Luận văn Khảo sát quá trình tách và một số đặc trưng của Canxi Hydroxyapatite từ xương động vật

Nội dung tài liệu: Luận văn Khảo sát quá trình tách và một số đặc trưng của Canxi Hydroxyapatite từ xương động vật

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN VĂN HƢỞNG KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH TÁCH VÀ MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA CANXI HYDROXYAPATITE TỪ XƢƠNG ĐỘNG VẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2011
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN VĂN HƢỞNG KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH TÁCH VÀ MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG CỦA CANXI HYDROXYAPATITE TỪ XƢƠNG ĐỘNG VẬT Chuyên ngành: HÓA VÔ CƠ Mã số: 60.44.25 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đào Quốc Hƣơng Hà Nội - 2011
3. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................................1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................10 1.1. Tính chất của hyđroxyapatit ..................................................................................10 1.1.1. Tính chất vật lý ...................................................................................................10 1.1.2. Tính chất hoá học ...............................................................................................11 1.1.3. Tính chất sinh học [5] .........................................................................................12 1.2. Ứng dụng của HA ..................................................................................................12 1.2.1. Ứng dụng của HA bột .........................................................................................12 1.2.2. Ứng dụng của HA dạng màng ............................................................................13 1.2.3. Ứng dụng của HA dạng xốp ...............................................................................14 1.2.4. Ứng dụng của HA dạng compozit ......................................................................15 1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu HA .........................................................................15 1.3.1. Trên thế giới .......................................................................................................15 1.3.2. Ở Việt Nam .........................................................................................................16 1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp HA .............................................................................17 1.4.1. Phƣơng pháp ƣớt ................................................................................................17 1.4.1.1. Phương pháp kết tủa ........................................................................................18 1.4.1.2. Phương pháp sol – gel .....................................................................................19 1.4.1.3. Phương pháp phun sấy ....................................................................................19 1.4.1.4 Phương pháp siêu âm hoá học .........................................................................20 1.4.1.5. Phương pháp compozit ....................................................................................20 1.4.1.6. Phương pháp điện hoá ....................................................................................21 1.4.1.7. Phương pháp thuỷ nhiệt (hoá nhiệt) ................................................................23 1.4.2. Phƣơng pháp khô ...............................................................................................24 1.4.2.1. Phương pháp phản ứng pha rắn ......................................................................24 1.4.2.2. Phương pháp hoá - cơ .....................................................................................25 1.4.2.3. Một số phương pháp vật lý ..............................................................................25 1.5. Một số phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu HA ......................................................27 1.5.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X – Ray Diffraction, XRD) ................................27 1.5.2. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transformation Infrared Spectrophotometer, FTIR) ............................................................................................30 1
4. 1.5.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử ...............................................................................32 1.5.3.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM) ....32 1.5.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microcopy, TEM) .............................................................................................................................32 1.5.4. Phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng .........................................................33 1.5.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) .....................................................33 1.5.4.2. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) ...........................................34 1.5.5. Tách HA từ xƣơng động vật băng phƣơng pháp đông khô [19] ........................34 1.5.5.1. Cơ sở lý luận ....................................................................................................34 1.5.5.2. Công nghệ đông khô ........................................................................................35 1.6. Xác định độ xốp tổng của các mẫu HA theo trọng lƣợng riêng ............................35 1.7. Vai trò của xƣơng trong cơ thể ngƣời và động vật ................................................35 1.8. Khái quát về chất phụ gia thực phẩm ....................................................................36 1.8.1. Định nghĩa ..........................................................................................................37 1.8.2. Tầm quan trọng của việc sử dụng phụ gia trong thực phẩm ..............................37 1.8.3. Quy định về sử dụng phụ gia thực phẩm ............................................................37 1.8.4. Phụ gia natri bicacbonat [15] ..............................................................................38 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................................39 2.1. Dụng cụ, thiết bị và hoá chất .................................................................................39 2.1.1. Dụng cụ...............................................................................................................39 2.1. 2. Thiết bị ...............................................................................................................39 2.1. 3. Hoá chất ............................................................................................................39 2. 2. Nghiên cứu quy trình tách bột HA ......................................................................39 2.2.1. Chuẩn bị phụ gia ................................................................................................39 2. 2. 2. Lấy mẫu và sơ chế mẫu ...................................................................................39 2. 3. Phƣơng pháp tiến hành .........................................................................................40 2. 3. 1. Tạo mẫu HA nguyên bản ..................................................................................40 2. 3. 2. Ninh mẫu xƣơng ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia ......................40 2. 3. 3. Ninh mẫu xƣơng ở điều kiện áp suất thƣờng, có phụ gia. ................................41 2. 3. 4. Ninh ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia. ...................................42 2. 4. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA .....................................43 2
5. 2. 4. 1. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia .............................................................................................43 2. 4. 2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thƣờng, có chất phụ gia ................................................................................................43 2. 4. 3. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia .............................................................................................43 2. 5. Chuẩn bị mẫu phân tích .......................................................................................43 2.5.1. Nhiễu xạ tia X (XRD) .........................................................................................44 2.5.2. Phổ hồng ngoại (FTIR) .......................................................................................44 2.5.3. Hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................................................44 2.5.4. Phân tích nhiệt ....................................................................................................44 2.5.5. Phân tích thành phần hóa học .............................................................................44 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...............................................................45 3.1. Kết quả các mẫu HA nguyên bản ..........................................................................45 3.1.1. Giản đồ XRD ......................................................................................................45 3.1.2. Phổ FTIR ............................................................................................................46 3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia .............................................................................................49 3.2.1.Giản đồ XRD .......................................................................................................49 3.2.2. Phổ FTIR ............................................................................................................51 3.2.3. Ảnh SEM .............................................................................................................53 3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất thƣờng, có chất phụ gia ................................................................................................54 3.3.1. Giản đồ XRD ......................................................................................................54 3.3.2. Phổ FTIR ............................................................................................................56 3.4. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia ..................................................................................................57 3.4.1. Giản đồ XRD ......................................................................................................57 3.4.2. Phổ FTIR ............................................................................................................60 3.4.3. Ảnh SEM .............................................................................................................61 3.5. Sản phẩm HA tách ra ở thân xƣơng ......................................................................62 3.5.2. Phổ FTIR ............................................................................................................64 3
6. 3.6. Đặc trƣng nhiệt – trọng lƣợng của các mẫu HA ....................................................66 3.7. Phân tích thành phần hóa học và các kim loại nặng ..............................................67 3.7.1. Kết quả thành phần chínhcủa một số sản phẩm HA ..........................................67 3.7.2. Kết quả hàm lượng các kim loại nặng có trong một số sản phẩm HA ..............68 3.8. Xác định độ xốp tổng của các mẫu HA theo trọng lƣợng riêng ............................68 3.8.1. Độ xốp tổng của các mẫu HA tách ra ở hai đầu xương .....................................68 3.8.2. Độ xốp tổng của các mẫu HA tách ra ở thân xương ..........................................69 KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................................71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................72 4
7. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HA ......................................................10 Hình 1.2: Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA .......................................................11 Hình 1. 3: Công thức cấu tạo của phân tử HA .............................................................11 Hình1. 4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể ..................13 Hình1.5: HA xốp tổng hợp từ san hô đƣợc sử dụng làm mắt giả .................................14 Hình 1.6: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phƣơng pháp khác nhau .......................14 Hình 1.7: Sửa chữa khuyết tật của xƣơng bằng hạt hoặc gốm HA xốp ......................15 0 Hình 1.8: Giản đồ pha của hệ CaO – P2O5 – H2O ở 25 C ............................................17 Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp kết tủa ...................................................18 Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp sol – gel ..............................................19 Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp phun sấy ..............................................19 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp siêu âm hoá học ..................................20 Hình 1.13: Sơ đồ tổng hợp composit HA – CS ............................................................21 Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp điện di .................................................23 Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt .................................24 Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp plasma .................................................26 Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp bốc bay chân không ............................26 Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp phún xạ magnetron .............................27 Hình 1.19: Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp nhiễu xạ tia X .....................................28 Hình 1.20: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA ..................................................................29 Hình 1.21: Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA và TCP .....................................................30 Hình 1.22: Sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại.......................................31 Hình 1.23: Sơ đồ nguyên lí SEM .................................................................................32 Hình 1.24: Nguyên tắc chung của phƣơng pháp hiển vi điện tử ..................................33 Hình 1.25: Cấu tạo của xƣơng ......................................................................................36 Hình 3.1: Giản đồ XRD của các mẫu HA nguyên bản NB1, NB2, NB3 và NB4 .......45 Hình 3.2: Phổ FTIR của các mẫu HA nguyên bản NB1, NB2, NB3, NB4 ..................46 Hình 3.3: Ảnh SEM của các mẫu HA nguyên bản NB1(NB1a, NB1b, NB1c) và NB2 (NB2.a, NB2.b, NB2.c) ................................................................................................48 Hình 3.4: Giản đồ XRD của các bột HA đƣợc tách ra ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia...........................................................................................................50 5
8. Hình 3.5: Phổ FTIR của các mẫu HA đƣợc tách ra ở điều kiện áp suất thƣờng (T2, T5) và nung ở 7000C (T3, T6) .............................................................................................43 Hình 3.6: Ảnh SEM của mẫu HA ninh đến nhừ ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia (T5) ..................................................................................................................53 Hình 3.7: Giản đồ XRD của bột HA đƣợc tách ra ở điều kiện áp suất thƣờng, ...........54 Hình 3.8: Phổ FTIR của các mẫu HA khảo sát ở điều kiện áp suất thƣờng, ................56 Hìn h 3.9: Giản đồ XRD của bột HA đƣợc tách ra ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia 58 Hình 3.10: Phổ FTIR của các mẫu HA đƣợc tách ra ở điều kiện ninh trong nồi áp suất, không có phụ gia...........................................................................................................60 Hình 3.11: Ảnh SEM của mẫu HA đƣợc tách ra ở hai đầu xƣơng, ninh đến nhừ ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia (A2.a, A2.b,A2.c và A2.d) và nung ở 7000C trong 2 giờ (A3.a và A3.b) ...........................................................................................61 Hình 3.12: Giản đồ XRD của các mẫu HA NB4, T6, P6 và A6 nung ở 7000C trong 2 giờ .................................................................................................................................63 Hình 3.13: Giản đồ FTIR của các mẫu HA NB4, T6, P6, A6 nung ở 7000C, tách ra ở thân xƣơng ở các điều kiện khảo sát khác nhau ...........................................................65 Hình 3.14: Ảnh SEM của các mẫu HA tách ra từ thân xƣơng ở điều kiện áp suất thƣờng không có phụ gia (T6.a, T6.b, T6.c) và ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia (A6.a, A6.b, A6.c) ...........................................................................................66 Hình 3. 15: Giản đồ nhiệt trọng lƣợng (TGA và DTA) của các mẫu HA: T5 và NB2 66 6
9. DANH MỤC BẢNG Bảng1. 1: Bƣớc sóng đặc trƣng của các nhóm chức ....................................................31 Bảng 2.1: Tên và kí hiệu các mẫu HA nguyên bản ......................................................40 Bảng 2.2: Tên mẫu, kí hiệu các mẫu HA và thời gian khảo sát ở điều kiện áp suất thƣờng, không có phụ gia .............................................................................................41 Bảng 2.3: Tên mẫu, kí hiệu mẫu và thời gian khảo sát ở điều kiện áp suất thƣờng, có phụ gia ..........................................................................................................................42 Bảng 2.4: Tên mẫu, kí hiệu mẫu và thời gian khảo sát ở điều kiện trong nồi áp suất thƣờng, không có phụ gia .............................................................................................43 Bảng 3.1. Kích thƣớc hạt trung bình (Dt.b) và độ tinh thể của các mẫu HA khảo sát ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia ..............................................................59 Bảng 3.2: Khối lƣợng của các mẫu HA tách ra ở thân xƣơng, trƣớc và sau khi nung ở 7000C trong 2 giờ..........................................................................................................62 Bảng 3.3: Kích thƣớc hạt trung bình và độ tinh thể của các mẫu HA NB4, T6, P6, A6 nung ở 7000C trong 2 giờ .............................................................................................64 Bảng 3.4: Hàm lƣợng Ca, P và tỉ lệ mol Ca : P của các mẫu HA: NB1, A2, A6 ........67 Bảng 3.5: Chỉ tiêu phân tích các kim loại nặng của các mẫu HA: NB1, A2 và A6 .....68 3.8.1. Độ xốp tổng của các mẫu HA tách ra ở hai đầu xƣơng ......................................68 Bảng 3. 6: Độ xốp tổng của các mẫu HA NB3, T3, P3 và A3 tách ra ở hai đầu xƣơng ......................................................................................................................................68 Bảng 3.7: Độ xốp tổng của các mẫu HA tách ra ở thân xƣơng ....................................69 7
10. MỞ ĐẦU Trong các hợp chất vô cơ trong cơ thể ngƣời và động vật những hợp chất chứa canxi và photpho đóng vai trò rất quan trọng. Thuộc nhóm hợp chất này phải kể đến canxi hydroxyapatite. Trong tự nhiên, apatit là tên chung của nhóm khoáng chất, chủ - yếu chứa canxi florua photphat Ca5F(PO4)3 và một lƣợng nhỏ các khoáng trong đó F đƣợc thay thế một phần hay hoàn toàn bởi Cl-, Br- hoặc OH-. Canxi hydroxyapatite (hay còn đƣợc gọi là Hydroxyapatite, viết tắt là HA) là một dạng apatit trong đó - nhóm OH với công thức Ca5(PO4)3(OH) hay Ca10(PO4)6(OH)2. Trong cơ thể ngƣời và động vật HA là thành phần chính trong xƣơng (chiếm đến 65 – 70 % khối lƣợng) và răng (chiếm 99%). HA có các đặc tính quý giá nhƣ: có hoạt tính và độ tƣơng thích sinh học cao với các tế bào và các mô, tạo liên kết trực tiếp với xƣơng non dẫn đến sự tái sinh xƣơng nhanh mà không bị cơ thể đào thải [29], [23] Do có cùng bản chất hoá học và cấu trúc, HA là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con ngƣời và có tỷ lệ Ca/P đúng nhƣ tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xƣơng và răng. Các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu tổng hợp HA ở các dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phƣơng pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để mở rộng khả năng ứng dụng của chúng. Ở dạng bột, các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế HA kích thƣớc nano (trong khoảng 20 – 100 nm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ của cơ thể. HA tự nhiên và nhân tạo ở dạng bột vi tinh thể cùng với một số khoáng chất khác đã đƣợc dùng trong bào chế thuốc chống loãng xƣơng và thực phẩm chức năng bổ sung canxi, xử lý các khuyết tật trong xƣơng do chấn thƣơng HA bột cũng có thể đƣợc dùng bổ sung canxi trong nƣớc giải khát [3]. Ở dạng màng, một lớp HA siêu mịn, mỏng phủ trên xƣơng nhân tạo có thể tăng cƣờng khả năng liên kết giữa xƣơng nhân tạo với mô và xƣơng tự nhiên [7]. HA dạng xốp đƣợc ứng dụng để sửa chữa các khuyết tật của xƣơng và răng. Ngoài ra, các nghiên cứu cho thấy, HA xốp còn đƣợc sử dụng làm chất truyền dẫn thuốc do bền trong các dịch sinh lý của cơ thể, có tác dụng nhả chậm các dƣợc chất đi kèm với nó. Ở nƣớc ta, việc nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng ứng dụng trong y sinh học nói chung và dƣợc phẩm nói riêng chƣa đƣợc quan tâm nhiều. Từ năm 2005, nhóm nghiên cứu thuộc Phòng Hoá Vô cơ, Viện Hoá học (Viện KH&CN Việt Nam) 8