- Cá ngừ, nano-hydroxyapatite, tương thích sinh học, xương cá Keywords:. - Trong bài báo này, ảnh hưởng của điều kiện thủy nhiệt và nung đến cấu trúc của nano-hydroxyapatite được tổng hợp từ xương cá ngừ bằng phương pháp thủy nhiệt đã được nghiên cứu. - Các điều kiện thích hợp để tổng hợp nano-hydroxyapatite đã được xác định cụ thể thủy nhiệt ở 120°C trong 7 giờ và nung ở 800°C trong 1 giờ. - Tỷ lệ mole của Ca/P trong nano-hydroxyapatite được tổng hợp là 1,67 bằng tỉ lệ xác định theo lý thuyết trong hydroxyapatite.. - làm chất độn (Nunes et al., 1997), sửa chữa xương và tái tạo mô xương (Heise et al., 1990) hoặc chất mang thuốc để chữa trị thoái hóa xương (Bagambisa et al., 1993) trong y sinh. - làm xúc tác, vật liệu trao đổi ion, cảm biến, gốm sứ sinh học trong công nghiệp và trong xử lý môi trường (Favier et al., 2001). - HA được trích xuất từ các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp từ các hóa chất. - So với các HA có nguồn gốc tự nhiên, HA tổng hợp từ các hóa chất thì phức tạp và không an toàn về mặt sinh học (không thể sử dụng làm vật liệu y sinh) (Panda et al., 2014). - Do đó, các nhà nghiên cứu đã lựa chọn những nguồn tự nhiên để tổng hợp HA như xương cá (Chakraborty &. - RoyChowdhury, 2013), xương bò (Luna Zaragoza et al., 2009), răng và xương heo (Lü et al., 2007). - Lü et al., 2007. - Luna Zaragoza et al., 2009. - Panda et al., 2014). - Tổng hợp HA từ những nguồn phế thải này không chỉ đạt hiệu quả về kinh tế mà còn thân thiện với môi trường.. - Theo nhận định của Gumisiriza et al. - (Gumisiriza et al., 2009), thành phần chất thải rắn (xương) chiếm 30 – 40% trong tổng lượng chất thải ra từ quá trình chế biến cá. - Trong những năm gần đây, HA được tổng hợp từ xương và vảy cá nhằm thay thế cho HA tổng hợp vì các tính chất hóa học tương tự đạt được và phương pháp tổng hợp đơn giản, rẻ tiền. - HA đã được chứng minh rằng nguồn nguyên liệu từ cá an toàn và dồi dào (Hoyer et al., 2012. - Venkatesan et al., 2012). - HA được tổng hợp có tỷ lệ Ca/P gần giống tỷ lệ Ca/P trong xương và răng của con người (chiếm đến 97% trong răng và 70% trong xương) nên nó được đánh giá có tính tương thích sinh học cao. - Đến nay, nhiều loài cá đã được sử dụng để chế tạo HA, như cá hồi (Hoyer et al., 2012), cá chép, cá cơm nhật bản, cá ngừ (Chaves et al., 2012), cá thu, cá thằn lằn, cá chình và cá dẹt (Hamada et al., 1995), cá mòi (Chaves et al., 2012. - Hasan et al., 2020). - cá lóc (Hariani et al., 2020. - Nhìn chung, các quá trình tổng hợp hydroxylapatite từ phụ phẩm xương cá hiện nay đều trải qua các công đoạn xử lý nguyên liệu ban đầu như nấu chín và nung nhằm tách hết thịt và mô còn. - Gần đây, nghiên cứu thủy phân xương cá ngừ bằng enzyme ở nhiệt độ thấp (45 o C) thu nhận sản phẩm có giá trị protein được thực hiện bởi nhóm chúng tôi (2020). - Bã rắn thải ra từ quá trình thủy phân rất có tiềm năng cho việc tổng hợp HA. - Nguyên liệu để tổng hợp HA là nguồn bã thải rắn giàu canxi này sẽ tạo tác động kép vừa tiết kiệm kiệm được chi phí năng lượng vừa tạo HA độ kết tinh và độ tinh sạch cao. - Do vậy, trong nghiên cứu này, bã rắn thải ra từ quá trình thủy phân enzyme thu nhận protein sẽ được tiến hành nghiên cứu tổng hợp nano- hydroxyapatite bằng phương pháp thủy nhiệt và để đánh giá tiềm năng ứng dụng của trong thực tiễn, sản phẩm HA thu được bằng quy trình tốt nhất sẽ được xác định các tính chất lý hóa đặc trưng cũng như khả năng tương thích sinh học của nó.. - Tổng hợp nano canxi hydroxyapatite Nguyên liệu: Bã rắn của xương cá ngừ thu hồi từ quá trình thủy phân enzyme alcalase với nồng độ enzyme 2,3 %kl, thời gian thủy phân 7 giờ ở nhiệt độ 45°C. - Quy trình tổng hợp:. - Cuối cùng, lấy mẫu đem phân tích XRF để xác định thành phần các nguyên tố của xương trước khi làm tiền chất tổng hợp HA.. - Cân 1 g xương cá khô đã được nghiền mịn cho vào beaker 250 mL, thêm vào 50 mL nước cất rồi khuấy ở nhiệt độ phòng với tốc độ khuấy 300 vòng/phút trong thời gian 30 phút. - Dựa vào kết quả phân tích thành phần (XRF) các nguyên tố trong các loại xương ban đầu, lượng dung dịch H 3 PO 4 nồng độ 1% bổ sung vào đối với quá trình tổng hợp HA là 14 mL. - giữ ở nhiệt độ phòng và thời gian phản ứng là 2 giờ tính từ khi nhỏ giọt H 3 PO 4 cuối cùng. - Nhiệt độ ủ (T h ) và thời gian ủ (t h ) được tiến hành khảo sát, từ đó chọn điều kiện ủ phù hợp thông qua kết quả đánh giá thành phần pha và kích thước tinh thể HA thu được.. - Sau khi ủ nhiệt, gạn lấy phần rắn đem rửa bằng nước cất và ly tâm với tốc độ 5.000 vòng/phút, thời gian mỗi lần ly tâm là 15 phút. - Sau ly tâm, mẫu rắn được đem sấy khô ở nhiệt độ 80 o C trong thời gian 12 giờ. - Nhiệt độ nung (T c ) và thời gian nung (t c ) được tiến hành khảo sát, từ đó chọn điều kiện nung phù hợp thông qua kết quả đánh giá thành phần pha và kích thước tinh thể HA thu được.. - Trạng thái pha của mẫu sau khi tổng hợp được xác định thông qua nhiễu xạ tia X (XRD). - Mẫu đo được nghiền thành dạng bột mịn, tạo thành bề mặt phẳng có bề dày khoảng 100 Å, sau đó tiến hành đo ở nhiệt độ phòng.. - Diện tích bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp và phân bố đường kính lỗ xốp của các mẫu được xác định bằng phương pháp hấp phụ N 2 (BET) trên thiết bị BET NOVA 2200 E (số liệu được xử lý bằng phần mềm Quantan Chrome). - Mẫu trước khi đo được xử lý trong dòng khí N ở nhiệt độ 200 o C trong thời gian 2 giờ. - Các mẫu HA sau khi tổng hợp được đánh giá khả năng tương thích sinh học theo phương pháp của Kokubo et al. - Các mẫu được ngâm trong dung dịch mô phỏng dịch thể người (SBF-Simulated Body Fluid, có thành phần các ion tương tự như máu trong cơ thể con người) và được đánh giá sự thay đổi các tính chất lý hóa theo thời gian ngâm.. - Lấy các mẫu HA được tổng hợp trong điều kiện tốt nhất sau khi đã được phân tích thành phần, cấu trúc, hình thái và cấu trúc bề mặt, ngâm trong dung dịch SBF đã pha như trên. - Tiến hành khảo sát với tỷ lệ ngâm 250 mg HA/500 mL dung dịch SBF trong thời gian ngâm lần lượt là 3 ngày, 7 ngày, 14 ngày và 21 ngày. - Sau từng khoảng thời gian ngâm, mẫu bột vật liệu được tách ra và rửa với nước cất 3 lần để loại bỏ các ion dư thừa sau đó rửa lại với cồn nguyên chất để loại bỏ hoàn toàn các ion tự do. - Các mẫu HA sau khi ngâm trong môi trường SBF được đem đi phân tích lại các tính chất lý hóa và so sánh với mẫu trước thử nghiệm với mục đích đánh giá khả năng tương thích sinh học của vật liệu HA.. - Tổng hợp HA. - Nhiễu xạ tia X của các mẫu HA được tổng hợp ở các thời gian thủy nhiệt nhiệt khác nhau được thể hiện trên Hình 1. - So sánh với nhiễu xạ tia X của HA chuẩn (JCPDS 09-0432), cả 3 mẫu được ủ trong khoảng thời gian từ 6, 7 và 8 giờ đều thể hiện được gần như toàn bộ các đỉnh đặc trưng của HA, đặc biệt là đỉnh có cường độ cao nhất tại 2θ = 31,4 o . - Tuy nhiên, mẫu tổng hợp với thời gian thủy nhiệt 6 giờ có các đỉnh thể hiện độ sắc nét và tách ra không rõ so với 2 mẫu tổng hợp ở thời gian 7 giờ và 8 giờ, có thể ở thời gian 6 giờ mẫu có độ kết tính chưa cao.. - Mặt khác, mẫu tổng hợp với thời gian 8 giờ có sự xuất hiện của đỉnh lạ tại 2θ = 34,6 o đặc trưng cho thành phần pha β−TCP (JCDPS 09−0169). - Kết hợp với kích thước tinh thể trung bình của các mẫu HA thu được khi thời gian thủy nhiệt 6, 7 và 8 giờ lần lượt. - 31,5, 37,4 và 37,6 nm, chọn thời gian ủ nhiệt phù hợp để tổng hợp HA là 7 giờ.. - Nhiễu xạ tia X của các mẫu HA được tổng hợp với thời gian ủ (t h ) khác nhau (T h = 120 o C, T c = 800 o C và t c = 1 giờ). - Nhiễu xạ tia X của các mẫu HA được tổng hợp ở nhiệt độ thủy nhiệt khác nhau trong cùng một thời gian thủy nhiệt 7 giờ được thể hiện trên Hình 2. - Mặt khác, khi thay đổi nhiệt độ thủy nhiệt, kích thước tinh thể gần như không thay đổi nm). - Điều này chứng tỏ kích thước tinh thể HA thu được ít phụ thuộc vào nhiệt độ thủy nhiệt. - Điều kiện này được sử dụng để tiến hành các khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến quá trình tổng hợp HA.. - Nhiễu xạ tia X của các mẫu HA được tổng hợp ở nhiệt độ ủ (T h ) khác nhau (t h = 7 giờ, T c = 800oC và t c = 1 giờ). - Nhiễu xạ tia X của các mẫu HA nung ở nhiệt độ khác nhau trong cùng thời gian nung 1 giờ (Hình 3) cho thấy so với 2 mẫu nung ở nhiệt độ 800 và 850 o C, hai mẫu nung ở nhiệt độ 700 và 750 o C các đỉnh đặc trưng cho thành phần pha HA xuất hiện chưa sắc nét và tách rõ ràng ở vùng 2q = 30 – 35 o , có thể do nung ở 2 nhiệt độ này chưa loại được hết các chất có trên bề mặt HA. - Điều này chứng tỏ độ tinh khiết của sẽ HA tăng khi tăng nhiệt độ nung. - Trong khi mẫu nung ở nhiệt độ 850 o C các đỉnh xuất hiện rõ, tách rõ ràng nhưng lại xuất hiện các đỉnh có cường độ yếu tại 2θ = 31,1 o và 2θ. - Mẫu nung 800 o C thể hiện các đỉnh đặc trưng rõ ràng trùng với phổ HA chuẩn và tách tốt, đồng thời không xuất hiện các đỉnh lạ, điều này chứng tỏ mẫu HA kết tinh tốt, đơn pha và có độ độ tinh khiết cao. - Kích thước trung bình tinh thể của HA của các mẫu nung ở nhiệt độ và 850 o C lần lượt là và 52,2 nm. - Từ những kết quả trên, chọn nhiệt độ nung phù hợp là 800 o C.. - Nhiễu xạ tia X của các mẫu HA tổng hợp ở điều kiện ủ nhiệt phù hợp được nung ở nhiệt độ khác nhau (T h = 120 o C, t h = 7 giờ, t c = 1. - Nhiễu xạ tia X của các mẫu HA nung ở nhiệt độ 800 o C trong các khoảng thời gian khác nhau (Hình 4) cho thấy so với mẫu nung 1 giờ, hai mẫu nung 0,5 và 1,5 giờ bên cạnh xuất hiện các đỉnh đặc trưng cho thành phần pha HA, nhiễu xạ tia X của 2 mẫu này còn xuất hiện các đỉnh đặc trưng cho pha tạp β−TCP tại 2θ = 31,1 o và 2θ = 34,4 o (JCDPS 09−0169) nhưng với cường độ yếu. - Xét kích thước tinh thể trung bình cho thấy thời gian nung càng dài thì kích thước tinh thể HA càng tăng nhưng tăng cũng không nhiều kích thước tinh thể các mẫu đều đạt <50 nm, cụ thể các mẫu HA nung trong khoảng thời gian 0,5,. - Dựa vào tiêu chí chọn mẫu HA sau tổng hợp là đơn pha, thời gian nung phù hợp được lựa chọn là 1 giờ. - Từ kết quả khảo sát ảnh hưởng các yếu tố của quá trình quá trình thủy nhiệt và nung đến thành phần pha cũng như kích thước tinh thể của sản phẩm HA, quy trình tổng hợp HA từ xương cá ngừ phù hợp nhất đã được đề xuất với các thông số như sau: nhiệt độ thủy nhiệt: 120 o C. - thời gian thủy nhiệt: 7 giờ. - nhiệt độ nung: 800 o C. - thời gian nung: 1 giờ.. - Nhiễu xạ tia X của các mẫu HA tổng hợp được khi nung với thời gian nung khác nhau (T h = 120 o C, t h = 7 giờ, T c = 800 o C). - Thành phần một số nguyên tố trong xương cá ngừ thô và sản phẩm HA được tổng hợp trong điều kiện tốt nhất được thể hiện trong Bảng 1.. - Thành phần nguyên tố có trong xương cá ngừ thô và sản phẩm HA thu được Nguyên tố Xương thô. - Ngoài ra, thành phần HA tổng hợp từ xương cá ngừ còn chứa lượng nhỏ các nguyên tố như Mg, Na, Zn, Sr,… có vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hóa và tái tạo tế bào. - Mặt khác, Sr liên quan đến việc giảm tái hấp thu xương và tăng sự hình thành xương có tác dụng ngăn ngừa nguy cơ gãy xương (Boutinguiza et al., 2012).. - Nhiễu xạ tia X của mẫu HA tổng hợp từ xương cá ngừ theo quy trình tốt nhất so với với phổ chuẩn HA (JCPDS 09-0432) ở Hình 5a cho thấy phổ XRD của mẫu HA thể hiện các đỉnh đặc trưng của HA và không tồn tại đỉnh nào của pha khác. - Kích thước tinh thể trung bình xác định được là 37,4 nm, đạt xấp xỉ kích thước HA thu được từ xương cá lóc (Hariani et al., 2020) và nhỏ hơn nhiều so với HA được điều chế từ xương cá và vỏ trai bằng phương pháp vi sóng (Irfan et al., 2021). - Phổ FI-IR của mẫu HA (Hình 5b) cũng thể hiện các dao động đặc trưng của nhóm PO 4 3− tại các bước sóng 1092 cm -1 . - từ không khí trong suốt quá trình tổng hợp). - Ngoài ra, phổ FT-IR của mẫu HA có xuất hiện đỉnh tại 1641 cm -1 đặc trưng cho nước hấp phụ trên bề mặt.. - Sự có mặt đầy đủ của các nhóm chức cũng như không xuất hiện các nhóm chức lạ khác và cùng kết hợp với phổ XRD có thể kết luận HA đơn pha và có độ tinh sạch cao (Fathi et al., 2008). - Quan sát hình ảnh SEM (Hình 5c) cho thấy mẫu HA tồn tại các hạt có kích thước khá đồng đều kết nối đan xen nhau tạo ra những khe hở, độ xốp cho vật liệu và có thể nhận ra kích thước hạt của mẫu HA được tổng hợp ở điều kiện tốt nhất trong khoảng 30 - 100 nm. - Ảnh HRTEM của mẫu HA (Hình 5d) cũng cho thấy các hạt kết nối với nhau thành cụm. - Mẫu HA xuất hiện ba mặt tinh thể đặc trưng và (300) với dspacing tương ứng là 0,38. - Phân tích BET mẫu HA tổng hợp từ xương cá ngừ trong điều kiện tốt nhất (Hình 5e và f) cho kết quả diện tích bề mặt riêng là 15,8 m 2 /g, đường kính lỗ xốp là 23,0 Å và thể tích lỗ xốp là 0,018 cm 3 /g. - Đường hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt N 2 cho thấy mẫu HA tổng hợp được thuộc loại vật liệu loại II, đặc trưng cho vật liệu có cấu trúc không xốp (Miyauchi et al., 2019).. - Các tính chất đặc trưng của HA từ xương cá ngừ 3.3. - Kết quả đánh giá khả năng tương thích sinh học của mẫu HA thông qua việc đánh giá sự thay đổi các. - Nhiễu xạ tia X của mẫu HA ban đầu (a) và các mẫu HA ngâm trong dung dịch SBF 3 ngày (b), 7 ngày (c). - Phổ FT-IR của mẫu HA ban đầu (a) và các mẫu HA ngâm trong dung dịch SBF 3 ngày (b), 7 ngày (c). - Các kết quả thu được cho thấy theo thời gian ngâm, nhiễu xạ tia X và phổ FT-IR vẫn còn thể hiện sự hiện diện đầy đủ các đỉnh đặc trưng của HA. - Từ những kết quả này cho thấy mẫu HA cũng có tính tương thích sinh học cao.. - đường kính lỗ (d pore ) và thể tích lỗ xốp (V pore ) của các mẫu HA ban đầu và sau khi ngâm 3, 7, 14 và 21 ngày trong dung dịch SBF. - HA được tổng hợp thành công từ chất thải xương cá ngừ bằng phương pháp phương pháp thủy nhiệt đơn giản, dễ thực hiện. - Kết quả đạt được ở nghiên cứu này đã đề xuất một giải pháp hữu ích để tổng hợp hydroxyapatite có nguồn gốc từ xương cá không qua bước tiền xử lý nung nguyên liệu thô ban đầu, thông qua kết hợp với công đoạn thủy phân enzyme tạo ra