 ml/phút; S3 = 2,2 ml/phút; S4 = 7 ml/phút; S5: tốc độ rất nhanh (lượng axit cho vào cùng một thời điểm) Gọi tk là thời điểm nhỏ hết axit vào bình phản ứng. Ở các thí nghiệm từ S1 đến S4, trong thời gian cấp axit, độ pH của hỗn hợp phản ứng giảm rất chậm. Đến gần thời điểm tk, pH giảm xuống nhanh chóng, từ khoảng 12 về 8 – 9. Độ pH ở thời điểm tk của các thí nghiệm từ S1 đến S4 đều lớn hơn 8. Quan sát hình 3.6b cho thấy, pH của hỗn hợp phản ứng tại thời điểm tk giảm đột ngột từ 13 xuống khoảng 5. Tuy nhiên, sau khoảng 25 phút tiếp theo pH của hỗn hợp phản ứng lại tăng lên trên 10 và duy trì trong khoảng 90 phút. a. Kết quả XRD (a) Hình 3.7 là giản đồ nhiễu xạ tia X của bột HA được tổng hợp ở 5 tốc độ cấp axit khác nhau. (a) (c) (b) Hình 3.7: Giản đồ XRD của bột HA ở a: các phản ứng S1, S2, S3, S4 b: phản ứng S5 c: phản ứng S5 khi nung mẫu ở 6000C trong 1 giờ Quan sát hình 3.7a cho thấy, trên các giản đồ chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng của HA, không thấy sự có mặt của các pha lạ. Cường độ và độ rộng của các vạch đặc trưng khác nhau không rõ ràng chứng tỏ tốc độ cấp axit từ S1 đến S4 ảnh hưởng không mạnh đến độ tinh thể và kích thước tinh thể trung bình của HA. Giản đồ XRD (hình 3.7b) của mẫu được tổng hợp ở thí nghiệm S5 (tốc độ cấp axit lớn nhất) cho thấy, sản phẩm là đơn pha nhưng các pic đặc trưng của HA bị chồng chập tạo thành một pic rộng và có cường độ yếu. Điều này chứng tỏ sản phẩm thu được có độ tinh thể kém nhất, chủ yếu tồn tại ở dạng vô định hình. Kích thước tinh thể trung bình, độ tinh thể của sản phẩm HA được tính toán theo các công thức (1.19), (1.20) và được đưa ra trong bảng 5. Bảng 5: Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H3PO4 đến kích thước trung bình và độ tinh thể trong bột HA STT Tốc độ cấp H3PO4 (ml/phút) D(nm) theo Scherrer Độ tinh thể (%) Chưa nung Nung 6000C S1 1,1 24,86 36 62,94 S2 1,6 26,92 47,37 77,81 S3 2,2 24,78 38,46 51,18 S4 7 24,27 28,9 56 S5 Tốc độ rất nhanh 18,16 Không xác định được 2,4 Kết quả trong bảng 5 cho thấy, tốc độ cấp axit không ảnh hưởng nhiều đến kích thước tinh thể trung bình nhưng ảnh hưởng đến độ tinh thể của sản phẩm. Kích thước hạt nằm trong khoảng 24 – 25nm, riêng ở thí nghiệm S2 cho kích thước hạt lớn nhất (27nm) và ở thí nghiệm S5 cho hạt có kích thước nhỏ nhất (18nm). Khi tăng tốc độ cấp axit từ S1 đến S2 độ tinh thể tăng từ 36% đến 47%. Tiếp tục tăng tốc độ cấp axit thì độ tinh thể lại giảm từ 47% (S2) xuống còn 28,9% (S4). Thí nghiệm S5 (tốc độ cấp axit rất nhanh) không thể xác định được độ tinh thể do các vạch nhiễu xạ đặc trưng (ở vị trí 2θ = 32,196 và 32,9020) dùng để tính độ tinh thể không tách biệt nhau. So sánh các hình 3.7b và 3.7c cho thấy, trên giản đồ XRD của mẫu sau khi nung, các pic chồng chập bắt đầu tách biệt. Theo kết quả ở bảng 5, khi nung sản phẩm ở 6000C trong một giờ, độ tinh thể tăng lên mạnh. Điều này cũng phù hợp với quy luật chung đối với các vật liệu có cấu trúc tinh thể là quá trình tinh thể hoá tiếp tục xảy ra khi nung mẫu ở nhiệt độ cao. Tốc độ cấp axit thay đổi sẽ ảnh hưởng đến kích thước và độ tinh thể của sản phẩm. Tốc độ cấp axit tăng lên làm cho tốc độ phản ứng chung tăng lên, điều này thuận lợi cho sự tạo mầm và hình thành các hạt có kích thước nhỏ. Tuy nhiên, nếu tốc độ cấp axit quá lớn, phản ứng trung hoà giữa Ca(OH)2 và H3PO4 xảy ra chậm hơn sẽ dẫn đến hiện tượng quá axit cục bộ. Điều này ảnh hưởng không tốt đến độ tinh thể, đặc biệt là độ đơn pha của sản phẩm. Vì khi cấp axit với tốc độ lớn, pH của hỗn hợp giảm đột ngột xuống 5 – 6, tạo điều kiện cho các muối canxi photphat khác tạo thành. Tốc độ cấp axit chậm sẽ đảm bảo đủ thời gian để phản ứng tạo thành HA xảy ra theo hai giai đoạn (giai đoạn hoà tan Ca(OH)2 và giai đoạn kết tủa HA), tạo ra hỗn hợp phản ứng đồng nhất, sản phẩm HA thu được là đơn pha và có độ tinh thể cao. Nhưng tốc độ cấp axit quá chậm sẽ tạo thành lớp sản phẩm mịn, bao bọc hạt Ca(OH)2 ngăn chặn sự tiếp xúc với axit, làm giảm tốc độ chung và kéo dài không cần thiết thời gian phản ứng. b. Kết quả ảnh SEM Vì tốc độ cấp axit ảnh hưởng không nhiều đến kích thước hạt trung bình của HA nên ở đây chỉ đưa ra đại diện ba ảnh SEM của ba thí nghiệm. Hình 3.8: Ảnh SEM của bột HA tổng hợp ở ba tốc độ cấp axit H3PO4 S1: 1,1ml/phút S4: 7ml/phút S5: tốc độ rất lớn Quan sát ảnh SEM nhận thấy, sản phẩm ở thí nghiệm S1 và S4 chủ yếu tồn tại ở dạng hình que. Các hạt có đường kính 20 – 30nm, dài 60 – 70nm, biên giữa các hạt rõ nét. Một số hạt có hiện tượng kết tụ tạo thành các đám có kích thước khoảng 100 – 150nm. Trên ảnh SEM của mẫu S5 (tốc độ cấp axit rất lớn) không quan sát được các hạt riêng rẽ. Sản phẩm tồn tại thành từng khối lớn có kích thước khác nhau. Phù hợp với kết quả tính toán trong bảng 5, độ tinh thể của mẫu rất thấp, gần như không xác định được, sản phẩm chủ yếu tồn tại ở dạng vô định hình. c. Kết quả FTIR Hình 3.9: Phổ FTIR của bột HA ở các tốc độ cấp axit Trên phổ FTIR của các mẫu HA từ S1 đến S4, các dải đặc trưng cho tinh thể HA đều xuất hiện. Đặc trưng cho các dao động của nhóm PO43- là các dải phổ ở vị trí 1100 – 900, 601 và 574cm-1. Hai dải phổ ở 630 và 3570cm-1 đặc trưng cho các dao động của nhóm OH- trong cấu trúc. Như đã trình bày ở trên, HA có cấu trúc tinh thể tốt phải tồn tại các dải đặc trưng cho các nhóm PO43- và OH-. Ở mẫu S5, không xuất hiện dải phổ ở vị trí 631cm-1 là một trong hai dải đặc trưng cho nhóm OH- của HA. Điều này chứng tỏ HA thu được ở phản ứng S5 có cấu trúc tinh thể chưa hoàn thiện và độ tinh thể thấp. Qua các phân tích giản đồ XRD, ảnh SEM, phổ FTIR có thể kết luận, tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng bột HA để lựa chọn tốc độ cấp axit phù hợp trong khoảng từ S1 (1,1ml/phút) đến S4 (7ml/phút). Vì các tốc độ này đều cho sản phẩm HA đơn pha, có kích thước tinh thể, hình dạng và độ tinh thể tương đương nhau. Tốc độ cấp axit bằng 1,6ml/phút được lựa chọn trong các thí nghiệm tiếp theo để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm HA. 3.4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng Phần này khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng đến độ đơn pha, kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của sản phẩm. a. Kết quả phân tích XRD (C1) (C2) Hình 3.10: Giản đồ XRD của HA tổng hợp ở các nồng độ: C1, C2 và C3 (C3) Quan sát hình 3.10 cho thấy, giản đồ XRD của tất cả các mẫu đều giống nhau và tương tự như mẫu chuẩn (JCPDS 009-0432) và của NIST. Trên các giản đồ chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng của HA chứng tỏ sản phẩm thu được là đơn pha. Các vạch đặc trưng tách biệt nhau khá rõ nét. Độ rộng và cường độ các pic đặc trưng ở 3 giản đồ gần như bằng nhau, có nghĩa là kích thước tinh thể trung bình và độ tinh thể của sản phẩm thu được ở các nồng độ chênh lệch nhau không nhiều. Tuy nhiên, các pic ở giản đồ C2 có cường độ mạnh nhất, điều đó chứng tỏ sản phẩm HA thu được có độ tinh thể cao nhất. Dựa vào công thức Scherrer (công thức 1.19), phương pháp phân giải pic (công thức 1.20) và giản đồ XRD (hình 3.10), tính được kích thước tinh thể trung bình, độ tinh thể của sản phẩm. Các kết quả tính toán được thể hiện trong bảng 6. Bảng 6: Ảnh hưởng của nồng độ các chất phản ứng đến kích thước tinh thể trung bình và độ tinh thể của HA Thí nghiệm D (nm) theo Scherrer Độ tinh thể (%) C1 26,64 31,43 C2 26,92 47,37 C3 31 43,18 Các kết quả trong bảng 6 cho thấy, kích thước tinh thể trung bình tăng nhẹ theo nồng độ chất phản ứng. Ở thí nghiệm C1 (nồng độ các chất phản ứng nhỏ nhất) kích thước hạt trung bình bằng 26,6nm và tăng lên 31nm ở thí nghiệm C3 (nồng độ các chất phản ứng lớn nhất). Điều này có thể giải thích như sau: khi nồng độ chất phản ứng tăng thì tốc độ tạo mầm tinh thể tăng, nhưng khả năng kết tụ của các mầm tinh thể để tạo thành tinh thể lớn hơn cũng tăng. Vì ở cùng tốc độ khuấy trộn nên khi số mầm tinh thể tăng lên làm cho độ nhớt của dung dịch tăng. Điều này dẫn đến cường độ khuấy thực trong dung dịch sẽ giảm, tạo điều kiện để các mầm tinh thể mới sinh kết tụ với nhau. Do đó, kích thước hạt trung bình tăng khi nồng độ chất phản ứng tăng. Theo các kết quả ở bảng 6, độ tinh thể không tăng theo quy luật. Độ tinh thể tăng từ 31,43% ở thí nghiệm C1 đến 47,37% ở thí nghiệm C2. Khi tiếp tục tăng nồng độ chất phản ứng thì độ tinh thể lại giảm xuống 43,18% ở thí nghiệm C3. Có thể giải thích như sau: khi nồng độ chất phản ứng tăng, tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển tinh thể đều tăng. Nhưng nếu nồng độ chất phản ứng quá lớn dẫn đến độ quá bão hoà quá cao, làm cho tốc độ tạo mầm chậm hơn tốc độ phát triển tinh thể. Bởi vì, khi độ quá bão hoà quá cao, nồng độ ion rất lớn sẽ cản trở sự chuyển động của các phân tử và ion, làm giảm tốc độ tạo mầm và tăng tốc độ phát triển tinh thể. Yếu tố này làm cho độ tinh thể không tăng tuyến tính khi tăng nồng độ chất phản ứng. b. Kết quả ảnh SEM Hình 3.11: Ảnh SEM của HA được tổng hợp ở các nồng độ: a: C1 b: C2 c: C3 Từ ảnh SEM có thể nhận thấy, các hạt chủ yếu tồn tại ở dạng hình que. Mẫu tổng hợp ở thí nghiệm C1: Kích thước các hạt không đều nhau, các biên hạt không rõ nét. Đường kính khoảng 10 – 25nm, dài 25 – 40nm. Mẫu tổng hợp ở thí nghiệm C2: Kích thước các hạt khá đồng đều, biên giữa các hạt rõ nét. Đường kính khoảng 15 – 20nm, dài 35 – 45nm. Mẫu tổng hợp ở thí nghiệm C3: Tinh thể hình que phát triển lớn hơn, các hạt kết tụ nhiều. Đường kính khoảng 20 – 35nm, dài 40 – 70nm. Như vậy, nồng độ chất phản ứng trong khảo sát này không ảnh hưởng đến hình dạng hạt. c. Kết quả FTIR Hình 3.12 trình bày phổ hồng ngoại của sản phẩm bột HA thu được ở các thí nghiệm C1, C2 và C3. Hình 3.12: Phổ FTIR của bột HA thu được ở các thí nghiệm với nồng độ chất phản ứng khác nhau Trên các phổ FTIR của HA ở ba thí nghiệm C1, C2 và C3, đều xuất hiện các dải phổ đặc trưng của các nhóm cấu trúc trong phân tử HA. Các dải phổ ở vùng 1100, 1044, 965, 574 và 471 cm-1 đặc trưng cho các dao động của nhóm PO43- và vùng 3570, 631 cm-1 đặc trưng cho các dao động của nhóm OH-. Ở C2 và C3 còn xuất hiện các dải hấp thụ yếu, đặc trưng cho nhóm HPO42- ở vùng 875 cm-1 và dải đặc trưng cho nhóm CO32- ở vùng 1450 cm-1 và 1410 cm-1. Tuy nhiên trên giản đồ XRD không quan sát được pha CaCO3, điều này chứng tỏ sự có mặt của ion CO32- trong mẫu không đáng kể. Dựa trên các kết quả phân tích có thể kết luận, ba mức nồng độ đã khảo sát không ảnh hưởng đến độ đơn pha và hình dạng tinh thể nhưng ảnh hưởng nhẹ đến kích thước tinh thể và độ tinh thể của sản phẩm. 3.5 Khảo sát ảnh hưởng của dung môi Giá trị pH của các chất phản ứng trong các dung môi khác nhau được xác định bằng thực nghiệm. Bảng 7: Giá trị pH của các dung dịch chất phản ứng khi pha trong các dung môi Dung môi Nước (D1) Hỗn hợp etanol + nước (D2) Etanol (D3) pH của huyền phù Ca(OH)2 12,92 12 11,5 pH của dung dịch H3PO4 1,73 2,12 2,4 Như vậy, giá trị pH của huyền phù Ca(OH)2 từ 12,92 trong dung môi D1 giảm xuống còn 11,5 trong dung môi D3. Ngược lại, giá trị pH của dung dịch H3PO4 từ 1,73 trong dung môi D1 tăng lên 2,4 trong dung môi D3. Sản phẩm được phân tích bằng giản đồ XRD và phổ IR để đánh giá độ đơn pha, kích thước hạt và độ tinh thể. a. Kết quả phân tích XRD Hình 3.13: Giản đồ XRD của bột HA tổng hợp ở dung môi Trên các giản đồ XRD của mẫu D1 và D2 chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng của HA, không thấy sự có mặt của pha lạ. Chứng tỏ sản phẩm HA thu được ở hai thí nghiệm này là đơn pha. Các vạch đặc trưng tách biệt nhau rõ nét và có cường độ mạnh thể hiện độ tinh thể tốt. Độ rộng của các vạch đặc trưng tương đối lớn cho thấy kích thước hạt khá nhỏ. Áp dụng công thức (1.19) và dựa vào giản đồ D1, D2 tính được kích thước trung bình của sản phẩm HA lần lượt là 26,9nm và 32,6nm. Như vậy, dung môi hỗn hợp không ảnh hưởng đến độ đơn pha của sản phẩm. Có thể giải thích như sau: lượng nước trong dung môi hỗn hợp (D2) đủ để phản ứng tạo HA xảy ra như trong dung môi nước (D1). Tuy nhiên, kích thước hạt trung bình tăng lên trong dung môi D2. Nguyên nhân là do phân tử etanol kém phân cực hơn nước, hầu như không tham gia vào quá trình phân ly của Ca(OH)2 và quá trình kết tủa tạo HA. Vì vậy, nồng độ ion Ca2+ giảm, độ quá bão hoà giảm dẫn đến tốc độ tạo mầm cũng giảm tạo điều kiện để kích thước tinh thể tăng. Giản đồ D3 cho thấy, sản phẩm thu được không đơn pha vì ngoài các vạch đặc trưng của HA, trên giản đồ còn xuất hiện các vạch đặc trưng của CaHPO4 ở các vị trí 2θ = 26,8; 30,4; 32,5 và 35,90 (JCPDS 003-0423) với cường độ khá mạnh. Các pic đặc trưng của HA bị chồng chập và cường độ yếu, chứng tỏ độ tinh thể kém. Áp dụng công thức (1.20) và dựa vào các giản đồ XRD trên hình 3.13 tính được độ tinh thể của HA tổng hợp trong các dung môi như sau: Bảng 8: Ảnh hưởng của dung môi đến độ tinh thể của HA STT Dung môi Độ tinh thể (%) D1 Nước 47,37 D2 Etanol + nước 48,78 D3 Etanol 14,63 Số liệu trong bảng 8 cho thấy, độ tinh thể ở thí nghiệm D1 và D2 tương đương nhau (» 47 – 48%), còn ở D3 rất thấp (14,63%). Etanol là dung môi kém phân cực hơn nước rất nhiều, do đó làm hạn chế quá trình hoà tan và phân ly của các chất phản ứng thành các ion. Tuy nhiên, vì DG của phản ứng (1.6) có giá trị rất âm nên vẫn thu được HA nhưng sự hình thành cấu trúc tinh thể của chúng không thuận lợi do vậy ở D3 độ tinh thể giảm mạnh. Bản chất của H3PO4 là một axit trung bình, vì thế trong dung môi etanol sự phân ly ở nấc thứ 3 theo phương trình (3.4) khó khăn hơn. Cân bằng (3.4) chuyển dịch sang trái, nồng độ ion HPO42- tăng lên. Do vậy, còn có phản ứng kết hợp của các ion Ca2+ và HPO42- tạo thành CaHPO4 theo phương trình sau: Ca2+ + HPO42- → CaHPO4 (3.5) Khi đó, sản phẩm thu được trong thí nghiệm D3 ngoài HA còn có thêm muối CaHPO4. Hình 3.14: Ảnh SEM của bột HA được tổng hợp từ các dung môi: D1: nước D2: hỗn hợp nước + etanol D3: etanol b. Kết quả chụp SEM Mẫu được tổng hợp ở D1: Tinh thể chủ yếu tồn tại ở dạng hình que, biên hạt rõ nét. Kích thước hạt khá nhỏ, đường kính khoảng 20 - 30nm, dài 30 - 45nm. Mẫu được tổng hợp ở D2: Tinh thể vẫn tồn tại ở dạng hình que, biên giữa các hạt thể hiện rõ nét hơn. Kích thước hạt cũng lớn hơn, đường kính 20 - 35nm, dài 40 - 60nm. Mẫu được tổng hợp ở D3: Tinh thể rất lớn, không có hình dạng xác định. Không phân biệt được tinh thể HA và tinh thể CaHPO4. Qua ảnh SEM cũng có thể đánh giá định tính là độ tinh thể của mẫu D1 và D2 cao hơn mẫu D3. c. Kết quả phân tích FTIR Hình 3.15 là phổ FTIR của bột HA được tổng hợp trong các dung môi khác nhau. D2 D1 D3 Hình 3.15: Phổ FTIR của bột HA được tổng hợp trong các dung môi khác nhau Trên phổ FTIR của D1 và D2 đều xuất hiện các dải hấp thụ đặc trưng cho nhóm PO43- và OH- trong cấu trúc HA, các dải hấp thụ yếu của nước tự do ở 3453 cm-1 và 1627 cm-1, ngoài ra còn dải hấp thụ rất yếu của nhóm HPO42- ở 873 cm-1. Ở mẫu D3 không xuất hiện đầy đủ các dải phổ đặc trưng cho nhóm PO43- và OH- trong cấu trúc của HA. Đối với nhóm PO43- không có dải phổ ở 1100 và 965 cm-1, đối với nhóm OH- không xuất hiện dải phổ ở 631 cm-1. Chứng tỏ cấu trúc tinh thể của HA trong D3 chưa phát triển hoàn thiện. Bên cạnh đó, các dải hấp thụ mạnh xuất hiện ở 875 cm-1 và 1415 cm-1 được quy kết cho nhóm HPO42- trong CaHPO4 và một lượng nhỏ trong phân tử HA. Việc thay thế này sẽ làm giảm tỷ lệ Ca/P của bột HA, dẫn tới tạo thành sản phẩm HA không đúng tỷ lệ hợp thức. Như vậy, trong các dung môi khác nhau độ điện ly của Ca(OH)2 và H3PO4 sẽ khác nhau dẫn đến pH của hỗn hợp phản ứng thay đổi. Yếu tố này ảnh hưởng mạnh đến độ đơn pha và độ tinh thể sản phẩm. Có thể khẳng định, etanol không phải là dung môi thích hợp cho quá trình tổng hợp HA. 3.6 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn a. Kết quả phân tích XRD Giản đồ XRD của bột HA tổng hợp ở các tốc độ khuấy trộn khác nhau được thể hiện trên hình 3.16. V2 V1 V3 Hình 3.16: Giản đồ XRD của bột HA tổng hợp ở các tốc độ khuấy trộn Trên các giản đồ XRD chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng của HA, không thấy sự có mặt của pha lạ. Như vậy, tốc độ khuấy trộn không ảnh hưởng đến độ đơn pha của sản phẩm. Các giản đồ còn cho thấy, những vạch đặc trưng này dần tách biệt và có cường độ tăng lên, chứng tỏ độ tinh thể tăng khi tăng tốc độ khuấy. Độ rộng của các vạch đặc trưng tăng, có nghĩa là kích thước hạt trung bình giảm đi khi tăng tốc độ khuấy trộn. Áp dụng công thức Scherrer (công thức 1.19) tính toán kích thước tinh thể trung bình và áp dụng công thức (1.20) tính được độ tinh thể của sản phẩm. Các kết quả được thống kê trong bảng 9. Bảng 9: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến kích thước tinh thể trung bình và độ tinh thể của bột HA STT Tốc độ khuấy trộn(vòng/phút) D(nm) theo Scherrer Độ tinh thể (%) V1 100 – 150 39,3 32,43 V2 300 – 350 26,92 47,37 V3 450 – 500 22,32 65,23 Các số liệu trong bảng 9 cho thấy, tốc độ khuấy trộn ảnh hưởng mạnh đến độ tinh thể. Ở thí nghiệm V1, độ tinh thể tương đối thấp (32,43%), giá trị này tăng lên 65,23% ở thí nghiệm V3. Có thể giải thích như sau, khi tăng tốc độ khuấy trộn, các phân tử Ca(OH)2 và H3PO4 phân ly nhanh chóng thành các ion đồng thời tạo điều kiện thuận lợi để các ion này tiếp xúc với nhau. Yếu tố này có lẽ thúc đẩy sự kết tinh các ion hình thành HA có cấu trúc tinh thể tốt hơn, do vậy độ tinh thể của sản phẩm tăng lên. b. Kết quả chụp SEM Hình 3.17: Ảnh SEM của bột HA được điều chế ở các tốc độ khuấy: V1: 100 – 150 vòng/phút V2: 300 – 350 vòng/phút V3: 450 – 500 vòng/phút Quan sát ảnh SEM (hình 3.17) cho thấy, tốc độ khuấy trộn ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước hạt. Khi tăng tốc độ khuấy trộn, kích thước hạt trung bình giảm. Điều này phù hợp với kết quả tính toán kích thước hạt trung bình được đưa ra trong bảng 9. Mẫu được tổng hợp ở V1: Các hạt chủ yếu tồn tại ở dạng hình que, có hiện tượng kết tụ giữa các hạt tạo thành các đám có kích thước lớn, dài 100 đến 200nm. Các biên hạt không rõ nét. Mẫu được tổng hợp ở V2: Các hạt tồn tại ở dạng hình que và biên hạt rõ nét hơn ở V1. Tuy vẫn có hiện tượng kết tụ nhưng ít hơn và kích thước các đám giảm. Đường kính các hạt khoảng 20 đến 30nm, dài 30 đến 50nm. Mẫu được tổng hợp ở V3: Các hạt vẫn tồn tại ở dạng hình que nhưng độ dài giảm đáng kể, nhiều hạt có dạng gần hình cầu. Đường kính khoảng 10 – 20nm, dài khoảng 20 – 30nm. Biên hạt rõ nét và các hạt khá đều nhau. Như vậy, với tốc độ khuấy lớn hơn thu được sản phẩm có kích thước đồng đều và cho các biên hạt rõ nét hơn. Sự ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến kích thước hạt trung bình có thể giải thích như sau: khuấy trộn là một trong những cách hiệu quả tạo ra hệ đồng nhất về các yếu tố như nồng độ chất phản ứng, nhiệt độ, pH, giúp các chất phản ứng khuếch tán tốt hơn và tiếp xúc với nhau nhiều hơn, tránh hiện tượng phản ứng cục bộ. Trong quá trình phản ứng, khuấy trộn còn có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng và ảnh hưởng đến trạng thái tập hợp của sản phẩm, đặc biệt trong phản ứng dị thể. Tốc độ phản ứng tăng làm cho số mầm tinh thể hình thành trong một đơn vị thời gian tăng lên, tương đương với việc kích thước mỗi tinh thể giảm xuống. c. Kết quả phân tích FTIR Hình 3.18: Phổ FTIR của bột HA tổng hợp ở các tốc độ khuấy Quan sát hình 3.18 cho thấy cả ba phổ đều xuất hiện các dải phổ đặc trưng cho nhóm PO43- và OH- trong cấu trúc phân tử HA. Tuy nhiên, dải phổ ở vùng 631cm-1 (đặc trưng cho nhóm OH- trong cấu trúc của HA) có cường độ tăng dần khi tăng tốc độ khuấy trộn. Nguyên nhân là do độ tinh thể tăng khi tăng tốc độ khuấy trộn như các tính toán trình bày trong bảng 9. Quan sát các phổ trên hình 3.18 còn cho thấy, vùng phổ ở 1638 – 1400cm-1 đặc trưng cho nhóm CO32- có cường độ tăng nhẹ khi tăng tốc độ khuấy từ V1 đến V3. Mẫu tổng hợp ở V1 và V2: xuất hiện dải phổ của nhóm HPO42- ở vùng 875cm-1 nhưng cường độ của dải phổ này yếu đi nhiều ở V3. Chứng tỏ sản phẩm ở V3 chứa lượng HPO42- ít hơn. Tuy nhiên, trong giản đồ XRD ở cả 3 mẫu không quan sát thấy vạch nhiễu xạ của hợp chất chứa nhóm CO32- và nhóm HPO42- do đó có thể coi lượng chất chứa các ion này trong sản phẩm chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ. Như vậy, với ba mức tốc độ khuấy trộn đã khảo sát cho thấy, tốc độ khuấy trộn không ảnh hưởng đến độ đơn pha và hình dạng tinh thể, nhưng có ảnh hưởng đến kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của sản phẩm. 3.7 Khảo sát ảnh hưởng của sóng siêu âm Các nghiên cứu cho thấy, bức xạ của sóng siêu âm cung cấp năng lượng cho phản ứng, kích thích khả năng phản ứng của các chất. Kết quả là tốc độ của phản ứng tăng lên, đặc biệt đối với phản ứng dị thể giữa các chất rắn và lỏng. Siêu âm còn có tác dụng tăng sự khuếch tán của các ion trong dung dịch đến bề mặt mầm tinh thể, đẩy nhanh quá trình phát triển tinh thể. Trong luận văn này, chúng tôi mới chỉ bước đầu khảo sát ảnh hưởng của sóng siêu âm đến hình dạng, kích thước trung bình và độ tinh thể bột HA để so sánh với sản phẩm bột HA được điều chế trong điều kiện chỉ khuấy trộn bằng máy khuấy từ. a. Kết quả phân tích XRD (a) (b) Hình 3.19: Giản đồ XRD của bột HA được tổng hợp trong điều kiện không chiếu (a) và có chiếu (b) bức xạ siêu âm Trên các giản đồ XRD của hình 3.19 chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trưng cho tinh thể HA, không xuất hiện các pha lạ. Từ các giản đồ nhận thấy, các vạch đặc trưng tách biệt nhau, cường độ và độ rộng của các vạch đặc trưng thay đổi không nhiều nên chỉ quan sát giản đồ XRD chưa thể xác định được sự thay đổi về kích thước hạt trung bình và độ tinh thể. Sử dụng công thức Scherrer (công thức 1.19) và công thức (1.20) tính được kích thước tinh thể trung bình và độ tinh thể của HA. Các kết quả tính toán được thể hiện trong bảng 10. Bảng 10: Ảnh hưởng của sóng siêu âm đến kích thước tinh thể trung bình và độ tinh thể HA STT D(nm) theo Scherrer Độ tinh thể (%) P1 26,92 47,37 P2 27,0 46,54 Các số liệu trong bảng 10 cho thấy kích thước tinh thể trung bình tính toán theo công thức Scherrer của sản phẩm thu được ở thí nghiệm P1 và P2 xấp xỉ bằng nhau. Độ tinh thể giảm không đáng kể, từ 47,37% (ở P1) xuống 46,54% (ở P2). b. Kết quả chụp ảnh TEM Hình 3.20: Ảnh TEM của bột HA được tổng hợp trong điều kiện không chiếu (a) và chiếu (b) bức xạ siêu âm Ảnh TEM cho thấy, dưới tác dụng của sóng siêu âm, kích thước hạt tăng lên, chiều dài của hạt có thể lên đến 164nm, đường kính khoảng 20 – 50nm. Trong trường hợp không có sóng siêu âm, chiều dài của hạt khoảng 30 – 72nm, đường kính 14 – 30nm. Có thể lý giải như sau, dưới tác dụng của sóng siêu âm, quá trình khuếch tán của các ion đến bề mặt và kết tinh trên các mầm HA xảy ra nhanh hơn, làm cho kích thước tinh thể tăng lên. Như vậy, sóng siêu âm với công suất 200W và tần số 46kHz được sử dụng trong khảo sát này không ảnh hưởng đến độ đơn pha và độ tinh thể nhưng có ảnh hưởng đến kích thước hạt của sản phẩm HA.  KẾT LUẬN 1. Đã nghiên tổng hợp được bột HA có kích thước nano từ Ca(OH)2 và H3PO4. Sử dụng các phương pháp vật lý như XRD, SEM, TEM, FTIR để xác định chất lượng sản phẩm trên cơ sở đánh giá độ đơn pha, kích thước tinh thể trung bình, hình dạng và độ tinh thể của sản phẩm. 2. Đã khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố: nhiệt độ, nồng độ chất phản ứng, tốc độ cấp axit, dung môi, tốc độ khuấy trộn và bức xạ siêu âm đến độ đơn pha, kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của sản phẩm HA. Kết quả cho thấy, kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của HA tăng mạnh khi tăng nhiệt độ phản ứng. Dung môi ảnh hưởng mạnh đến độ đơn pha của sản phẩm. Trong dung môi etanol, sản phẩm của phản ứng gồm HA và CaHPO4. Tốc độ cấp axit không ảnh hưởng đến độ đơn pha nhưng ảnh hưởng mạnh đến độ tinh thể của sản phẩm. Các yếu tố còn lại (nồng độ chất phản ứng, tốc độ khuấy, sóng siêu âm) ảnh hưởng không nhiều đến độ đơn pha, kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của sản phẩm. 3. Các sản phẩm bột HA thu được đều có các đặc trưng về độ đơn pha, kích thước tinh thể, hình dạng và độ tinh thể. Trên cơ sở các kết quả đã đạt được, có thể lựa chọn điều kiện tổng hợp bột HA phù hợp cho những ứng dụng khác nhau trong từng điều kiện cụ thể. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Vũ Duy Hiển (2009), Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng hoá lý của hydroxyapatit dạng khối xốp có khả năng ứng dụng trong phẫu thuật chỉnh hình, Luận án Tiến sĩ Hoá học 2. Nguyễn Thị Lan Anh (2007), Nghiên cứu tổng hợp và xác định đặc trưng của vật liệu nanohydroxy apatit, Luận văn Thạc sĩ khoa học 3. Đỗ Ngọc Liên (2005), Nghiên cứu qui trình tổng hợp bột và chế thử gốm xốp hydroxyapatit, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp bộ 4. Lê Anh Thư, Bệnh loãng xương và các biện pháp điều trị, BV Chợ Rẫy–TPHCM, loangxuong.htm 5. Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích (2007), Tổng hợp bột hydroxyapatit kích thước nano bằng phương pháp kết tủa hoá học, Tạp chí Hoá học, Tập 45, Số 2, Tr.147-151 6. Trần Đại Lâm, Nguyễn Ngọc Thịnh (2007), Tổng hợp nano tinh thể hydroxyapatit bằng phương pháp kết tủa, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 45, Số 1B, Tr.470-474 7. Đỗ Ngọc Liên, Đặng Ngọc Thắng, Nguyễn Đức Kim, Nguyễn Văn Sinh (2006), Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 11, Số 1, Tr.8-13 8. Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chính (2004), Công nghệ nano điều khiển đến từng phân tử, nguyên tử, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 9. (2005), Bạn có thiếu canxi 10. Nguyễn Hữu Phú (2003), Hoá lý và Hoá keo, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 11. Phương pháp bay bốc nhiệt 12. Lê Vũ Tuấn Hùng, Nguyễn Văn Đến, Huỳnh Thành Đạt (2006), Nghiên cứu chế tạo màng mỏng TiO2 bằng phương pháp phún xạ magnetron RF, Tạp chí phát triển KH&CN, Tập 9, Số 6, Tr.23-28 Tiếng Anh 13. Wantae Kim, Fumio Saito (2001), Sonochemical synthesis of hydroxyapatite from H3PO4 solution with Ca(OH)2, Ultrasonics Sonochemistry, Vol.8, p.85-88 14. Milenko Markovic, Bruce O. Fowler, Ming S. Tung (2004), Preparation and Comprehensive Characterization of a Calcium Hydroxyapatite Reference Materials, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., Vol.9, p.552-568 15. U. Vijayalakshmi anh S. Rajeswari (2006), Preparation and Characterization of Microcrystalline Hydroxyapatite Using Sol Gel Method, Trends Biomater. Artif. Organs, Vol.19, No.2, p.57-62 16. Gouveia, D. S., Bressiani, A. H. A., Bressiani, J. C (2006), Phosphoric acid rate addition effect in the hydroxyapatite synthesis by neutralization method, Materials Science Forum, Vols.530-531, p.593-598 17. Markovic M., Fowler B.O., Tung M.S. (2004), Preparation and Comprehensive Characterization of a Calcium Hydroxyapatite Reference Materials, Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, Vol.109, p.553-568 18. Slavica Lazic, Slavica Zec, Nada Miljevic, Slobodan Milonjic (2001), The effect of temperature on the properties of hydroxyapatite precipitated from calcium hydroxide and phosphoric acid, Thermochimica Acta, Vol.374, p.13-22 19. Naruporn Monmaturapoj (2008), Nano-size Hydroxyapatite Powders Preparation by Wet-Chemical Precipitation Route, Journal of Metals, Materials and Minerals, Vol.18, p.15-20 20. A.Binnaz Hazar Yoruc, Yeliz Koca (2009), Double step stirring: A novel method for precipitation of nano-size hydroxyapatite powder, Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, Vol.4, No.1, p.73-81 21. Heilen Arce, Mavis L. Montero, Alejandro Sáenz, Victor M. Castano (2004), Effect of pH and temperature on the formation of hydroxyapatite at low temperatures by decomposition of a Ca-EDTA complex, Polyhedron 23, p.1897-1901 22. Ferraz M.P., Monteiro F.J., Manuel C.M. (2004), Hydroxyapatite Nanoparticles: A Review of Preparation Methodologies, Journal of Applied Biomaterials & Biomechanics, Vol.2, No.1, p.74-80 23. Li-Hong He, Owen C. Standard, Tiffany T.Y. Huang, Bruno A. Latella, Michael V. Swaim (2008), Mechanical Behaviour of Porous Hydroxyapatite, Acta Biomaterialia, No.4, p.577-586 24. Ishikawa K., Eanes E.D. (1992), The Hydrolysis of Anhydrous Dicalcium Phosphate into Hydroxyapatite, J. Dent. Res., Vol.72, No.2, p.474-480 25. Ishizava H., Ogino M. (1996), Thin HA Layer Formed on Porous Titanium using Electrochemical and Hydrothermal Reaction, J. of Mat. Sci., Vol.31, p.6279-6284 26. Wim Richter (2008), Polymers & Bioceramics, Material Science & Manufacturing, Council for Scientific and Industrial Research (CSIR), Pretoria, BioMatASA, Newsletter 2, Issue 1 27. Huong Dao Quoc, Bich Phan Thi Ngoc (2006), Synthesis and Characterization of Porous Hydroxyapatite for Bone Implant, Proceedings of the 1st International Workshop on Functional Materials and the 3rd Int. Workshop on Nanophysics and Nanotechnology (1st IWOFM-3rd IWONN), Vietnam, p.18-20 28. Maria Helena Santos, Marise de Oliveira, Luciana Palhares de Freitas Souza, Herman Sander Mansur, Wander Luiz Vasconcelos (2004), Synthesis Control and Characterization of Hydroxyapatite Prepared by Wet Precipitation Process, São Carlos, Mat. Res., Vol.7, No.4  29. 30. Narasaraju T.S.B., Phebe D.E. (1996), Some Physico-Chemical Aspects of Hydroxyapatite, Journal of Materials Science, Vol.31, p.1-21 31. Sánchez-Pastenesa E., Reyes-Gasgab, J. (2005), Determination of the Point and Space Groups for Hydroxyapatite by Computer Simulation of CBED Electron Diffraction Patterns, Revista Mexicana de Física, Vol.51, No.5, p.525-529 32. Tsuda H., Arends J. (1994), Orientational Micro-Raman Spectroscopy on Hydroxyapatite Single Crystals and Human Enamel Crystallites, J. Dent. Res., Vol.73, No.11, p.1703-1710 33. Bouyer E., Gitzhofer F., Boulos M.I. (2000), Morphological Study of Hydroxyapatite Nanocrystal Suspension, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Vol.11, p.523-531 34. Siva Rama Krishna D., Chaitanya C.K., Seshadri S.K., Sampath Kumar T.S. (2002), Fluorinated Hydroxyapatite by Hydrolysis under Microwave Irradiation, Trends Biomater. Artif. Organs, Vol.16, No.1, p.15-17 35. Pekka Ylinen (2006), Applications of Coralline Hydroxyapatite with Bioabsorbable Containment and Reinforcement as Bone Graft Substitute, Academic Dissertation, University of Helsinki 36. Fei Chen, Zhou-Cheng Wang and Chang-Jian Lin (2002), Preparation and characterization of nano-sized hydroxyapatite particles and hydroxyapatite/chitosan nano-composite for use in biomedical materials, Materials Letters, Vol.57, Issue.4, p.858-861 37. Shikhanzadeh M. (1991), Bioactive Calcium Photphate Coating Prepared by Electrodeposition, J. Mat. Sci. Let., Vol.10, p.1415-1417 38. Biltz R.M., Pellegrino E.D. (2007), The Composition of Recrystallized Bone Mineral, J. Dent. Res.,Vol.62, No.12, p.1190-1195 39. Merkle R., Maier J. (2005), On the Tammann-Rule, Z. Anorg. Allg. Chem., No.631, p.1163-1166 40. Krylova E.A., Ivanov A.A., Krylov S.E., Plashchina I.G., Nefedov P.V. (2004), Hydroxyapatite-Alginate Sructure as Living Cells Supporting System, N.N. Emanuel Institute of Biochemical Physics RAS, Russia 41. Eliaz N., Sridhar T.M. (2004), Electrochemical and Electrophoretic Deposition of Hydroxyapatite for Orthopaedic Applications, Suface Engineering, Vol.21, No.3 42. Amit Y. Desai (2007), Fabrication and Characterization of Titanium-doped Hydroxyapatite Thin Films, Master Dissertation, Trinity College University of Cambridge 43. Deb S., Giri J., Dasgupta S., Datta D., Bahadur D. (2003), Synthesis and Characterization of Biocompatible Hydroxyapatite Coated Ferrite, Indian Academy of Sciences, Bull. Mater. Sci., Vol.26, No.7, p.655-660 44. Hu J., Russell J., Vago R. and Ben-Nissan B. (2001), Production and Analysis of Hydroxyapatite from Australian Corals via Hydrothermal Process, Journal of Materials Science Letters, Vol.20, No.1, p.85-87 45. Kasioptas Argyrios, Perdikouri Christina, Putnis Christine V., Putnis Andrew (2008), Pseudomorphic replacement of single calcium carbonate crystals by polycrystalline apatite, Mineralogical Magazine, Vol.72(1), p.77-80 46. Kundu B., Sinha K., Basu (2004), Fabrication and Characterization of Porous Hydroxyapatite Ocular Implant Followed by an in-vivo Study, Indian Academy of Sciences, Bull. Mater. Sci., Vol.27, No.2, p.133-140 47. Gómez-Morales J., Torrent-Burgués J., Rodriguez-Clemente R. (2001), Crystal Size Distribution of Hydroxyapatite Precipitated in a MSMPR Reactor, Cryst. Res. Technol., Vol.36, p.1065-1074 48. Kristin B. (2006), Measurement of Crystallinity and Phase Composition of Hydroxyapatite by XRD, VAMAS TWA 3, Project 14, Northboro Massachusetts, USA 49. 50. Wahl D.A., Czernuszka J.T. (2006), Collagen-Hydroxyapatite Composites for Hard Tissue Repair, European Cells and Materials, Vol.11, p.43-56 51. Van Cleynenbreugel Tim (2005), Porous Scaffolds for the Replacement of Large Bone Defects: a Biomechanical Design Study, Doctoral thesis, Leuven University, Belgium 52. Buddy D. Ratner (2006), Engineering the Biointerface for Enhanced Bioelectrode and Biosensor Performance, Departments of Bioengineering and Chemical Engineering, University of Washington Engineered Biomaterials (UWEB) 53. Satou K., Guicciardi S., Galassi C., Landi E., Tampieri A., Pezzotti G. (2001), Rheological Characteristics of Slurry Coutrolling the Microstructure and the Compressive Strength Behavior of Biomimetic Hydroxyapatite, Materials Research Soc., Vol.16, No.1, p.164-165 54. Yoshitaka S., Atsumasa U., Feza K., Nobuhito A., Keiro O. (1992), Calcium Hydroxyapatite Ceramic used as a Delivery System for Antibiotics, J. Bone Joint Surg. [Br], Vol.74-B, No.4, p.600-604 55. Willi P., Chandra P.S. (2001), Porous Hydroxyapatite Nanoparticles for Intestinal Delivery of Insulin, Trends in Biomaterials & Artificial Organs, Vol.14, No.2, p.37-38