HYDROXYAPATIT

Hydroxyapatit, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, là muối kép của tri-canxi photphat và canxi hydroxit, trong tự nhiên tồn tại dưới dạng flo-apatit Ca₁₀(PO₄)₆F₂. Nó là thành phần vô cơ chính trong xương và răng người và hiện đang trở thành đối tượng nghiên cứu chính của các nhà khoa học nhằm mục đích cải thiện các tính chất sinh học, hoá học của nó.

Hydroxyapatit (HAp) thường được sử dụng dưới dạng bột để thay thế xương hoặc làm chất phủ lên bề mặt kim loại để tăng khả năng tương thích của vật liệu cấy ghép. Về mặt nhiệt động học, HAp là hợp chất bền nhất ở các điều kiện xác định như nhiệt độ, pH và thành phần vật lý của pha.

Tính chất vật lý:

Hydroxyapatit là một tinh thể màu trắng ngà, sôi ở 285⁰C và nóng chảy tại 170⁰C. Ở 25⁰C, khả năng hoà tan trong 100g nước của hydroxyapatit là 7g, tỷ trọng là 3,08 . Về mặt cấu trúc, hydroxyapatit có dạng hình lục phương và thuộc nhóm không gian P6₃/m với các hằng số mạng a và c lần lượt là 0.942 nm và 0.688 nm. Cấu trúc tinh thể của HAp được tìm ra bởi Naray-Szabo và Meheml và những kết quả của họ sau này đã được Hendricks xác nhận lại. Cấu trúc mạng của HAp bao gồm các ion Ca²⁺, PO₄^3- và OH^– và chúng được sắp xếp trong các ô đơn vị như trong hình I.1.

Trong tổng số 14 ion Ca²⁺ thì có 6 ion thuộc về HAp và nằm trọn vẹn trong ô mạng đơn vị, còn lại 8 ion nằm trên chu vi hai mặt đáy được dùng chung với các ô đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ô là 4 ion. Tương tự như thế, trong số 10 nhóm PO₄^3- thì 2 nhóm nằm ở bên trong ô đơn vị còn 8 nhóm thì nằm trên chu vi của hai mặt đáy nhưng chỉ có 6 nhóm thuộc về ô đơn vị. 6 nhóm này bao gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của hai mặt đáy. Giống như vậy, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH^– chỉ ra trong hình là thuộc về ô đơn vị. Số lượng các ion xuất hiện trong ô đơn vị có thể không đúng với công thức phân tử của HAp. Điều này có thể giải thích do sự lặp lại của các ô đơn vị trong hệ đối xứng ba chiều. Với cách giải thích như trên thì trong một phân tử HAp bao gồm có 10 ion Ca²⁺, 6 nhóm PO₄^3- và 2 nhóm OH^–, từ đó ta có thể khẳng định HAp có công thức hoá học tỷ lượng là Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂.

Về mặt hình dạng thì các tinh thể HAp thường có dạng hình lá, hình que hoặc hình kim, đôi khi HAp còn có dạng hình vảy. Tuỳ theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp điện hoá) cũng như các điều kiện tổng hợp khác nhau (như thay đổi nhiệt độ phản ứng, pH trước làm già, tốc độ nạp liệu, thời gian già hoá sản phẩm hay môi trường phản ứng…)mà các tinh thể HAp có hình dạng khác nhau như hình que, hình vảy, hình kim, hay hình sợi

Tính chất hoá học

 Về mặt hoá học, HAp có một số tính chất sau đây:

+ Có khả năng kết hợp với cấu trúc xương và tác động tốt đến sự phát triển bên trong của xương mà không làm đứt gãy hay phân hủy xương.

+ Không bền nhiệt, dễ bị phân hủy trong khoảng nhiệt độ 800 ÷ 1200°C. Tuỳ theo tỷ lệ cấu tạo của HA, tạo thành oxyapatit theo phản ứng:

Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ → Ca₁₀(PO₄)₆(OH)_2-2xO_x + xH₂O    (0 < x < 1)

Phản ứng này diễn ra dần dần theo thời gian và nhiệt độ tăng dần.

+ Ngoài ra HAp có thể bị phân hủy thành các chất khác trong nhóm canxi phôtphat tùy theo điều kiện. Ví dụ: tạo thành β-TCP hay tetra canxi phôtphat như các phương trình phản ứng dưới đây:

Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂  → 2b – TCP + Ca₄P₂O₉ + H₂O

Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ → 3b – TCP + CaO + H₂O

+ Không có tính bền cơ lý đủ để thay thế, cấy ghép hoàn toàn cho những vùng xương phải chịu tải nặng của cơ thể.

HAp thường được sử dụng ở dạng bột hoặc biến thể của bột. Bột HAp rất khó nung kết khối, khi nung dễ bị phân hủy biến đổi thành phần. Nguyên nhân là do HAp phân hủy ở nhiệt độ cao tạo thành các sản phẩm khác trong hệ CaO – P₂O₅. Để sản xuất khối HAp thành sản phẩm thương mại đòi hỏi phải nung kết ở nhiệt độ cao, thường vào khoảng 1000°C. Sản xuất lớp phủ HAp cũng yêu cầu HAp hình thành ở nhiệt độ cao. Hơn nữa, nếu sản xuất HAp ở nhiệt độ thấp, HAp thu được là HAp dễ bị phân hủy bởi tác dụng của vi sinh vật, không phải HAp có hoạt tính sinh học.

Khi đạt kích thước nano, yếu điểm của HAp được cải thiện đáng kể. Kích thước nano làm mật độ tiếp xúc bề mặt sinh học tăng và phù hợp với kích thước của các khoáng trong xương nên hoạt tính của bột HAp tăng lên. Ngoài ra, việc kết khối vật liệu trở nên dễ dàng hơn rất nhiều: nhiệt độ kết khối có thể giảm từ mấy ngàn độ C xuống còn trên dưới một ngàn độ C. Công nghệ nano có thể tạo nên bước nhảy lớn trong ngành công nghệ cấy ghép, đặc biệt là cấy ghép mô cứng, cấy ghép xương.

Tính chất sinh học

Chúng ta đã biết rằng, xương và răng người chứa canxi và photpho. Ngoài ra, những nguyên tố này tồn tại trong tự nhiên dưới dạng flo-apatit Ca₁₀(PO₄)₆F₂, là một trong các hợp chất khoáng có tên chung là “apatit”. Các apatit là các hợp chất bền hoá, có thành phần tương tự như các chất khoáng trong xương. Tuỳ thuộc vào tỷ lệ Ca/P, pH, sự hiện diện của nước, nhiệt độ và độ tinh khiết của sản phẩm mà ta thu được các pha khác nhau. Nói chung, các vật liệu làm từ canxi photphat có khả năng chống lại sự tấn công của vi khuẩn, sự thay đổi pH và điều kiện dung môi. Tuy nhiên, nhóm vật liệu này có tính bền cơ thấp, diện tích bề mặt riêng nhỏ (2-5 m²/g) và liên kết giữa các tinh thể bền chặt. Trong khi đó, các thành phần khoáng trong xương (kích thước nano) có diện tích bề mặt riêng lớn, được phát triển trong môi trường hữu cơ, liên kết giữa các tinh thể lỏng lẻo. Đặc điểm này tạo ra sự khác nhau về khả năng hấp thụ của chúng.

Tên của một số các khoáng quan trọng cùng công thức phân tử và các hệ số của nó được đưa ra trong bảng 1.

Từ bảng 1 chúng ta thấy có rất nhiều các khoáng apatit khác nhau. Tuy nhiên, chúng ta hoàn toàn có thể thay thế các cation và anion trong các khoáng nói trên để tạo thành các khoáng mới tuỳ thuộc vào các điều kiện thế. Nếu thế 100% sẽ tạo thành các đồng phân mới, còn nếu chỉ thế một phần sẽ tạo dung dịch rắn.

Trong các pha canxi photphat thì pha HAp có khả năng phân huỷ chậm nhất nên các tế bào xương có thời gian để hoàn thiện và phát triển. Điều này dẫn đến khả năng ứng dụng trong y học của HAp là nhiều nhất

Các mô canxi hoá trong cơ thể được chia thành 2 nhóm: mô nội và mô ngoại. Xương, hàm răng và chất nám thuộc mô nội còn men răng thuộc mô ngoại. Hai nhóm này có khả năng hoạt động sinh học và hoá học khác nhau cũng như khác nhau về thành phần và cấu trúc của chúng.

Xương là bộ phận quan trọng nhất của cơ thể. Các đặc trưng sinh học và cấu trúc của xương rất đa dạng. Về mặt sinh học, nó hoạt động như một bể chứa canxi đồng thời là nơi sản sinh ra các tế bào máu. Về mặt cấu trúc, xương tạo khung cho cơ thể. HAp đóng vai trò quan trọng về cả mặt sinh học và cấu trúc của xương.

Khi phân tích thành phần xương người, người ta thấy xương gồm có phần vô cơ và hữu cơ. Phần hữu cơ chiếm khoảng 30% trọng lượng cơ thể, được tạo bởi các collagen, các cement và các thành phần tế bào xốp. Collagen là một mạng lưới các màng liên kết nội và một ma trận các tế bào mở rộng của xương nhằm thu hút các khoáng chất phát triển trên bề mặt làm cho xương cứng cáp hơn, trong khi đó cement chứa một vài liên kết nội với protêin. Ngược lại, các tế bào xốp bao gồm các tế bào vô định hình như osteoblast và osteocyt, là những chất liên quan đến việc gãy và lành xương. Phần vô cơ cuả xương gồm có pha tinh thể và pha vô định hình, được tạo thành từ tri-canxi photphat (HAp). Pha vô định hình có nhiều hơn ở thanh niên và bị chuyển hoá một phần thành pha tinh thể theo thời gian. Khoảng 40% trọng lượng xương của thanh niên được tìm thấy là HAp. Pha khoáng trong xương được đặt trong màng collagen có dạng hình kim hoặc hình vảy có chiều dài từ 10-60 nm, rộng khoảng 2-6 nm. Ngoài ra, xương chứa khoảng 20% trọng lượng là nước, có mặt hầu hết trong các mảng hữu cơ và có dưới dạng vết trong tinh thể HAp.

Răng chứa phần ngoài là chân răng, nướu răng (được bao bọc bởi lợi) và đầu răng vừa khít với các hốc của hàm răng. Các mô chính của răng là men răng, hàm răng và chất nám. Chân răng thường bị bao phủ bởi men răng, thường nằm ở mép răng và tồn tại dưới dạng mảng bám trên răng. Chất nám giúp cố định răng trong hốc. Giống như xương, răng được tạo bởi cả phần vô cơ và phần hữu cơ. HAp với các ion như Mg²⁺ và CO₃^2- là các thành phần vô cơ chính. Phần trăm trọng lượng của nó trong men răng, hàm răng và chất nám tương ứng là 95, 75 và 35%.

Không giống như các mô canxi hoá khác có hệ số cân bằng n với chất lưu trong cơ thể, men răng cân bằng với nước bọt và do vậy sẽ tạo ra các chất phòng các bệnh về răng miệng, tránh bị sâu răng do vi khuẩn tấn công.

Răng thường cứng hơn xương là nhờ kích thước của tinh thể HAp tương đối to hơn so với trong xương. Chiều dài, rộng và độ dày trung bình của nó tương ứng là 60, 100 và 35nm. Chủ yếu trong các mô này là các đám  tinh thể HAp dày đặc có dạng hình que hoặc hình lăng trụ. Tuy nhiên, xương, bể chứa khoáng của cơ thể, hoạt động hoá học và sinh học hơn so với men răng, men chỉ nhằm bảo vệ các lớp bên trong của răng.

Thành phần các chất trong xương (% về khối lượng) được thể hiện trong bảng dưới

Các phương pháp tổng hợp HAp

Để điều chế HAp có thể chọn nhiều loại nguyên liệu khác nhau: từ Ca(OH)₂ và H₃PO₄ hay các nguyên liệu khác có Ca²⁺ (ví dụ như CaHPO₄, CaCO₃…)và PO₄^3- (ví dụ như Ca₃(PO₄)₃…) trong môi trường kiềm (OH^–). Có bốn phương pháp thường được dùng để tổng hợp HAp, đó là: phương pháp ướt, phương pháp khô, phương pháp thủy nhiệt, và phương pháp điện hoá

Phương pháp khô

Đây là phương pháp tổng hợp HAp  trên cơ sở thực hiện phản ứng pha rắn. Tromel và cộng sự  đã nghiên cứu điều kiện tốt nhất để hình thành lên trạng thái rắn của HAp đó là phản ứng giữa Ca₃(PO₄)₂ với Ca₄P₂O₉ hoặc giữa Ca₃(PO₄)₂ với CaO. Trong các hỗn hợp trên, các chất được trộn theo tỷ lệ mol Ca/P = 5/3, HAp được tạo thành sau khi nung ở 1050 °C trong vài giờ đồng hồ theo phản ứng sau:

2 Ca₃(PO₄)₂ + Ca₄P₂O₉ + H₂O = Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂

3 Ca₃(PO₄)₂ + CaO + H₂O = Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂

Có nhiều tác giả  cũng đã sử dụng phản ứng pha rắn để điều chế HAp. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là cần thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao, thời gian phản ứng lâu, khó điều chỉnh được chất lượng của sản phẩm.

Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt là phương pháp mà các phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Phương pháp này cho ta sản phẩm có độ tinh khiết và độ kết tinh cao,  và hiện được sử dụng rộng rãi để tổng hợp HAp. Tuy nhiên, điểm bất lợi của phương pháp này là dụng cụ khá phức tạp, để tổng hợp một lương lớn mẫu thì rất khó khăn.

Phương pháp ướt

Đây là phương pháp tổng hợp HAp từ pha lỏng, bao gồm các phương pháp như: kết tủa, đồng kết tủa, sol – gel hay kết tinh từ dung dịch bão hòa. Các phương pháp này cho ta lượng mẫu lớn.

Phương pháp điện hoá

Như chúng ta đã biết, khi thay thế các phần xương bị gãy hoặc hỏng người ta thường sử dụng các kim loại như Ti, thép không gỉ hay các hợp kim của chúng để thay thế. Mặc dù các kim loại này có độ bền và tính cứng cao nhưng chúng nhanh chóng bị ăn mòn theo thời gian và đặc biệt là các mô tế bào không có khả năng phát triển trên các kim loại này. Điều này khiến cho các bệnh nhân luôn cảm thấy đau đớn và khó chịu với “vật thể lạ” này. Vì vậy các nhà khoa học đã nỗ lực tìm kiếm các dạng vật liệu mới để tăng cường sức khoẻ cho con ngưòi. Trong các nghiên cứu của mình, họ thấy rằng HAp dưới dạng màng, khi phủ lên trên các bề mặt kim loại này, các mô tế bào hoàn toàn có khả năng phát triển được và ít bị ăn mòn . Họ đã nghiên cứu các phương pháp khác nhau để tạo màng phủ với sự phân bố HAp đồng đều trên bề mặt kim loại. Phương pháp điện hoá (EPD) là phương pháp thông dụng nhất hay được sử dụng. Ưu điểm của phương pháp này là dễ dàng điều khiển quá trình, có thể tạo được các màng có độ dày mỏng như mong muốn và đặc biệt là màng có khả năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại. Vì vậy, trong công nghệ tạo màng y sinh, EPD là phương pháp tối ưu nhất

• Posted in: Vật liệu Vô cơ - Silicat