Nghiên cứu tổng hợp hydroxyapatite bằng phương pháp kết tủa

TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG - GS. TS. NGUYỄN CỬU KHOA - ThS. ĐÀO THANH KHÊ - ThS. LÊ THÚY NHUNG (Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh)

TÓM TẮT:

Calcium phosphate, vật liệu có tiềm năng rất tốt cho ghép xương vì có tính tương hợp sinh học, tính dẫn tạo xương, tính kích tạo xương, có khả năng tạo liên kết trực tiếp với xương. Bài viết nghiên cứu tổng hợp hydroxyapatite bằng phương pháp kết tủa hóa học sử dụng 2 nguồn nguyên liệu: Ca(OH)2 -H3PO4 và CaCl2 - NaH2PO4. Các phương pháp XRD, TA-DSC dùng để phân tích sản phẩm.

Từ khóa:  hydroxyapatite, calcium phosphate, phương pháp kết tủa.

1. Đặt vấn đề

Vật liệu y sinh đã và đang được nghiên cứu mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu thay thế các bộ phận cơ thể, cấy ghép mô, xương của con người, hứa hẹn cho việc chữa trị và tái tạo các mô và cơ quan bị mất hoặc bị hư do chấn thương, bệnh tật hoặc lão hóa. Trong những năm gần đây, con người đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc cấy ghép nội tạng, phẫu thuật tái tạo và sử dụng mô nhân tạo để điều trị, cấy ghép các cơ quan nội tạng hoặc mô xương [1]. Sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ đã cho ra đời rất nhiều vật liệu dùng trong cấy ghép, tái tạo xương. Phương pháp ghép xương tự thân (xương từ cơ thể người nhận ghép từ nhiều vùng khác nhau) được cho là tiêu chuẩn vàng, bởi vật liệu này có khả năng tạo xương rất cao và không xảy ra phản ứng thải ghép. Tuy nhiên, phương pháp này thường khó được bệnh nhân chấp nhận vì bệnh nhân phải chịu thêm phẫu thuật để lấy xương và có thể xảy ra các biến chứng do lấy xương.

Phương pháp ghép xương đồng chủng (xương lấy từ cơ thể người khác), vật liệu này có tính tạo xương, tương hợp sinh học tốt, lượng xương không hạn chế, tránh được phẫu thuật lấy xương. Tuy nhiên vật liệu này có thể có tính kháng nguyên, dẫn đến phản ứng miễn dịch của mô chủ và nguy cơ lây nhiễm bệnh. Phương pháp ghép xương dị chủng (xương ghép từ sinh vật khác loài), vật liệu này thường có nguồn gốc từ xương bò, heo hoặc san hô, được xử lý và xét nghiệm nghiêm ngặt để đảm bảo không mang mầm bệnh. Vật liệu có tính kích tạo xương, bệnh nhân không phải chịu thêm phẫu thuật lấy xương. Tuy nhiên, tính tương hợp sinh học kém do khác biệt về loài và khả năng bị thải trừ cao do phản ứng miễn dịch, sự tiêu xương sau ghép nhiều hơn và xương mới tạo kém chất lượng hơn mô tự thân. Ở một số nước loại vật liệu này không được chấp nhận do quan niệm tôn giáo.

Vật liệu y sinh tổng hợp được các nhà nghiên cứu và lâm sàng quan tâm vì chúng có một số ưu điểm như: tương hợp sinh học và lượng vật liệu không hạn chế, không có nguy cơ lây nhiễm bệnh.

Canxi phosphate, vật liệu có tiềm năng rất tốt cho ghép xương vì chúng có tính tương hợp sinh học, tính dẫn tạo xương, tính kích tạo xương, có khả năng tạo liên kết trực tiếp với xương. Ngoài ra, quá trình calcium phosphate tan dần cung cấp ion Ca2+ và PO4 3- có lợi cho quá trình hình thành xương. Quá trình phân hủy của calcium phosphate dẫn đến kết tủa carbonated apatite có thành phần và cấu trúc tương tự với các khoáng chất sinh học của xương. Calcium phosphate được dùng trong lĩnh vực y sinh được biết đến, như: Hydroxyapatite (HAp), bêta-tricalcium phosphate (β-TCP), chúng không những khác nhau về thành phần mà còn khác nhau về độ tan, tính tương hợp sinh học, tính chất cơ lý.

Có rất nhiều công trình nghiên cứu về calcium phosphate dùng trong y khoa. Hydroxyapatitee (HA) là thành phần chính trong chất khoáng sinh học của xương, răng và các mô cứng của động vật có xương sống. Các thành phần cấu thành của HA chủ yếu là canxi và phốt pho, với tỷ lệ Ca/P cân bằng 1,667 [2]. HA là bao gồm chủ yếu canxi và phốt pho với hydroxit các ion được loại bỏ ở nhiệt độ cao. HA và các khoáng chất canxi phosphat liên quan khác đã được sử dụng rộng rãi như vật liệu cấy ghép trong nhiều năm do có khả năng tương thích sinh học và khả năng liên kết xương và cũng do sự tương đồng về cấu trúc và thành phần của khoáng vật mô cứng trong xương người [2, 3].

2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1. Nguyên liệu tổng hợp hydroxyapatite

Hydroxyapatite được tổng hợp từ Ca(OH)2 và H3PO4 hoặc CaCl2 và NaH2PO4.2H2O.

2.2. Phương pháp

2.2.1. Phương pháp phân tích nhiệt TG-DSC

Phân tích TG-DSC trên máy Labsys Evo (TG-DSC 1600°C). Điều kiện đo mẫu được đốt trong môi trường khí quyển (Oxi), tốc độ gia nhiệt 10°C/phút, nhiệt độ 1.000°C.

2.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Phân tích nhiễu xạ tia X trên máy XRD D8/Advance, Bruker ở điều kiện bức xạ Cu- α bước sóng =1.54184Å, góc quét 2θ = 0÷80, tốc độ quét 0,020/ giây.

3. Kết quả và thảo luận

Kết quả phân tích nhiệt TG-DSC của mẫu tổng hợp từ Ca(OH)2 và H3PO4 hoặc  CaCl2 và NaH2PO4 với tỷ lệ Ca/P=1,67 tại pH=11 (Hình 1) cho thấy  xuất hiện hiệu ứng nhiệt trên đường DSC tại nhiệt độ 100°C - 150°C, đồng thời trên đường TG thấy khối lượng giảm là quá trình mất nước vật lý [4,5]. Hiệu ứng nhiệt xuất hiện trên đường DSC tại nhiệt độ 800°C - 950°C. Đồng thời, trên đường TG thấy sự giảm khối lượng dự đoán đây là do sự chuyển từ hydroxyapatite thành TCP (tricanxi photphat) điều này thể hiện trên đường khối lượng thấy khối lượng giảm do mất nhóm  hydroxit [6]. 

Hình 1: Giản đồ phân tích nhiệt DSC-TA của mẫu kết tủa với tỷ lệ

Ca/P=1,67 tại pH=11: (a) kết tủa từ Ca(OH)2 và H3PO4, (b) kết tủa

từ CaCl2 và NaH2PO4

gian-do-phan-tich-nhiet-dsc-ta

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Phân tích nhiệt TG-DSC của mẫu tổng hợp từ Ca(OH)2 và H3PO4 với tỷ lệ Ca/P=2 tại pH=9 (Hình 2a) xuất hiện hiệu ứng nhiệt tại vùng nhiệt độ 45°C - 360oC và có giảm khối lượng có thể do quá trình mất nước ẩm, nước hấp phụ và phân hủy Ca(OH)2 dư [7].

Các mẫu tổng hợp từ Ca(OH)2 và H3PO4 hoặc canxi clorua, natri dihydro phosphat với tỷ lệ Ca/P=2 tại pH=9 (Hình 2) đều có hiệu ứng nhiệt ở khoảng nhiệt độ 600°C - 1.0000C có sự giảm khối lượng có thể do mất nhóm OH do HA phân hủy tạo thành TCP hoặc do sự phân hủy CaCO3

Hình 2: Giản đồ phân tích nhiệt DSC-TA của mẫu kết tủa với tỷ lệ Ca/P=2

tại pH=9: (a) kết tủa từ Ca(OH)2 và H3PO4, (b) kết tủa

từ CaCl2 và NaH2PO4

2-gian-do-phan-tich-nhiet-dsc-ta

Nguồn: Nhóm tác giả thực hiện

Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu nghiên cứu được tổng hợp với tỉ lệ mol Ca/P =1,67, pH=11  có các tín hiệu đặc trưng của HAp: 25,90 (002); 29,14 (210); 31,86 (211); 32,20 (112); 32,90 (300); 34,22 (310); 46,69 (222); 49,51 (320); 53,27 (411) [8-10].

Tại pH=11 sản phẩm là hydroxyapatite, kết quả này phù hợp với những nghiên cứu đã được công bố như: Byong- Taek Lee [8]. Điều này được giải thích như sau: tại pH>10 độ tan của β-TCP lớn hơn rất nhiều so với độ tan của HAp nên khi pH>10 sản phẩm là hydroxyapatite. Kết quả phân tích TG-DSC chứng minh sự biện luận cho hiệu ứng nhiệt xuất hiện tại 800-950°C là sự phân hủy hydroxyapatite thành TCP là phù hợp.

Hình 3: Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu kết tủa với tỷ lệ Ca/P=1,67

tại pH=11:(a) kết tủa từ Ca(OH)2 và H3PO4, (b) kết tủa

từ CaCl2 và NaH2PO4

gian-do-nhieu-xa-xrd

Nguồn: nhóm tác giả thực hiện

Kết quả phân tích XRD của các mẫu kết tủa với tỷ lệ Ca/P=2 tại pH=9 ngoài hydroxyapatite được tạo thành còn có những pha tinh thể khác như: CaCO3. Kết quả XRD của sản phẩm kết tủa khẳng định lại phần biện luận kết quả DSC của mẫu là phù hợp, giải thích hiệu ứng nhiệt xuất hiện khoảng nhiệt độ 600- 1.0000C là sự phân hủy CaCO3 là hoàn toàn có thể vì theo như kết quả XRD có tồn tại pha tinh thể CaCO3. 

Hình 4: Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu kết tủa với tỷ lệ Ca/P=2 tại pH=9:(a) kết tủa từ Ca(OH)2 và H3PO4, (b) kết tủa từ CaCl2 và NaH2PO4

4-gian-do-nhieu-xa-xrd-cua-mau-ket-tua

Nguồn: nhóm tác giả thực hiện

4. Kết luận

Vật liệu hydroxyapatite đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp kết tủa hóa học. Sản phẩm hydroxyapatite được tổng hợp với tỷ lệ Ca/P=1,67 pH=11 với nguồn nguyên liệu kết tủa từ Ca(OH)2 và H3PO4, (b) kết tủa từ CaCl2 và NaH2PO4.

Các yếu tố về tỷ lệ Ca/P và pH ảnh hưởng đến việc tổng hợp hydroxyapatite. Trong cùng điều kiện tổng hợp nhiệt độ, pH khi thay đổi các tỷ lệ Ca/P sinh ra các sản phẩm khác nhau: tỷ lệ Ca/P=2 sản phẩm là hỗn hợp hydroxyapatite, CaO, CaCO3. Khi tỷ lệ Ca/P càng cao thì lượng sản phẩm pha tạp càng nhiều.

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

  1. M. Navarro, A. Michiardi, O. Castaño and J. A. Planell (2008). Biomaterials in orthopaedics. Journal of the Royal Society Interface, 5, 1137.
  2. Phan Thị Bảy (2011). Sự thay đổi của sống hàm khuyết lõm sau ghép vật liệu thay thế xương người cùng lúc đặt implant. Luận văn Thạc sỹ, Trường Đại học Y dược Thành phố Hồ Chí Minh.
  3. Nguyễn Đình Phúc (2006). Đánh giá hiệu quả của chất kích thích tái tạo xương trong điều trị những khuyết hổng xương vùng hàm mặt. Tạp chí Y học thực hành, 3, 72.
  4. Khelendra Agrawal*, Gurbhinder Singh, Devendra Puri, Satya Prakash (2011). Synthesis and Characterization of Hydroxyapatite Powder by Sol-Gel Method for Biomedical Application. Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, 10(8),727-734.
  5. A. Costescu, I. Pasuk, F. Ungureanu, A. Dinisschiotu, M. Costache, F. Huneau, S. Galaup, P. Lecoustumer, D. Predoi (2010). Physico-Chemical Properties Of Nano-Sized Hexagonal Hydroxyapatite Powder Synthesized By Sol-Gel. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, 5(4), 989-1000.
  6. Karlis Gross, Christopher C. Berndt, Robert Dinnebier (1998). Oxyapatite in Hydroxyapatite Coatings. Journal of Materials Science.
  7. T. V. M. I. G.-P. A. B. A. K. Irma Bogdanoviciene (2010). Synthesis of b-tricalcium phosphate using sol-gel selfpropagating combustion method. College of Chemical Engineering & Pharmaceutic, Central European Journal of Chemistry, 8(6).
  8. Byong-Taek Lee, Min-Ho Youn, Kap-Ho Lee, Ho-Yeon Song (2007). In situ synthesis of spherical BCP nanopowders by microwave assisted process. Materials Chemistry and Physics, 104, 249-253.
  9. Marek Maciejewski, Tobias J. Brunner, Stefan F. Loher, Wendelin J. Stark, Alfons Baiker (2008). Phase transitions in amorphous calcium phosphates with different Ca/P ratios. Thermochimica Acta, 468, 75-80.
  10. Amera, A. M. A. Abudalazez, A. Rashid Ismail1, N. Hayati Abd Razak, S. Malik Masudi, S. Rizal Kasim, Z. Arifin Ahmad (2011). Synthesis and Characterization of Porous Biphasic Calcium Phosphate Scaffold From Different Porogens For Possible Bone Tissue Engineering Applications. Science of Sintering, 43, 183-192.

 

SYNTHESISING HYDROXYAPATITE

BY USING THE PRECIPITATION METHOD

PhD. Nguyen Thi Phuong 1

Asocc. Prof. PhD. Nguyen Cuu Khoa 1

Master. Dao Thanh Khe 1

 Master. Le Thuy Nhung 1

1 Ho Chi Minh City University of Food Industry

ABSTRACT:

Calcium phosphate exhibits the bone bonding properties that enhance  bone regeneration. In this study, the synthesis of hydroxyapatite was successfully done by using the precipitation method with the starting materials of Ca(OH)2-H3PO4, and CaCl2-NaH2PO4. The effects of factors during the synthesis were evaluated by the use of XRD and TA-DSC methods.

Keywords: hydroxyapatite, calcium phosphate, precipitation method.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, 

Số 20, tháng 8 năm 2021]