1
Nghiên cứu chế tạo hydroxyapatit dạng gốm
xốp từ vỏ trứng và đá vôi

Phạm Thị Sao

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn ThS Chuyên ngành: Hóa Vô cơ; Mã số: 60 44 25
Người hướng dẫn: PGS.TS. Đào Quốc Hương
Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Nghiên cứu chế tạo gốm xốp HA đơn pha bằng phản ứng
thuỷ nhiệt từ vỏ trứng và đá vôi tự nhiên. Tìm hiểu cơ chế, thông số
nhiệt động và xác định các điều kiện (nhiệt độ, áp suất, thời gian…)
thích hợp của các phản ứng tạo HA xốp. Khảo sát, đánh giá và so sánh
một số đặc trưng cơ bản của sản phẩm gốm xốp HA đã chế tạo được.

Keywords: Hóa vô cơ; Hydroxyapatite; Vỏ trứng; Đá vôi

Content
ĐẶT VẤN ĐỀ
1. Tính cấp thiết của đề tài
Canxi hydroxyapatit (hay còn được gọi là hydroxyapatit, viết tắt là
HA) có công thức phân tử là Ca
5
(PO
4
)

và phân tán một số loại thuốc như insulin, vitamin, bảo vệ được dược phẩm
tránh khỏi tương tác với tác nhân khác trên đường vận chuyển trong cơ thể,
góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng thuốc
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, sử dụng vật liệu HA cho mục đích y sinh
học chưa được quan tâm nhiều. Từ năm 2005, Phòng Hoá Vô cơ (Viện Hoá
học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã thực hiện một số đề tài
nghiên cứu tổng hợp HA bột và HA xốp.
Trên cơ sở các kết quả đã đạt được, để góp phần tạo ra một loại vật
liệu, định hướng ứng dụng trong dược học và y sinh học, đặc biệt là trong
phẫu thuật chỉnh hình ở nước ta, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế
tạo hydroxyapatit dạng gốm xốp từ vỏ trứng và đá vôi ”.
2. Tình hình nghiên cứu
Đây không phải là đề tài mới. Tác giả thực hiện đề tài trên cơ sở các
công trình đã được công bố trước đây tại phòng Hóa Vô cơ, Viện Hóa học,
Viện KH&CN Việt Nam như:
- Vũ Duy Hiển, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích (2007), Tổng hợp và
khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến kích thước hạt hydroxyapatit bằng
phương pháp kết tủa hoá học, Tạp chí Hoá học, 45(6A), tr.21-25.
- Vũ Duy Hiển, Đào Quốc Hương, Phan Thị Ngọc Bích (2008), Nghiên cứu
chế tạo HA từ khung xốp tự nhiên của mai mực bằng phản ứng thủy nhiệt,
Tạp chí Hóa học, 46(2A), tr.118-123. 3
- Vũ Duy Hiển (2010), Nghiên cứu chế tạo và đặc trưng hóa lý của
hydroxyapatit dạng gốm xốp có khả năng ứng dụng trong y sinh học, Luận án
Tiến sĩ Hóa học, Viện Hoá học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
- 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, 45(2), tr.147-151.

Chương 2: Thực nghiệm
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Kết luận chung.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. CÁC TÍNH CHẤT QUAN TRỌNG CỦA HYDROXYAPATIT
1.1.1 Tính chất vật lý
Hydroxyapatit (HA): Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
;
Khối lượng phân tử: 1004,60 g;
Tỷ trọng riêng: 3,156 g/cm
3
;
Nhiệt độ nóng chảy: 1760
o
C;
Nhiệt độ sôi: 2850
o
C;
Tích số tan: 2,12.10
-118

nhau đã được tiến hành từ lâu trên thế giới và đã đạt được những thành tựu 6
đáng kể. Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, HA ở các dạng khác nhau có thể
được chế tạo bằng nhiều phương pháp từ các nguyên liệu khác nhau. Dựa vào
điều kiện tiến hành phản ứng, có thể phân chia thành: phương pháp hóa học
và phương pháp vật lí.
1.3.1. Phƣơng pháp hóa học
1.3.1.1. Phương pháp ướt
Đây là phương pháp tạo pha rắn HA từ dung dịch chứa các nguyên liệu
ban đầu khác nhau, bao gồm: phương pháp kết tủa, phương pháp sol-gel hay
phương pháp kết tinh từ dung dịch bão hoà Các phương pháp này thường
được dùng để tổng hợp HA dạng bột với kích thước khác nhau.
1.3.1.1.1. Phương pháp kết tủa
1.3.1.1.2. Phương pháp sol-gel
1.3.1.1.3. Phương pháp siêu âm hoá học
1.3.1.1.4. Phương pháp phun sấy
1.3.1.1.5. Phương pháp điện hoá
1.3.1.1.6. Phương pháp phản ứng thuỷ nhiệt
1.3.1.1.7. Phương pháp chế tạo vật liệu compozit
1.3.1.2. Phương pháp khô
1.3.1.2.1. Phương pháp hoá-cơ
1.3.1.2.2. Phương pháp phản ứng pha rắn
1.3.2. Các phƣơng pháp vật lý
1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CỦA
GỐM XỐP HYDROXYAPATIT TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƢỚC
Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm HA trên thế giới đã được tiến
hành từ lâu và đạt được những thành tựu to lớn, tạo ra những sản phẩm đa
dạng cho các ứng dụng trong y sinh học. Đến nay, cùng với công nghệ và kỹ 8
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM
2.1. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ HOÁ CHẤT
2.1.1. Dụng cụ và thiết bị
Hệ thiết bị phản ứng gồm: cốc teflon, lò nung, thiết bị thủy nhiệt, bình
ổn áp và các thiết bị phụ trợ (hình 2.1).

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt
2.1.2. Hoá chất
- Muối (NH
4
)
2
HPO
4
có độ tinh khiết PA (Trung Quốc);
- Dung dịch 25% NH
3
trong nước (PA);
- Vỏ trứng (có hàm lượng CaCO
3
dạng canxit khoảng 97-99%) được
bóc sạch lớp màng, cắt thành những miếng nhỏ kích thước 1x1 mm. Sau đó,

+ 6(NH
4
)
2
HPO
4
+ 2H
2
O → Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
+ 6(NH
4
)
2
CO
3
+ 4H
2
CO
3

(2.1)
- Trong phản ứng gián tiếp:
10CaO + 6(NH

O tạo thành sau phản ứng được hấp thụ bằng axit
H
2
SO
4
đậm đặc đặt trong bình ổn áp. Ngoài ra, việc tiến hành phản ứng trong
bình kín và áp suất cao cũng có tác dụng ngăn cản sự phân huỷ của muối
(NH
4
)
2
HPO
4
trước khi tham gia phản ứng với CaCO
3
(CaO). Trong phương
pháp thuỷ nhiệt, phản ứng được thực hiện trong môi trường nước ở nhiệt độ
và áp suất cao nhằm thúc đẩy nhanh phản ứng dị thể. Nước trong phản ứng dị
thể có các chức năng làm môi trường truyền áp suất nhằm tạo năng lượng cho
phản ứng và làm dung môi hoà tan một phần chất phản ứng. Do đó, phản ứng
dị thể sẽ xảy ra ở bề mặt phân cách giữa pha lỏng và rắn.
Các thí nghiệm được tiến hành trong thời gian, nhiệt độ và áp suất khác
nhau để xác định điều kiện thích hợp của phản ứng.
Các sản phẩm sau phản ứng được xác định một số đặc trưng cơ bản
bằng các phương pháp: nhiễu xạ tia X (XRD), hấp thụ hồng ngoại (FTIR),
phân tích nhiệt (DTA, TGA) và hiển vi điện tử quét (SEM). 10
- Phương pháp phản ứng trực tiếp

(2.3)
Tiến hành phản ứng thuỷ nhiệt ngay sau khi nung để giữ nguyên cấu
trúc xốp của CaO. Cân 15,55 g CaO và 22,67 g tinh thể (NH
4
)
2
PO
4
đã được
tính toán theo phương trình 2.2.
Hỗn hợp rắn này được đưa vào cốc teflon, thêm khoảng 1ml nước.
Khảo sát các yếu tố thời gian, nhiệt độ, áp suất và lượng nước để xác định
điều kiện phản ứng thích hợp. Các sản phẩm sau phản ứng cũng được xác
định bằng các phương pháp đã nêu.
Một số đặc trưng cơ bản (XRD, FTIR, TGA, SEM) của vật liệu sau
phản ứng được so sánh với mẫu HA chuẩn của Viện Tiêu chuẩn và Công
nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) [20].
2.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU
HYDROXYAPATIT
2.3.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
2.3.2. Phƣơng pháp hồng ngoại (FTIR)
2.3.3. Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
2.3.4. Phƣơng pháp phân tích nhiệt 11
2.3.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA)
2.3.4.2. Phương pháp phân tích nhiệt-trọng lượng (TGA)
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. ĐẶC TRƢNG CỦA VỎ TRỨNG VÀ ĐÁ VÔI TỰ NHIÊN

Ảnh SEM (hình 3.4) ở các vị trí khác nhau thể hiện đá vôi có cấu trúc
gồm các lớp xếp chồng khít lên nhau, giữa các lớp này không có biên và sắp
a
b 13
xếp không theo một trật tự nhất định. Khác với vỏ trứng, bề mặt các lớp của
đá vôi đặc khít, khá bằng phẳng, không có khe hở hoặc lỗ xốp. Điều này có
thể gây khó khăn cho phản ứng thủy nhiệt trực tiếp.
3.2. PHẢN ỨNG THỦY NHIỆT CHẾ TẠO HA TRỰC TIẾP TỪ CaCO
3

Phản ứng thuỷ nhiệt trực tiếp từ CaCO
3
diễn ra theo phương trình 2.1:
10CaCO
3
+ 6 (NH
4
)
2
HPO
4
+ 2H
2
O → Ca
10
(PO
4

)
2
HPO
4
được tiến hành với thời
gian đến 135 giờ.
a
b 14 Hình 3.6: Giản đồ XRD của mẫu thu được sau phản ứng trực tiếp
của vỏ trứng (a) và đá vôi (b), thời gian 135 giờ
Kết quả XRD của hai mẫu (hình 3.6) cho thấy vẫn chỉ hình thành một
lượng HA rất nhỏ sau phản ứng với vỏ trứng. Còn với đá vôi thì hoàn toàn
không xuất hiện HA.
Như vậy, có thể kết luận rằng do CaCO
3
dạng canxit với cấu trúc đặc
khít của vỏ trứng và đá vôi tự nhiên nên không chế tạo được HA bằng phản
ứng thuỷ nhiệt trực tiếp trong điều kiện áp suất 14 atm và 200
o
C với thời gian
đến 135 giờ.
Do đó, chúng tôi lựa chọn phương pháp tiến hành phản ứng gián tiếp
qua giai đoạn trung gian phân huỷ CaCO
3
thành CaO.

)
2
HPO
4
+ 4H
2
O → Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2
+ 12NH
4
OH
3.3.2. Xác định điều kiện phản ứng thích hợp
3.3.2.1. Chế tạo HA xốp từ vỏ trứng bằng phản ứng gián tiếp
- Xác định thời gian phản ứng
Hình 3.9 là giản đồ XRD của các mẫu nhận được khi thực hiện phản
ứng theo phương trình 3.1, ở điều kiện: nhiệt độ 200
o
C, áp suất 14 atm trong
thời gian 8, 15, 24 và 48 giờ. 16

a
b
V-24 h

a
b
V-48 h 17
48 giờ
70,82
75

Như vậy, kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của các mẫu HA từ
vỏ trứng tăng mạnh khi thay đổi thời gian phản ứng từ 15 đến 24 giờ. Kéo dài
thêm thời gian phản ứng từ 24 lên 48 giờ không làm kích thước hạt trung bình
và độ tinh thể tăng nhiều.
- Xác định áp suất phản ứng
Thí nghiệm được thực hiện trong trong khoảng áp suất từ 6-14 atm.

Hình 3.10: Giản đồ XRD của các mẫu tổng hợp từ vỏ trứmg
với thời gian 24 giờ ở áp suất khác nhau
Hình 3.10 là giản đồ XRD của mẫu HA xốp tổng hợp bằng phản ứng
thuỷ nhiệt gián tiếp từ vỏ trứng ở nhiệt độ 200
o
C, thời gian phản ứng là 24 giờ
với áp suất thay đổi 6, 10, 12 và 14 atm.
Khi áp suất tăng đến 12-14 atm, các ion PO

12 atm
57,9
72
14 atm
72,6
74

Kết quả tính toán trên bảng 3.2 cho thấy kích thước hạt trung bình tăng
mạnh (từ 57,9 lên 72,6 nm), còn độ tinh thể tăng nhẹ (từ 72 đến 74%) khi tăng
áp suất phản ứng từ 12 lên 14 atm.
Như vậy, điều kiện nhiệt độ 200
o
C, thời gian 24 giờ và áp suất 12-14
atm là thích hợp để phản ứng thuỷ nhiệt xảy ra hoàn toàn.
- Xác định nhiệt độ phản ứng
Thực hiện các phản ứng ở áp suất 14 atm, thời gian 24 giờ với các điều
kiện nhiệt độ 150, 200 và 250
o
C.
Hình 3.11 là giản đồ XRD của các mẫu từ vỏ trứng tổng hợp ở các
nhiệt độ khác nhau. 19 Hình 3.11: Giản đồ XRD của các mẫu từ vỏ trứng
tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau
Giản đồ của mẫu tổng hợp ở 200 và 250
o

V-200
o
C
V-250
o
C 20
Kích thước hạt trung bình và độ tinh thể tăng mạnh khi tăng nhiệt độ từ
150 đến 200
o
C, còn trong khoảng 200-250
o
C, các đại lượng trên không tăng
nhiều.
Như vậy, có thể kết luận phản ứng chế tạo HA xốp từ vỏ trứng xảy ra
thuận lợi ở 200
o
C, thời gian 24 giờ và áp suất 12-14 atm.
3.3.2.2. Chế tạo HA xốp từ đá vôi bằng phản ứng gián tiếp
- Xác định thời gian phản ứng
Hình 3.12 là giản đồ XRD của các mẫu nhận được khi thực hiện phản
ứng theo phương trình 3.1, ở điều kiện: nhiệt độ 200
o
C, áp suất 14 atm trong
thời gian 8, 15, 24 và 48 giờ. Hình 3.12: Giản đồ XRD của các mẫu nhận được từ đá vôi

độ tinh thể không có thay đổi nhiều khi tăng thời gian phản ứng từ 24 đến 48
giờ.
Như vậy, có thể kết luận với thời gian phản ứng 24 giờ đã nhận được
sản phẩm HA đơn pha.
- Xác định áp suất phản ứng
Thí nghiệm được thực hiện trong trong khoảng áp suất từ 6-14 atm.

Hình 3.13: Giản đồ XRD của các mẫu tổng hợp từ đá vôi
với thời gian 24 giờ ở áp suất khác nhau
D-6 atm
D-10 atm
D-12 atm
D-14 atm 22
Hình 3.13 là giản đồ XRD của mẫu HA xốp tổng hợp bằng phản ứng
thuỷ nhiệt từ đá vôi ở nhiệt độ 200
o
C, thời gian phản ứng là 24 giờ với áp suất
thay đổi là 6, 10, 12 và 14 atm.
Ở áp suất 12 và 14 atm, phản ứng đã xảy ra hoàn toàn, trên giản đồ chỉ
có các vạch đặc trưng của HA. Ở áp suất 14 atm, các vạch đặc trưng tại 2θ
bằng 31,77 và 32,20
o
có cường độ cao hơn so với 12 atm.
Kết quả tính toán kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của sản phẩm
dưới ảnh hưởng của áp suất được trình bày trong bảng 3.5.
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của áp suất phản ứng đến kích thước hạt trung bình
và độ tinh thể của các mẫu từ đá vôi

Hình 3.14 là giản đồ XRD của các mẫu từ đá vôi tổng hợp ở các nhiệt
độ khác nhau.
Kết quả tính toán kích thước hạt trung bình và độ tinh thể của sản phẩm
dưới ảnh hưởng của nhiệt độ được trình bày trong bảng 3.6.
Bảng 3.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến kích thước hạt trung bình
và độ tinh thể của các mẫu từ đá vôi
Nhiệt độ
d (nm)
theo Scherrer
Độ tinh thể
(%)
150
o
C
56,7
51
200
o
C
170,8
73
250
o
C
178,4
76

D-150
o
C

1065,20 cm
-1
và vạch dao động của liên kết O-H ở 3570,68 cm
-1
. Dải hấp thụ
yếu của nước tự do ở vùng 3420,42 và 1645,91 cm
-1
. Hình 3.15b là phổ FTIR
của mẫu HA từ đá vôi. Các vạch đặc trưng cho dao động của PO
4
3-
xuất hiện
ở 483,68; 530,63-637,57; 1031,43; 1099,25 cm
-1
và vạch dao động của liên
kết O-H ở 3570,68 cm
-1
. Cả hai kết quả FTIR này đều phù hợp với các dữ liệu
XRD và FTIR của HA đơn pha và mẫu HA chuẩn của NIST. 3.3.3.2. Ảnh SEM
a
b 25

Hình 3.16: Ảnh SEM của HA từ vỏ trứng
Hình 3.16 là ảnh SEM HA xốp từ vỏ trứng, cho thấy sau phản ứng thuỷ