Khảo sát quá trình tách và một số đặc trưng của
canxi hydroxyapatite từ xương động vật

Nguyễn Văn Hưởng

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Khoa Hóa học
Luận văn ThS Chuyên ngành: Hóa vô cơ; Mã số: 60 44 25
Người hướng dẫn: PGS.TS. Đào Quốc Hương
Năm bảo vệ: 2011

Abstract: Khảo sát quá trình tách HA từ xương bò theo các phương pháp
nhiệt: ninh ở điều kiện bình thường; ninh trong điều kiện có chất phụ gia;
ninh trong nồi áp suất. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, chất phụ
gia trong quá trình tách HA theo các phương pháp nêu trên. Khảo sát một
số đặc trưng như XRD, FTIR, DTA-TGA, SEM và độ xốp tổng của bột HA
thu được. Xác định hàm lượng Ca và P, tỉ số mol Ca/P, hàm lượng kim loại
nặng trong HA.

Keywords: Hóa vô cơ; Xương động vật; Canxi; Kim loại nặng;
Chất phụ gia; Phương pháp nhiệt

Content
Trong các hợp chất vô cơ trong cơ thể người 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 Ca
5
F(PO
4
)
3

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.… 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 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 phương 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 thước 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 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… HA bột cũng có thể được dùng bổ sung canxi trong
nước giải khát.
Ở dạng màng, một lớp HA siêu mịn, mỏng phủ trên xương nhân tạo có thể tăng
cường khả năng liên kết giữa xương nhân tạo với mô và xương tự nhiên.
HA dạng xốp được ứng dụng để sửa chữa các khuyết tật của xương và răng. Ngoài
ra, các nghiên cứu cho thấy, HA xốp còn được sử dụng làm chất truyền dẫn thuốc do bền
trong các dịch sinh lý của cơ thể, có tác dụng nhả chậm các dược chất đi kèm với nó.
Ở nước ta, việc nghiên cứu chế tạo và khảo sát khả năng ứng dụng trong y sinh học
nói chung và dược phẩm nói riêng chưa được quan tâm nhiều. 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 vật liệu HA dạng bột và dạng xốp đã và đang hướng đến ứng
dụng trong dược học và y sinh học.
Phòng Hóa Vô Cơ, Viện Hóa Học (Viện KH&CN Việt Nam) đã chế tạo HA dạng
bột và dạng khối xốp bằng các phương pháp khác nhau. Để góp phần hoàn thiện các
nghiên cứu về chế tạo HA nhân tạo và tự nhiên, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Khảo sát quá
trình tách và một số đặc trƣng của canxi hydroxyapatite từ xƣơng động vật”. Đề tài
có mục đích tách HA từ xương động vật, cụ thể là xương bò và khảo sát một số đặc tính
của HA thu được. Đề tài tập trung khảo sát các nội dung sau:
- Khảo sát quá trình tách HA từ xương bò theo các phương pháp nhiệt: ninh ở điều

hoá học
HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với các axit tạo thành muối canxi và
nước:
Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
+ 2HCl

3Ca
3
(PO
4
)
2
+ CaCl
2
+ 2H
2
O (1)
HA tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800
0
C đến
1200
0
C tạo thành oxy-hydroxyapatite theo phản ứng:

3
(PO
4
)
2
(β – TCP) và
Ca
4
P
2
O
9
hoặc CaO:
Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2


2β – Ca
3
(PO
4
)
2
+ Ca

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 và phù hợp với mục đích
ứng dụng trong y sinh học và dược học, cần chọn lựa quy trình chế tạo chúng bằng
phương pháp hóa học hay tách từ xương động vật.
1.2. Ứng dụng của HA
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 tự nhiên hoặc
nhân tạo ở dạng bột mịn, kích thước nano để bổ sung canxi [10]. Với kích thước cỡ 20 –
100 nm, HA được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải chuyển hoá thêm.
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.
Hình 1.4 là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung canxi

1.2.4. Ứng dụng của HA dạng compozit
- 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 compozit bằng cách phân tán HA
bột vào các polyme sinh học như collagen, chitosan, xenlulo, đường sacaro

1.4. Các phƣơng pháp tổng hợp HA
Phương pháp ướt
Phương pháp khô

1.5. Một số phƣơng pháp nghiên cứu vật liệu HA
1.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (X – Ray Diffraction, XRD)
1.5.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (Fourier Transformation Infrared
Spectrophotometer, FTIR)
1.5.3. Phương pháp hiển vi điện tử
1.5.4. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng
1.5.5. Tách HA từ xương động vật băng phương pháp đông khô
1.6. Xác định độ xốp tổng của các mẫu HA theo trọng lƣợng riêng
1.7. Vai trò của xƣơng trong cơ thể ngƣời và động vật
1.8. Khái quát về chất phụ gia thực phẩm
1.8.1. Định nghĩa
Theo định nghĩa của Tổ chức Nông Lương Liên Hiệp Quốc (FAO), phụ gia thực
phẩm là chất không dinh dưỡng được thêm vào các sản phẩm với các ý định khác nhau.
Thông thường, các chất này có hàm lượng thấp dùng để cải thiện tính chất cảm quan, cấu
trúc, mùi vị cũng như bảo quản sản phẩm.
Còn theo định nghĩa của Viện Thông tin Y học Trung ương, phụ gia thực phẩm là
một chất có hay không có giá trị dinh dưỡng, không được tiêu thụ thông thường như một
thực phẩm. Nó là một chất chủ ý bổ sung vào thực phẩm để giải quyết mục đích công
nghệ trong sản xuất, chế biến, bao gói, bảo quản, vận chuyển thực phẩm, nhằm cải thiện
kết cấu hoặc đặc tính kĩ thuật của thực phẩm đó.
1.8.2. Tầm quan trọng của việc sử dụng phụ gia trong thực phẩm

3
: Hòa tan 1,14 g NaHCO
3
trong 1,0 lít nước cất,
được dung dịch NaHCO
3
0,114%.
2. 2. 2. Lấy mẫu và sơ chế mẫu
Tiến hành khảo sát trên xương ống của con bò ở hai vị trí khác nhau là thân xương
và đầu xương. Xương bò tự nhiên chưa qua xử lí, loại bỏ phần thịt, mỡ và lớp màng bám
bên ngoài xương, sau đó cưa và cắt xương thành những khối nhỏ có kích thước khoảng 4
x 6 x 6 mm.
Xương sau khi được cắt, đem rửa bằng etanol và nước cất để làm sạch, loại bỏ các
tạp chất cơ học và các hợp chất hữu cơ, rồi tiến hành ninh mẫu ở các điều kiện nhiệt độ,
áp suất và với phụ gia NaHCO
3
.
2. 3. Phƣơng pháp tiến hành
Việc tách HA từ phần thân xương và đầu xương của xương bò tự nhiên được tiến
hành bằng phương pháp ninh, dưới ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và
chất phụ gia.
Phương pháp 1: Ninh mẫu xương ở điều kiện áp suất thường, không có phụ gia.
Phương pháp 2: Ninh mẫu xương ở điều kiện áp suất thường, có phụ gia.
Phương pháp 3: Ninh mẫu xương ở điều kiện trong nồi áp suất, không có phụ gia.
2. 4. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình tách HA
2. 4. 1. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất
thường, không có phụ gia
2. 4. 2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới quá trình tách HA, ở điều kiện áp suất
thường, có chất phụ gia
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

mẫu đem nung ở 700
0
C trong 2 giờ. Sản phẩm HA được khảo sát bằng các phương pháp
XRD, FTIR, SEM, phân tích nhiệt, phân tích thành phần hóa học và độ xốp tổng .
3.5. Sản phẩm HA tách ra ở thân xƣơng
3.5.1. Giản đồ XRD
Giản đồ XRD của các mẫu HA nung trong 2 giờ ở 700
0
C, được tách ra theo các
phương pháp khác nhau
3.5.2. Phổ FTIR
Phổ XRD của một số mẫu HA đem nung ở 700
0
C trong 2 giờ, tách ra ở thân xương khảo
sát ở các điều kiện khác nhau
3.5.3. Ảnh SEM
Ảnh SEM của mẫu HA ninh đến nhừ ở điều kiện áp suất thường, không có phụ gia
(T6.a, T6.b, T6.c) và ninh trong nồi áp suất, không có phụ gia (A6.a, A6.b, A6.c) sau đó
nung ở 700
0
C trong 2 giờ.
3.6. Đặc trƣng nhiệt – trọng lƣợng của các mẫu HA
Kết qua giản đồ nhiệt - trọng lượng (TGA, DTA) của các mẫu HA T5 và NB2.

3.7. Phân tích thành phần hóa học và các kim loại nặng
3.7.1. Kết quả thành phần chínhcủa một số sản phẩm HA
Bảng 3.4: Hàm lượng Ca, P và tỉ lệ mol Ca : P của các mẫu HA: NB1, A2, A6
3.7.2. Kết quả hàm lượng các kim loại nặng có trong một số sản phẩm HA
Bảng 3.5: Chỉ tiêu phân tích các kim loại nặng của các mẫu HA: NB1, A2 và A6
3.8.1. Độ xốp tổng của các mẫu HA tách ra ở hai đầu xương

Mẫu xương bò lấy từ thân xương, ninh đến nhừ ở điều kiện trong nồi áp suất, không
có phụ gia, đem nung ở 700
0
C trong 2 giờ. Sản phẩm HA thu được có kích thước hạt
trung bình dưới 500 nm, giản đồ XRD cho thấy sản phẩm là đơn pha HA với độ tinh thể
97,4%.
References
Tiếng Việt
1. 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.
2. Vũ Thị Dịu (2009), Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến bột hydroxyapatite kích
thước nano điều chế từ canxi hydroxit, luận văn thạc sĩ khoa học.
3. 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.
4. Vũ Duy Hiển, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích (2007), Nghiên cứu chế tạo gốm
hydroxyapatite bằng phương pháp phản ứng pha rắn, Tạp chí hóa học, Tập 45
(6A), Tr.16-20.
5. Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích (2007), Tổng hợp bột hydroxyapatite kích
thước nano bằng phương pháp kết tủa hoá học, Tạp chí Hoá học, Tập 45, số 2,
Tr.147-151
6. Vũ Duy Hiển, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích (2008), Chế tạo gốm xốp từ
hydroxyapatite bột bằng phương pháp ép nén- thiêu kết, Tạp chí Hoá học, Tập 46,
(2A), Tr.112-117.
7.Vũ Duy Hiển, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích (2008), Nghiên cứu chế tạo gốm
hydroxyapatite từ khung xốp tự nhiên của mai mực bằng phản ứng thủy nhiệt, Tạp
chí hóa học, Tập 45 (6A), Tr.116-123.
8. Lê Vũ Tuấn Hùng, Nguyễn Văn Đến, Huỳnh Thành Đạt (2006), Nghiên cứu chế tạo
màng mỏng TiO
2

J. Dent. Res.,Vol.62, No.12, p.1190-1195.
24. 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).
25. 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.
26. http://en.wikipedia.org/wiki/Hydroxylapatite
27. Eliaz N., Sridhar T.M. (2004), Electrochemical and Electrophoretic Deposition of
Hydroxyapatite for Orthopaedic Applications, Suface Engineering, Vol.21, No.3.
28. 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.
29. Donadel K., Laranjeira M.C.M., Goncalves V.L., F´avere V.T. (2004), Structural,
Vibrational and Mechanical Studies of Hydroxyapatite Produced by Wet-
chemical Methods, Universidade Federal de Santa Catarina, Florian´opolis,
Brazil, Cx.P., 476, 88040-900.
30. 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.
31. Guzmán Vázquez C., Piña Barba C., Munguia N. (2005), Stoichiometric
Hydroxyapatite Obtained by Precipitation and Sol Gel Processes, Revista
Mexicana de Fisica, Vol.51, No.3, p.284-293.
32. 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.
33. 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.