ĐẶT VẤN ĐÈ
Apatit là họ khoáng photphat của canxi có công thức chung là Caio(P04)6M
2
, 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 thế đào thải [22], [23] HA có cấu trúc tinh thế thuộc
dạng lục phương hoặc dạng đơn tà. Do có cùng bán chất hoá học và cấu trúc, HA là dạng canxi photphat dễ
hấp thu nhất đổi với cơ thế 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 tống 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 đế mở rộng khả năng ứng dụng.
ơ dạng bột, các nhà nghiên cún đang cố gắng điều chế HA kích thước nano (trong khoảng 20 - 1
OOnm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ của cơ thế. HA bột dạng vi tinh thế cùng với một số khoáng
chất bố sung khác đã được dùng trong bào chế thuốc chống loãng xương và thực phẩm chức năng bố sung
canxi, xử lý các khuyết tật trong xương do chấn thương
ơ dạng màng, một lớp màng HA mỏng phủ trên gốm nhân tạo có thế tăng cường khả năng liên kết giữa
xương nhân tạo với mô và xương tụ' 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 thế 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.
Đế 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 ánh hưởng đến bột hyđroxyapatit
Ca
1
0(PO

độ nóng chảy 1760°c và nhiệt độ sôi 2850°c, độ tan trong nước 0,7g/l, khối lượng mol
phân tử 1004,60g, khối lượng riêng là 3,156g/cm
3
, 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 hiến vi điện tử SEM hoặc TEM có thế nhận biết được
các dạng tồn tại của tinh thế HA (Hình 1.1).
Hình 1.1: Anh hiếu vi điệu tử của các tỉnh thê 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 tù’ 25 đến 100°c, còn dạng đơn tà chủ yếu được sinh
8221 I2KU
X40,000 ìeenm
uo 6
-
ra khi nung dạng lục phương ở 850°c 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 sổ 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 thế HA gồm các ion Ca
2+
, PO4
3
' và OH' được sắp
xếp như hình 1.2a. 0 mạng này có dạng hình lục phương , thuộc nhóm không gian
P63/1T1 với các hằng số mạng a = 0,9417nm, b = 0,9417nm và c = 0,6875nm, a = p =
90° và Ỵ = 120° [30]. Đây là cấu trúc thường gặp của HA tổng hợp, trong thành phần
của xương và ngà răng [31].

nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao.
Đe 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 đờ cho các bộ phận khác, hình thành
nên kiến trúc và hình dáng cơ thế. Chất khoáng trong xương gồm chủ yếu là HA dạng
khối xốp và một số chất chứa Na
+
, K
+
, Mg
2+
, cr, F", CO3
2
" [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 tuối thì
các pha vô định hình chiếm ưu thế và chỉ có một phần chuyến hoá thành pha tinh thế, còn
ở người trưởng thành thì đến 70% khối lượng của xương là HA. HA có vi cấu trúc là các
sợi tinh thế dài khoảng 10 -7- 15nm kết thành bó xốp với độ xốp tù' 40 -7- 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 thê được
dùng đế nối ghép, thay thế xương trong cơ thê 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 sổ đông người cao tuổi, đặc biệt là phụ nữ. Theo thống kê của Tố chức Y tế Thế

HydroxyopoM»
Hình 1.4: Thuôc bô sung canxi sử dụng
nguyên liệu HA dạng vi tinh thê
1.2.2. ứng dụng của HA dạng màng
Thông thường, người ta sử dụng
các vật liệu bền cơ - hoá và nhẹ đế thay
thế, sửa chữa những khuyết tật của
xương và răng. Phố biến nhất là hợp kim TĨ6A14V, 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 thế 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 ịim 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
LA
RAY
Calc
ium
Jorroui f
o«uui«r I
nền không bền chặt, do vậy tuổi thọ và phạm vi ứng dụng của chúng không cao [43]
Đe cải thiện độ bám dính, người ta đã phủ lên các kim loại và hợp kim nền một lóp
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 thế con người.
Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng n - HA, người ta không chỉ làm tăng tuối
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 thế ứng dụng ghép xương

3
‘, OH' trong các polime sinh học dạng bột nhão tạo
thành vi tinh thế HA kích thước nano. Hỗn họp này được phủ lên bề mặt răng cũ đế tạo
thành lớp men răng mới.
- Chế tạo mắt giả [46]:
Hình 1.6: HA xốp tống hợp từ san hô được sử dụng làm mắt giả HA xốp tống hợp
từ san hô có cấu trúc xốp bền vững, nhẹ và đặc biệt là có khả năng thích ứng cao với cơ
thế. 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 thế và làm tăng thời gian sử dụng của mắt giả [49].
- Chế tạo những chi tiết đế ghép xương và sửa chữa những khuyết tật của xương [50]:
Hình 1.7: Gốm y sinh HA tông hợp bằng các phương pháp khác nhau Tuỳ thuộc
vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thế 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 phấm này
thành các chi tiết phù hợp hoặc có thế sử dụng gốm HA ở dạng hạt đế điền đầy những
chồ 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 chuyến và phân tán insulin
trong ruột [55].
Tuy nhiên, gốm HA còn có một nhược điếm 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 composỉt
Bản chất của gốm xốp và màng HA là có độ bền cơ học thấp. Một giải pháp đế tăng
độ bền cơ học là tạo ra một tố 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

Điều này có nghĩa rằng phần p -TCP sẽ tiêu biến dần như là nguồn cung cấp khoáng cho
xương non phát triến vào chỗ khuyết xương. Do đó gốm tố hợp HA - p - TCP là vật liệu y
sinh chính cho các phẫu thuật ghép xương, nối xương, chỉnh hình hoặc sửa chữa xương.
Đẻ chữa trị căn bệnh loãng xương, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phấm Mỹ
(FDA) đã cho phép sử dụng HA trong sản xuất thuốc và thực phấm chức năng. Nhiều loại
thuốc và thực phẩm bố sung canxi có sử dụng HA đã được lưu hành trên thị trường.
Trong số đó có thế 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 ửng dụng HA (ỷ 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 tấm 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 họp bột và
màng gốm HA [6].
Từ năm 2005 đến nay, Viện Hoá học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã
công bổ một sổ 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(P0
4
)
2
.
-

2
0, 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(H
2
H0
4
)
2
, mono canxi photphat monohydrat-
Ca(H
2
P04)2.H
2
0. Trên hình 1.9, có thế nhận thấy các pha lỏng tồn tại ở vùng trống, các
pha rắn nằm ở vùng elip còn lại. Anhydric mono canxi photphat - Ca(H
2
P04)
2
và các
mono hydrat của nó tồn tại dưới dạng tinh thế trong vùng axit, tức là vùng có tỷ lệ P2O5
cao. Anhydric đicanxi photphat - CaHP0
4
tồn tại ở vùng axit, còn đicanxi photphat
đihyđrat - CaHP0
4
.2H
2
0 luôn tồn tại trong môi trường phản ứng có pH khác nhau.
Hình 1.9: Giản đò pha của hệ CaO

' có thế 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 Ca
2+
và POị~ dễ tan trong nước:
Các muối hay được dùng là Ca(N0
3
)
2
, CaCl
2
, (NH
4
)
2
HP0
4
, NH4H2PO4 [24].
Phản ứng diễn ra theo phương trình (1.5) được coi là phương pháp cơ bản để tổng họp
HA [60]: 10Ca(N0
3
)
2
+ 6(NH
4
)
2
HP0
4
+ 8NH4OH -> Ca,o(P0

HP04 tiếp tục khuấy hỗn hợp trong khoảng
2 giờ tại nhiệt độ đã định. Ket thúc phản ứng, thu lấy kết tủa và làm sạch bằng cách lọc
rủa 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 - 80°c và bảo quản tránh tiếp xúc với không khí.
b) Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca
2+
ít tan hoặc không tan trong nước:
Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)
2
, CaO, CaCƠ3 với axit H3PO4 trong môi trường
kiềm [28]. Ví dụ:
1 OCa(OH)
2
+ 6H3PO4 = Ca
10
(PO
4
)6(OH)
2
+ 18H
2
0 (1.6)
Trong quá trình điều chế, yếu tố pH cũng đóng vai trò quan trọng. Độ pH 9 - 1 0
được điều chỉnh bằng cách thêm từ tù’ 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. Đe 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 tống 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

5
0)3P(0), CH
3
0(CH2)2(OH)
(được chuấn bị theo tỷ lệ nhất định) vào nước cất. Khuấy và gia nhiệt dung dịch này đến
nhiệt độ 60 - 70°c, sau khoảng 3-4 giờ, gel có chứa hợp chất HA sẽ được tạo thành. Sau
đó, sấy gel ở nhiệt độ khoảng 120°c trong vòng 24 giờ và nung ở nhiệt độ 750 - 900°c
khoảng 1 giờ. HA bột nhận được có kích thước trung bình khoảng 20nm, độ tinh thế
khoảng 97% [59].
1.4.1.3. Phương pháp phun sấy
Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol - gel được thể hiện qua hình sau:
Hình ỉ.l 1: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sol - gel
-
Hình 1.12 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy. Dung dịch chứa các ion
Ca
2+
và P0
4
3
‘ (tỷ lệ Ca/P = 1,67) được phun vào thiết bị cùng với khí nén.
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, đế chế tạo HA bột có kích thước “siêu mịn”, có thể tiến hành phản

của hai loại vật liệu. Có thế 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 Ca
2+
được phân tán đều trong mạng
lưới polyme sau đó các anion PO4
3
" và OH‘ được đưa vào dưới dạng dung dịch đế phản
ứng tạo thành các nano tinh thể. Cũng có thế thực hiện phản ứng tạo ra các tinh thế nano
HA trước, sau đó phân tán chúng vào mạng lưới polyme nhăm ngăn không cho các tinh
thê HA kct 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 un điếm vượt trội của vật liệu composit chứa HA.
-
Ví dụ, có thế tóm tắt quá trình tống hợp HA bằng phương pháp composit với
chitosan (CS) theo sơ đồ sau [36]:
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 ho ả
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 họp 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
Hình 1.15: Sơ đỏ tống họp composit HA - cs

chứa các ion Ca
2+
và PO4
3
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 điếm dẫn điện tốt.
Tại nơi này nhiệt độ có thế lên đến 10
3
- 10
4
độ Kenvin làm cho kim loại bị oxi hoá, các
oxit tạo thành bị nóng chảy tạo thành một lóp oxit với chiều dày khoảng 1 - 2jam 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 Ca
2+
và P0
4
3
\ Quá trình hình thành các tinh thế HA phụ
thuộc vào số lượng các mầm tinh thể trong khi phóng điện và sự khuếch tán của các ion
Ca
2+
và P0
4
3
‘ đến bề mặt lớp oxit [37].
- Phương pháp điện di (EPD'): Dựa trên hiện tượng chuyến dịch tương đối của

nhiệt độ 150 - 250°c 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 - 300°c, áp suất rất cao, lên tới
lOOOatm [44]. Phản ứng thuỷ nhiệt diễn ra theo phương trình:
10CaC0
3
+ 6(NH
4
)
2
HP0
4
+ 2H
2
0 -> Ca
10
(PO
4
)6(OH)
2
+ 6(NH
4
)
2
C0
3
+ 4H
2
CC>3 (1.7)
Hình 1.17 là sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt.