Tổng hợp và nghiên cứu hoạt tính sinh học của vật liệu y sinh hydroxyapatite (HA) từ vỏ trứng
Trang 1KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
Giảng viên hướng dẫn:
TS Bùi Xuân Vương
Bình Dương, tháng 4 năm 2014
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình làm việc để hoàn thành đề tài nghiên
cứu khoa học này chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ,
hướng dẫn tận tình của TS Bùi Xuân Vương cũng như các
thầy cô trong bộ môn hóa vô cơ, khoa khoa học tự nhiên
của trường Đại Học Thủ Dầu Một
Qua đây nhóm sinh viên làm đề tài NCKH xin gửi lời
cảm ơn chân thành tới thầy Bùi Xuân Vương, người đã trực
tiếp hướng dẫn nhóm nghiên cứu, rèn luyện cho nhóm cách
thức thực hiện - quản lý công việc trong hoạt động NCKH
Bình Dương, 1/4/2014
Nhóm sinh viên NCKH
Trang 3MỤC LỤC
THUYẾT MINH ĐỀ TÀI……….7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN……… 12
1.1 Vật liệu y sinh……… 12
1.1.1 Khái niệm:……….12
1.1.2 Phân loại:……… 12
1.1.3 Vật liệu y sinh xương nhân tạo Hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 (HA)… 12
1.2 Tính chất lý hóa của vật liệu y sinh HA……… 14
1.3 Sự tương hợp sinh học và hoạt tính sinh học của vật liệu HA……….15
1.4 Ứng dụng……… 15
1.4.1 Ứng dụng của HA dạng bột kích thước nano………15
1.4.2 Ứng dụng của HA dạng màng……… 16
1.4.3 Ứng dụng của HA dạng bột như vật liệu xương nhân tạo……….17
1.4.4 Ứng dụng của HA dạng composit……….17
II CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HYDROXYAPATITE HA……… 17
2.1 Phương pháp kết tủa……….17
2.2 Phương pháp sol-gel……….19
2.3 Phương pháp siêu âm hoá học……… 19
2.4 Phương pháp phun sấy……… 19
2.5 Phương pháp điện hoá……… 20
2.6 Phương pháp thuỷ nhiệt………21
2.7 Phương pháp composit ………21
2.8 Phương pháp phản ứng pha rắn tổng hợp HA……… 23
CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP VẬT LIỆU Y SINH HA TỪ VỎ TRỨNG………… 24
I THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP HA TỪ VỎ TRỨNG……… 24
1.1 Nguyên liệu và hóa chất……… 24
1.2 Dụng cụ và thiết bị .24
Trang 41.3 Quy trình thực nghiệm 24
II THỰC NGHIỆM “ IN VITRO” 29
III PHƯƠNG PHÁP LÝ HÓA ĐÁNH GIÁ VẬT LIỆU 30
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31
I NHIỄU XẠ TIA X PHÂN TÍCH VẬT LIỆU HA TỔNG HỢP TỪ VỎ TRỨNG TRƯỚC VÀ SAU THỰC NGHIỆM ‘‘IN VITRO’’ 31
II ẢNH SEM PHÂN TÍCH VẬT LIỆU HA TỔNG HỢP TỪ VỎ TRỨNG TRƯỚC VÀ SAU THỰC NGHIỆM ‘‘IN VITRO’’ 33
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 37
TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 38
Trang 5
DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1 Một số hình ảnh ứng dụng của vật liệu Hydroxyapatite (HA)……… 13
Hình 1.2 Công thức cấu tạo của phân tử HA……… 14
Hình 1.3 Thuốc bổ sung calcium sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể… 16
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa……… 18
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy……… …… …… .19
Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện hóa……… 20
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý của hệ thiết bị phản ứng thủy nhiệt……… 21
Hình 1.8 Sơ đồ tổng hợp composit HA - CS………22
Hình 2.1 Nung vỏ trứng……… 25
Hình2.2 Dung dịch sau khi cô cạn……… 26
Hình 2.3 Lọc bỏ tạp chất trong dd Ca(NO3)2 26
Hình 2.4 Dung dịch đang khuấy trên máy từ………27
Hình 2.5 Rửa sản phẩm bằng nước cất…… 27
Hình 2.6 Bột HA thu được sau khi nung ở 1000oC……… 28
Hình 2.7 Sơ đồ tổng hợp HA………28
Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA tổng hợp từ vỏ trứng………31
Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HA tổng hợp sau 5 ngày ngâm trong SBF 32
Hình 3.3 Ảnh SEM của HA tổng hợp từ vỏ trứng……… 34 Hình 3.4 Ảnh SEM của HA tổng hợp sau 5 ngày ngâm trong dung dịch SBF….36
Trang 6DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1 Quy trình nung vỏ trứng theo các chế độ nhiệt……….24Bảng 2.2 Nồng độ các ion trong dung dịch SBF (10-3 mol/l)……… 29Bảng 2.3 Hàm lượng các chất trong dung dịch thành phần Ca-SBF và P-SBF….30
UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Trang 7THÔNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
I SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:
Họ và tên: Mai Thị Tuyết
Sinh ngày: 12 tháng 10 năm 1994
Nơi sinh: Quảng Nam
Lớp: D12HH01 Khóa: 2012-2016
Khoa: Khoa Học Tự Nhiên
Địa chỉ liên hệ: Phú Mỹ - TP Thủ Dầu Một- Bình Dương
Điện thoại: 01685751291 Email: maituyet1210@gmail.com
II QUÁ TRÌNH HỌC TẬP (kê khai thành tích của sinh viên từ năm thứ 1 đến năm
Xác nhận của lãnh đạo khoa
(ký, họ và tên) Sinh viên chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài
(ký, họ và tên)
Ảnh 4x6
Trang 8UBND TỈNH BÌNH DƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT
THUYẾT MINH ĐỀ TÀI
SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
(Năm học 2013-2014)
1 Tên đề tài: Tổng hợp và nghiên cứu hoạt tính sinh học vật liệu y sinh
Hydroxyapatite từ vỏ trứng
2 Mã số: (do cán bộ quản lý ghi)
3 Loại hình nghiên cứu: Cơ bản * Ứng dụng Triển khai
5 Thời gian thực hiện: 5 tháng (Từ tháng 11 năm 2013 đến tháng 4 năm 2014).
6 Đơn vị quản lý về chuyên môn:
Khoa: Khoa học tự nhiên Bộ môn: Hóa học
7 Giáo viên hướng dẫn:
Họ và tên: Bùi Xuân Vương Học vị: Tiến Sỹ
Đơn vị công tác (Khoa, Phòng): Khoa khoa học tự nhiên
Địa chỉ nhà riêng: A216 – Ehome1 – Phước long B – Q9 Tp HCM
Di động: 01276517788 E-mail: vuongbx@yahoo.com
8 Nhóm sinh viên thực hiện đề tài:
Sinh viên chịu trách nhiệm chính: (Họ tên, email, điện thoại)
Trang 9Họ tên: Mai Thị Tuyết
9 Tính cấp thiết của đề tài:
Vật liệu y sinh Hydroxyapatite (HA) được sử dụng như một vật liệu cấy ghépxương vì thành phần của nó giống như phần khoáng vô cơ trong xương người Vậtliệu y sinh HA thể hiện tính ưu việt của một vật liệu xương nhân tạo bởi tính tươngthích sinh học của nó đối với cơ thể con người khi cấy ghép (không đào thải) cũngnhư thể hiện hoạt tính sinh học cao (khả năng hình thành lớp khoáng xương mới).Vật liệu y sinh HA là một trong những vật liệu xương nhân tạo mà nước ta vẫnphải nhập ngoại về các cơ sở y tế và các bệnh viện
Các báo cáo khoa học trên thế giới tập trung vào việc tổng hợp vật liệu xươngnhân tạo HA đi từ các tiền chất hóa học tinh khiết Trong đề tài này chúng tôi tiếnhành tổng hợp HA từ nguồn nguyên liệu phế thải là vỏ trứng gà Vỏ trứng gà sẽđược sử lý bằng phương pháp hóa học sau đó tổng hợp phần khoáng HA HA táchđược từ vỏ trứng sẽ được đặc trưng lý hóa để kiểm tra cấu trúc và độ tinh khiết.Sau đó tiến hành thực nghiệm kiểm tra hoạt tính sinh học để đánh giá khả nănghình thành lớp khoáng xương mới trên bề mặt vật liệu sau thực nghiệm ‘‘in vitro’’.Chúng tôi hy vọng HA tổng hợp từ vỏ trứng có thể sử dụng như một vật liệuxương nhân tạo trong phẫu thuật cấy ghép xương
Trang 1010 Mục tiêu đề tài:
- Phân tách HA từ vỏ trứng
- Kiểm tra vật liệu bằng các phương pháp lý hóa
- Thực nghiệm ‘‘in vitro’’ đánh giá hoạt tính sinh học của vật liệu tổng hợp
11 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: Đối tượng: Vỏ trứng xử lý bằng hóa chất để phân tách HA
Phạm vi nghiên cứu: Tổng hợp vật liệu trong PTN, thực nghiệm đánh giá hoạt
tính sinh học của vật liệu ‘‘in vitro’’
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu, phân tích và đánh giá tài liệu
- Xây dựng phác đồ thực nghiệm
- Tiến hành thực nghiệm
- Thực nghiệm ‘‘in vitro’’
12 Nội dung nghiên cứu và tiến độ thực hiện:
12.1 Nội dung nghiên cứu (trình bày dưới dạng đề cương nghiên cứu chi tiết)
- Phân tách HA từ vỏ trứng
- Đặc trưng cấu trúc HA bằng các phương pháp lý hoá như: XRD và SEM
- Thực nghiệm ‘‘in vitro’’ ngâm vật liệu trong dung dịch mô phỏng dịch thểngười SBF (Simulated Body Fluid)
- Đặc trưng lý hoá vật liệu sau thực nghiệm ‘‘in vitro’’ để đánh giá hoạt tínhsinh học của vật liệu qua khả năng hình thành khoáng xương mới sau ngâmcũng như đánh giá tính tương thích sinh học của vật liệu
12.2 Tiến độ thực hiện: 5 tháng
13 Sản phẩm và khả năng ứng dụng:
- Báo cáo tổng kết đề tài
- 01 bài báo gửi đăng ở tạp chí chuyên nghành sau khi kết thúc đề tài
- Vật liệu y sinh tổng hợp được có thể chuyển giao cho các bệnh viện để làm
Trang 11các thực nghiệm tiếp theo.
14 Kinh phí thực hiện đề tài: (theo quy định của trường).
Ngày …… tháng …… năm 201… Ngày …… tháng …… năm 201…
(Ký, ghi rõ họ tên ) chịu trách nhiệm chính
Trang 121.1.2 Phân loại:
Dựa vào tương tác giữa vật liệu và môi trường cơ thể, người ta chia vật liệu ysinh ra 2 loại chính là vật liệu hoạt tính sinh học và vật liệu trơ sinh học [2] Vậtliệu hoạt tính sinh học là loại vật liệu khi cấy ghép trong cơ thể con người sẽ xảy racác tương tác hóa học giữa vật liệu với môi trường sống Vật liệu trơ sinh học làvật liệu khi đưa vào cơ thể con người chúng không có bất cứ một tương tác hóahọc nào với môi trường sống
1.1.3 Vật liệu y sinh xương nhân tạo Hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (HA)
Có rất nhiều loại vật liệu y sinh khác nhau, riêng nhóm vật liệu y sinh sử dụngnhư vật liệu xương nhân tạo có thể kể đến như: các vật liệu calcium phosphate(tricalcium phosphate Ca3(PO4)3; hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 hay biphasiccalcium phosphate), các vật liệu thủy tinh hoạt tính sinh học (CaO - SiO2 - Na2O -
P2O5 ), các xi măng y sinh, các kim loại trơ như Ti, Ni…Trong đó Hydroxyapatite(HA) là một trong những vật liệu đa năng được sử dụng với mục đích cấy ghépxương do nó giống với thành phần khoáng vô cơ trong xương của cơ thể conngười
Trang 13Hiện nay HA đã và đang được nghiên cứu và phát triển vì những tính chất quantrọng của nó như có hoạt tính sinh học và độ tương thích sinh học cao với các tếbào và các mô, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xươngnhanh mà không bị cơ thể đào thải Sự ra đời của vật liệu y sinh HA và hiệu quảcủa nó trong y học nói chung và ngành phẫu thuật chỉnh hình nói riêng, được ghinhận như là một thành tựu lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu.
Hình 1.1 Một số hình ảnh ứng dụng của vật liệu Hydroxyapatite (HA)
Trang 141.2 Tính chất lý hóa của vật liệu y sinh HA [3-7]
Về tính chất vật lý, HA có công thức phân tử đầy đủ là Ca10(PO4)6(OH)2 hoặc có thể viết rút gọn dưới dạng Ca5(PO4)3OH, khối lượng mol phân tử là 1004,60 (g/pt), khối lượng riêng 3,156 (g/cm3) HA nóng chảy tại nhiệt độ 1760 (oC) và sôi ở 2850(oC) Độ cứng theo thang Mohs bằng 5
Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện ở hình dưới đây, có thể nhậnthấy phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca - O là liên kết cộng hoátrị Hai nhóm OH- được gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch:
Hình 1.2 Công thức cấu tạo của phân tử HA
Về mặt hoá học, HA có một số tính chất như: Có khả năng kết hợp với cấu trúcxương và tác động tốt đến sự phát triển bên trong của xương mà không làm đứt gãyhay phân hủy xương HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạothành các muối của calcium và nước:
HA không bền nhiệt, dễ bị phân hủy trong khoảng nhiệt độ 800 ÷ 1200°C Tuỳtheo tỷ lệ cấu tạo của HA, tạo thành oxyapatit theo phản ứng:
Trang 15Ngoài ra HA có thể bị phân hủy thành các chất khác trong nhóm calciumphosphate tùy theo từng điều kiện Ví dụ: HA có thể tạo thành β-TCP hay tetracalcium phosphate theo các phương trình phản ứng dưới đây:
1.3 Sự tương hợp sinh học và hoạt tính sinh học của vật liệu HA
Vật liệu HA có tính tương thích sinh học cao với cơ thể con người vì tỷ lệ Ca/Ptrong phân tử HA đúng như tỷ lệ của Ca/P trong xương và răng của người Ở dạngbột mịn kích thước nano, HA là dạng calcium phosphate dễ được cơ thể hấp thụnhất Ở dạng màng và dạng xốp, HA có thành phần hoá học và các đặc tính giốngxương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễdàng xâm nhập [5]
Hoạt tính sinh học của HA thể hiện ở chỗ sau khi cấy ghép, chúng sẽ tan ra dotương tác với môi trường cơ thể, sau đó các ion Ca2+, PO43- và OH- trong môitrường sẽ kết tủa trên bề mặt vật liệu để hình thành một lớp khoáng HA mới làmcầu nối cho sự gắn kết miếng ghép xương và xương tự nhiên [8-9]
1.4 Ứng dụng vật liệu y sinh HA
Vật liệu HA có nhiều ứng dụng trong y học, phẫu thuật chỉnh hình, làm răng giả,cấy ghép xương, làm chất dẫn thuốc…
1.4.1 Ứng dụng của HA dạng bột kích thước nano
Do lượng calcium hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên rấtcần bổ sung calcium cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi Calcium cótrong thức ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hoà tan nên khả năng hấpthụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăngcường việc hấp thụ và chuyển hoá calcium thành HA Có thể bổ sung calcium cho
Trang 16cơ thể người bằng cách dùng thức ăn, thuốc tiêm hoặc truyền huyết thanh… Mộtphương pháp hữu hiệu là sử dụng HA ở dạng bột mịn, kích thước nano để bổ sungcalcium Với kích thước cỡ 20 - 100nm, HA được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể màkhông cần phải chuyển hoá thêm [10].
Hình 1.3 Thuốc bổ sung calcium sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể
Trang 17pháp điện hoá nói chung và phương pháp điện di (EPD) Lớp màng n-HA có độbám dính cao với vật liệu nền và rất bền theo thời gian [11-12].
1.4.3 Ứng dụng của HA dạng bột như vật liệu xương nhân tạo
Như đã trình bày ở trên, vật liệu ceramic HA có tính tương thích và hoạt tínhsinh học cao Nhờ có khả năng đặc biệt này HA được ứng dụng đặc biệt rộng rãitrong y sinh học cấy ghép xương như: chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyếttật của răng như tram răng, chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữanhững khuyết tật của xương [13]
1.4.4 Ứng dụng của HA dạng composit
Bản chất của gốm xốp và màng HA là có độ bền cơ học thấp Một giải pháp đểtăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp ceramic composit bằng cách phân tán HAbột vào các polyme phân hủy sinh học như collagen, chitosan, xenlulo, đườngsacaro… Vật liệu ở dạng này được sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xương chấtlượng cao, làm kẹp nối xương hoặc có thể làm chất truyền dẫn thuốc Việc sử dụngcác polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chitiết dễ dàng hơn Mặt khác, các polyme này còn có khả năng liên kết với các tế bàosinh học thông qua các nhóm chức OH, NH2, CH3COOH…của mình Đây cũng là
ưu điểm vượt trội của vật liệu composit chứa HA [14]
1.2 Các phương pháp tổng hợp Hydroxyapatite HA
1.2.1 Phương pháp kết tủa
Đây là phương pháp chế tạo HA ở dạng bột hoặc dạng màng từ dung dịch chứacác tiền chất ban đầu khác nhau như: Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4, (NH4)3PO4, NH4OH,
, … Ưu điểm của phương pháp kết tủa là có thể điều chỉnh được
kích thước của hạt HA theo mong muốn [15-16]
Trang 18Nguyên lý của quá trình tổng hợp HA này là sự kết tủa các ion và
trong các muối dễ tan trong nước theo một trong các phản ứng hóa học sau:
Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa được thể hiện qua hình 1.4
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa
Trang 191.2.2 Phương pháp sol-gel
Có thể tổng hợp HA theo phương pháp sol – gel bằng cách: Hoà tan các hợp
, được chuẩn bị theo tỷ lệ nhất định vào nước cất Khuấy và gia
nhiệt dung dịch này đến nhiệt độ 60 – 700C trong khoảng 3 – 4 giờ, gel có chứahợp chất HA sẽ được tạo thành Sau đó, sấy gel ở nhiệt độ khoảng 1200C trongvòng 24 giờ và nung ở nhiệt độ 750 – 9000C khoảng 1 giờ HA bột nhận được cókích thước trung bình khoảng 20nm, độ tinh thể khoảng 97% [17-18]
1.2.3 Phương pháp siêu âm hoá học
Để chế tạo HA bột có kích thước siêu mịn, có thể tiến hành phản ứng hoá họctrong môi trường sóng có cường độ lớn như vi sóng hay sóng siêu âm Phươngpháp kết tủa tổng hợp HA có sự trợ giúp của sóng siêu âm có thể tổng hợp đượcvật liệu HA có kích thước nanomet [19]
1.2.4 Phương pháp phun sấy
Trang 20Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp phun sấy
Nguyên lý của phương pháp này là sử dụng dung dịch chứa các ion và
(tỷ lệ Ca/P = 1,67) 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 HAxảy 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 làphương pháp hiện đại chế tạo bột HA năng suất cao, phù hợp với quy mô sản xuấtvừa và lớn [20]
1.2.5 Phương pháp điện hoá
Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điện hóa
Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng các thanh kim loại hoặc hợp kim làmđiện cực catot hay anot Các điện cực này được nhúng vào bể điện phân với chất
điện giải là dung dịch bão hoà các ion và theo tỷ lệ Ca/P = 1,67 ở pH =
