báo cáo polyme phân hủy sinh học PLAHAP

Để nâng cao tính tương đồng sinh học giữa các mô của cơ thể người với bề mặt vậtliệu và đáp ứng các yêu cầu cơ bản của vật liệu sử dụng trong lĩnh vực cấy ghép xương,nhiều công trình đã

MỞ ĐẦU

Hiện nay, nghành phẫu thuật chấn thương và chỉnh hình có nhiều loại vật liệu khácnhau được dùng làm nẹp vít cố định xương trong quá trình thay thế và hàn gắn xươngnhư: Thép không gỉ 316L, hợp kim của Coban (CoNiCrMo), titan kim loại và hợp chấtcủa titan (Ti6A14V, TiN, TiO2) Những vật liệu này nhìn chung có độ bền cơ lý hóa vàkhả năng tương thích cao với môi trường dịch cơ thể người Tuy nhiên trong một sốtrường hợp cấy ghép cụ thể những vật liệu bằng kim loại hoặc hợp kim vẫn ít nhiều bị ănmòn dẫn đến các phản ứng đào thải làm giảm tuổi thọ của vật liệu và gây ra những khóchịu nhất định cho bệnh nhân

Để nâng cao tính tương đồng sinh học giữa các mô của cơ thể người với bề mặt vậtliệu và đáp ứng các yêu cầu cơ bản của vật liệu sử dụng trong lĩnh vực cấy ghép xương,nhiều công trình đã nghiên cứu tổng hợp các composit của nano HAp trên nền các polimephân hủy sinh học nhằm tạo ra các sản phẩm y sinh có chất lượng và phù hợp với nhu cầucon người

PLA là một polyme nhiệt dẻo đa năng nên được ứng dụng ngày càng nhiều trong cáclĩnh vực kỹ thuật nhờ có độ cứng lớn, có khả năng tương hợp sinh học và phân hủy sinhhọc Do độ bền kéo khá cao và tỷ trọng khá nhẹ so với kim loại nên PLA được dùng làm

vỏ bọc của viên thuốc, nẹp đỡ trong phẫu thuật chỉnh hình, chỉ khâu vết thương…trong y

tế Sau thời gian sử dụng nhất định trong cơ thể con người, chúng phân hủy mà không gâyđộc hại trong cơ thể [28]

Tuy nhiên một số nhược điểm như giòn, độ dãn dài khi đứt thấp, dễ bị thủy phân,quy trình điều chế phức tạp và giá thành cao đã hạn chế khả năng sử dụng của nó Đểkhắc phục được các nhược điểm này, PLA đã được trộn hợp với các polyme khác hay vớicác chất độn bằng nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra các polyme blend và compozit

có tính chất như mong muốn, đáp ứng yêu cầu sử dụng [1]

Hydroxyapatit (HAp) có công thức hóa học là Ca10(PO4)6(OH)2 Trong tự nhiên HAptồn tại ở dạng khoáng chất, thuộc họ apatit và là khoáng chất chính trong khung xương,

răng của người và động vật HAp có nhiều ứng dụng trong y sinh học do đặc tính quý giácủa chúng: Có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao với các tế bào, các mô, không bị

cơ thể đào thải [35] Tuy nhiên, nhược điểm của HAp là có độ bền cơ học thấp Để khắcphục nhược điểm và tận dụng ưu điểm của HAp, các nghiên cứu đã chế tạo một tổ hợpcompozit bằng cách phân tán bột HAp vào các polyme sinh học như collagen, chitosan,xenluloza, PLA…trong đó PLA là một polyme được lựa chọn bởi những ưu điểm vốn cócủa nó

Vật liệu nanocompozit PLA/HAp đã được tổng hợp và nghiên cứu tính chất ở ngoàinước[24] Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu sử dụng các chất phụ gia như chấthóa dẻo, chất tương hợp để tăng cường tuơng tác và phân tán nano HAp vào PLA, nângcao tính chất cơ lý nhằm đáp ứng được yêu cầu của vật liệu trong lĩnh vực cấy ghépxương

Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HAp bao gồm các ion Ca2+, PO43- và OH-.

Ô mạng này có dạng hình lục phương (hecxagonal), thuộc nhóm không gian P63/mvới các hằng số mạng a = 0,9417 nm, b = 0,9417 nm, c = 0,6875 nm, α = β = 90o và

γ = 120o Đây là cấu trúc thường gặp của HAp nhân tạo và HAp tự nhiên trong xương và răng

Hình 1.1 Cấu trúc của HAp

Tuỳ theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp siêu âm hoá học ) cũng như các điều kiện khác nhau trong quá trình tổng hợp (như thay đổi nhiệt độ phản ứng, pH, tốc độ nạp liệu, thời gian già hoá sản phẩm ) mà các tinh thể HAp tồn tại ở các hình dạng khác nhau như hình que, hình kim, hình sợi, hình vảy, hình trụ hoặc hình cầu [30] Các dạng tồn tại của tinh thể HAp có thể nhận biết và nghiên cứu bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét EM Hình 1.2) [4].

a) Hình vảy b) Hình cầu c) Hình sợi

Hình 1.2 Một số hình dạng khác nhau của HAp

1.1.2. Tính chất hóa học

Công thức cấu tạo của phân tử HAp được thể hiện như trong hình 1.3, có thể nhận thấy phân tử HAp có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca-O là liên kết cộng hoá trị Hai nhóm -OH được gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch.

Hình 1.3 Công thức cấu tạo của phân tử HAp [25]

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

- HAp không phản ứng với kiềm, phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước:

Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl → 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1.1)

- HAp tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800oC đến

Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10-x(PO4)6(OH)2-4xOx + 2xH2O + xCaO ( 1.2)

- Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HAp bị phân huỷ thành các chất khác trong nhóm canxi photphat tuỳ theo điều kiện Ví dụ tạo thành β-Ca3(PO4)2 hay tetra canxi photphat Ca4P2O9 như các phương trình sau:

Ca10(PO4)6(OH)2 → 2β-Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + 2H2O (1.3)

Ca10(PO4)6(OH)2 → 3β-Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (1.4)

- Không có tính bền cơ lý đủ để thay thế, cấy ghép hoàn toàn cho những vùng xương 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 do khi nung dễ bị phân huỷ biến đổi thành phần Nguyên nhân là do HAp bị phân huỷ 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 khoảng

1000oC

Khi HAp ở kích thước nano, mật độ tiếp xúc bề mặt sinh học tăng và phù hợp với các kích thước của 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.

1.1.3. Tính chất sinh học

Canxi và photpho là những nguyên tố tồn tại trong xương và răng, chúng cũng 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 khoáng trong xương Tuỳ thuộc tỉ lệ Ca/P, pH, sự hiện diện của nước, nhiệt độ, độ tinh khiết của sản phẩm mà ta thu được các pha khác nhau [10] 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 - 5m2/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 [6, 21].

Hợp chất HAp tương đối bền với dịch men tiêu hóa, ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày Ở dạng bột mịn kích thước nano, HAp được cơ thể hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản Vì vậy, bột HAp kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao.

Nhờ các ưu việt kể trên, vật liệu HAp được ứng dụng trong y dược ở 4 dạng sau: dạng bột dùng làm thuốc bổ xung canxi, dạng gốm dùng để nối xương, chỉnh hình hoặc chữa xương, dạng màng phủ trên kim loại và hợp kim có độ bền ăn mòn

và độ bền cơ học cao (thép không gỉ 316L, titan, TiN, Ti6Al4V) dùng làm nẹp để vít xương) dạng compozit dùng để làm thẳng xương, làm kẹp nối và có thể làm chất mang thuốc [23].

1.1.4. Các phương pháp tổng hợp HAp

Việc nghiên cứu chế tạo các vật liệu từ HAp ở các dạng khác nhau đã được triển khai từ lâu trên thế giới và đã đạt được những thành tựu đáng kể Các nghiên cứu tập trung vào tổng hợp HAp ở dạng bột mịn và siêu mịn bằng các phương pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để nâng cao khả năng ứng dụng của chúng Ở dạng này, các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế HAp kích thước nano (20 -

100 nm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ của cơ thể

Để tổng hợp HAp dạng bột, người ta thường dùng một trong các phương pháp sau: phương pháp kết tủa, phương pháp sol-gel hay phương pháp kết tinh từ dung dịch bão hoà, phương pháp siêu âm hoá học, phương pháp phun sấy và phương pháp hoá cơ Trong luận văn này chúng tôi sử dụng bột HAp được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa hóa học.

Phương pháp kết tủa học

Đây là một trong những phương pháp cơ bản để tổng hợp HAp dựa vào phản ứng kết tủa từ dung dịch [7] Phương pháp này được Hayek và Stadlman [27] sử dụng rộng rãi vì cách tiến hành đơn giản đồng thời cho một lượng mẫu lớn cùng độ

tinh khiết cao Phản ứng kết tủa hóa học HAp được tổng hợp từ Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 như sau:

10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH = Ca10(PO4)6(OH)2 + 6H2O + 20NH4NO3 (1.5)

Đầu tiên dung dịch có chứa (NH4)2HPO4 được điều chỉnh ở pH ≥10 bằng dung dịch NH4OH, sau đó cho vào dung dịch Ca(NO3)2 cũng được điều chỉnh ở pH

≥10, sau khi phản ứng đạt cân bằng thu được hỗn hợp dung dịch chứa HAp Dựa vào hằng số phân ly của axit H3PO4 thấy rằng chỉ có ion HPO42- bị ảnh hưởng ở pH trên, vì vậy có thể tránh được sự đồng kết tủa của các muối canxi photphat Muối amoni bị thăng hoa khi nung sản phẩm ở nhiệt độ 250˚C.

Sản phẩm phụ của phản ứng phụ thuộc vào pH của môi trường tổng hợp, tỉ lệ dư của một trong hai cấu tử, nhiệt độ tổng hợp và điều kiện ổn định pha tinh thể.

Hệ tạo được sản phẩm với tỉ lệ HAp ≥ 93%, phần còn lại chủ yếu là tricanxi photphat, phần rất nhỏ < 0,1% là các sản phẩm phụ.

1.1.5. Ứng dụng của HAp

Hydroxyapatit đã và đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học [27].

Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể, đặc biệt là với trẻ tôi và người cao tuổi Canxi có trong thức

ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hòa tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hóa canxi thành HAp Một phương pháp hữu hiệu để bổ sung canxi cho cơ thể là sử dụng HAp ở dạng bột mịn, kích thước nano Với kích thước khoảng 20 – 100nm, HAp được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải chuyển hóa thêm.

Vật liệu gốm xốp HAp có tính tương thích sinh học cao, có nhiều lỗ liên thông với nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu,

có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng Nhờ những đặc tính này mà HAp dạng gốm xốp được dùng để chế tạo răng giả và sửa chữa khuyết tật của răng HAp

dạng gốm xốp còn dùng để chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa khuyết tật của xương

1.1.6 Hydroxyapatit biến tính (HAp-bt)

Nhằm cải thiện khả năng ghép của HAp với các polyme, HAp đã được biến tính với nhiều chất khác nhau như chitosan, silica và axit lactic (LA) Otto Carl Wilson và cộng sự đã tiến hành biến tính HAp bằng chitosan Tổng lượng của chitosan hấp phụ trên HAp là 2,8-3,1% khối lượng Diện tích bề mặt riêng của HAp tăng lên sau khi làm già trong dung dịch gel chitosan acetat và đạt được giá trị cao

là 160 m2/g so với 85 m2/g của HAp HAp biến tính bằng dodecyl ancol hoặc axit

lactic nhằm cải thiện khả năng ghép của HAp với các polyme Các nghiên cứu đều chỉ ra rằng hiệu suất ghép của HAp biến tính cao hơn nhiều so với HAp không biến tính và đặc biệt tính chất cơ lý của vật liệu composit HAp-polyme được nâng lên rõ rệt đáp ứng được yêu cầu làm nẹp vít xương chất lượng cao cho những vùng xương chịu tải trọng nặng [19, 31].

Trong các loại vật liệu compozit, độ tương tác giữa thành phần nền và thành phần phân tán luôn là vấn đề được quan tâm vì đó là yếu tố quan trọng quyết định tính chất cơ - lý của vật liệu Một trong những phương pháp để cải thiện độ phân tán là ghép trực tiếp polyme lên bề mặt của chất phân tán

1.2 Polyaxit lactic (PLA)

1.2.1.Tính chất

Đơn vị cấu thành cơ bản của PLA là axit lactic hay axit 2-hydroxypropanoic,

có cacbon ở giữa các nhóm chức axit cacboxylic và hydroxyl là bất đối xứng, tồn tại dưới hai dạng đồng phân đối quang L- và D-axit lactic Hầu hết các dạng axit lactic thấy trong các nguồn tự nhiên đều là dạng L(+), ngược lại dạng D(-) rất hiếm gặp Cacbon bất đối xứng làm tăng tính lập thể (diastereoisome) (isotactic, syndiotactic và hetero – hoặc atactic) của mạch PLA polyme, tùy thuộc vào hướng tương đối của nhóm metyl trong quá trình phát triển mạch polyme axit lactic.

Polyme từ axit lactic do vậy có đơn vị lặp lại là một trong hai dạng trên hoặc kết hợp, tùy thuộc vào nguồn monome [2]

Hình 1.4: Hai dạng cấu hình của LA

Do axit lactic tồn tại ở 2 dạng đồng phân không gian nên polyaxit lactit tạo thành sẽ có 3 dạng cấu hình: D,D-lactit (gọi là D- lactit), L,L- lactit(L-lactit) và L,D- lactit hoặc D,L- lactit (meso-lactit) (trong đó, D và L lactit có hoạt tính quang học nhưng meso thì không nên PLA có nhiều loại khác nhau Nói chung PLA thương mại thường là copolyme của L-lactit và D-lactit Để ứng dụng trong lĩnh vực y sinh người ta thường sử dụng cấu hình dạng L (PLLA) vì nó có cấu trúc tinh thể nên có khả năng tương thích sinh học với cơ thể người tốt hơn PLA hiện nay chủ yếu được điều chế theo phương pháp trùng hợp mở vòng các đime lactit Các polyme có hàm lượng dạng L lớn dùng để tạo ra polyme kết tinh, trong khi các vật liệu có chứa hàm lượng D lớn (> 15 %) thì ở dạng vô định hình [1].

PLA là polyme dễ gia công, khả năng tương hợp tốt và có khả năng phân huỷ sinh học Tốc độ phân huỷ, tính chất cơ lý thay đổi trong khoảng rộng phụ thuộc vào khối lượng phân tử (KLPT), thành phần và cấu trúc kết tinh của PLA Hàm lượng D- lactit có trong PLA được dùng để điều chỉnh độ kết tinh và tính chất của PLA thu được.

Độ tan của PLA phụ thuộc vào KLPT, độ kết tinh PLA tan trong các dung môi clorua hay florua hữu cơ, đioxan, furan, axeton, pyridin, etyl lactat, tetrahydrofuran, xylen, etylaxetat, dimetylsulfoxit, N,N-dimetylfocmamit và metyl

etyl xeton Nó không tan trong nước, rượu (metanol, etanol, propylen glycol) và hydrocarbon chưa thế (hexan, heptan).

PLA là một polyme bán tinh thể, có độ cứng cao, dễ tạo thành nếp khi gấp, độ bền mài mòn cơ học cao, mođul lớn, độ bền kéo đứt lớn nhưng khả năng dãn dài kém và độ mềm dẻo không cao so với poly etylen (PE) hay poly propylen (PP) Để tăng khả năng mềm dẻo của PLA, người ta thường đưa vào chất hóa dẻo như polyetylen glycol, polycaprolacton…

Tuy nhiên một số nhược điểm như giòn, độ dãn dài khi đứt thấp, dễ bị thủy phân, quy trình điều chế phức tạp và giá thành cao đã hạn chế khả năng sử dụng của nó Để khắc phục được các nhược điểm này, PLA đã được trộn hợp với các polyme khác hay với các chất độn bằng nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra các polyme blend và compozit có tính chất như mong muốn, đáp ứng yêu cầu sử dụng [1].

1.2.2 Phương pháp tổng hợp

Trên thế giới, các phương pháp chủ yếu để tổng hợp PLA là: Trùng ngưng và trùng hợp mở vòng lactit Trùng ngưng trực tiếp axit lactic được thực hiện khi có mặt xúc tác ở áp suất thấp thu được PLA có khối lượng phân tử thấp (khoảng vài chục nghìn đ.v.C) Trùng ngưng đồng sôi hay còn gọi là trùng ngưng đẳng phí thu được PLA có KLPT lớn lên đến 300.000 và độ tinh khiết cao Các phương pháp trùng hợp gồm có trùng hơp trạng thái rắn (SSP), trùng hợp nóng chảy và trùng hợp

mở vòng của lactit (ROP) trong đó trùng hợp mở vòng ROP được sử dụng nhiều nhất hiện nay Phương pháp ROP cho PLA có KLPT lớn (từ 2,0x104 đến 6,8x105),

độ lập thể cao và gồm 2 giai đoạn: Tạo vòng đime lactit và mở vòng trùng hợp tạo polymer.

1.2.3 Ứng dụng

Nhìn chung, PLA như một polyme đa năng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực PLA là vật liệu được ưa chuộng để sản xuất các sản phẩm chất lượng cao như dùng sản xuất sợi trong công nghiệp dệt làm quần áo và các vật dụng gia đình như thảm, đệm, chăn, các dụng cụ trang trí nội thất, các đồ chơi cho trẻ tôi…

Trong y tế, PLA dùng làm vỏ bọc của viên thuốc, môi trường nuôi cầu khuẩn, tạo gel nước, làm chỉ khâu vết thương, mô tế bào… Một số đồ dùng y tế cũng làm

từ polyme này Sau thời gian sử dụng nhất định trong cơ thể con người, chúng phân hủy và không gây độc hại trong cơ thể Ngoài ra, PLA còn có khả năng khử trùng hiệu quả và tương đối ổn định trong điều kiện nhiệt độ khác nhau Do độ bền kéo khá cao và tỷ trọng khá nhẹ so với kim loại nên PLA được dùng làm nẹp đỡ trong phẫu thuật chỉnh hình PLA còn có khả năng khống chế tỷ lệ giải phóng các chất gây mê trong y dược theo yêu cầu sử dụng Thông thường, một lượng nhỏ PLA được đưa vào cơ thể người có tác dụng làm chậm quá trình giải phóng, kéo dài tác dụng của thuốc trong một thời gian dài Ngoài ra PLA còn có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực môi trường, nông nghiệp hay kỹ thuật điện…

1.3 Vật liệu compozit trên cơ sở PLA

1.3.1 Vật liệu compozit

Vật liệu compozit là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn vật liệu ban đầu Mỗi compozit gồm pha liên tục và pha phân tán Pha liên tục gọi là vật liệu nền để liên kết các pha phân tán Pha phân tán hay còn gọi là vật liệu tăng cường, được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính [8]

PLA là polyme có nhiều tính chất tốt, dễ gia công, khả năng tương hợp và phân huỷ sinh học nên được sử dụng nhiều trong tổng hợp các compozit có ứng dụng trong y sinh PLA có vai trò như một chất mang (pha liên tục) trong compozit

Như đã trình bày ở trên, HAp có khả năng tương tác sinh học cao nên có nhiểu ứng dụng trong y sinh Tuy nhiên, tính chất cơ lý của HAp không đáp ứng được yêu cầu của vật liệu y sinh Trong khi đó, PLA là một polime có khả năng

phân hủy sinh học tốt nên việc ghép HAp lên bề mặt PLA tạo ra vật liệu có thể đáp ứng được yêu cẩu của vật liệu sử dụng trong y sinh PLA có vai trò như một chất mang (pha liên tục) trong nanocompozit PLA/HAp, HAp (pha phân tán) trên nền chất mang PLA Việc ghép này có tác dụng làm tăng khả năng tương thích sinh học của vật liệu với xương so với PLA ở dạng đơn lẻ và tăng tính chất cơ lý của vật liệu HAp.

Liên kết hydro giữa nguyên tử oxy của nhóm -COO trong PLA với nhóm –

OH của HAp được thể hiện bằng vạch nét đứt trong hình mô phỏng dưới đây [29].

Hình 1.5 Hình ảnh liên kết của HAp và PLA (nét đứt)

HAp tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt khuyết Ca và có tinh thể với cấu trúc dạng que có độ dài trong khoảng 40-80 nm và độ rộng là 20-40 nm Các tinh thể nano này có các đặc trưng tương tự như khoáng xương về mặt hình thái học và thành phần nên khả năng tạo xương bằng việc sử dụng tổ hợp PLA/HAp và PLA/nanoHAp là rất có triển vọng Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TTÔI) cho thấy sự phân tán tốt của tinh thể nano HAp trong PLA.

I.3.2. Các phương pháp tổng hợp

Có rất nhiều phương pháp để tổng hợp compozit nói chung cũng như compozitPLA/nanoHAp nói riêng như phương pháp dung dịch, phương pháp nhũ tương, phươngpháp trộn nóng chảy, phương pháp phun điện (electrospinning), phương pháp đông khô,phương pháp tạo bọt, phương pháp tổng hợp in situ, phương pháp điện hoá

Trong đề tài này, chúng tôi lựa chọn phương pháp dung dịch và phương pháp nhũtương để tổng hợp PLA/nanoHAp Ưu điểm của hai phương pháp này là quá trình tổnghợp đơn giản, không cần sử dụng những thiết bị phức tạp

a Phương pháp dung dịch

Vật liệu nanocompozit PLA/HAp hoặc nanocompozit PLA/HAp-bt có thể đượcchế tạo bằng phương pháp dung dịch từ nhiều dung môi khác nhau Cách thức để tạocompozit bằng phương pháp dung dịch là trộn PLA đã tan hoàn toàn trong dung môi vớiHAp hoặc HAp-bt dưới dạng bột đã được khuyếch tán trong cùng loại dung môi Hai hỗnhợp này được trộn với nhau trong một khoảng thời gian nhất định và sau đó dung môi sẽđược loại bỏ bằng phương pháp bay hơi Ưu điểm của phương pháp này là qui trình thựchiện đơn giản, không cần đến những thiết bị máy móc chuyên dụng Việc lựa chọn dungmôi, thành phần, tỉ lệ của PLA và HAp hoặc HAp-bt sẽ ảnh hưởng đến hình thái tính chấtcủa vật liệu tạo thành

Nenasd Ignjatovic và các cộng sự đã tổng hợp nanocompozit PLLA/HAp bằngphương pháp dung dịch Dung môi được sử dụng là clorofom ở 200C trong 60 phút Kếtquả thu được vật liệu nanocompozit PLLA/HAp có độ tinh khiết cao nhờ vào việc loại bỏclorofom rất dễ dàng Vật liệu thu được có độ xốp lớn nhất là 0,4%, độ bền kéo cao nhất

là 93,2 MPA và modun đàn hồi là 2,43 GPa

Khi nghiên cứu nanocompozit PLA/HAp, có thể nhận thấy PLA rất khác HAp vềbản chất, công thức cấu tạo, cấu trúc, tính chất hóa học, về các đặc trưng vật lý như tỷtrọng, kích thước hạt, tính ưa nước… nên sẽ gây khó khăn cho việc phân tán (do tínhkhông tương hợp hoặc tương hợp kém giữa PLA và nanoHAp, sự vón cục, kết đám của

các hạt nanoHAp trong nền PLA), ảnh hưởng tới tính chất và độ bền cơ, lý, nhiệt của vậtcompozit PLA/nano - HAp Một trong các biện pháp để cải thiện khả năng tương tác củaPLA và HAp là sử dụng các chất tương hợp trong quá trình tổng hợp, các nghiên cứu đềcập đến vấn đề này còn hạn chế do đó việc nghiên cứu lựa chọn chất tương hợp cho quátrình tổng hợp compozit PLA/nano HAp đang là vấn đề quan tâm của các nhà khoa họcvật liệu.

b Phương pháp in situ

Một trong những khó khăn khi tổng hợp vật liệu này là khả năng tương hợp của PLA

và HAp do bản chất hoá học khác nhau của chúng Phương pháp tổng hợp in situ làphương pháp mà HAp được tổng hợp song song và đồng thời với quá trình tổng hợpcompozit Bằng phương pháp này không những có thể tăng khả năng tiếp xúc giữa PLA

và HAp mà còn có thể kiểm soát được kích thước, hình thái cấu trúc của vật liệu tạo thành Phương pháp này được Kobubo và các cộng sự đưa ra lần đầu tiên vào năm 1990 [15].Gần đây, phương pháp này đã trở thành một trong những phương pháp mới để tổng hợpcompozit PLA/nano HAp Cơ chế tổng hợp bằng phương pháp này là một quá trình phứctạp, có thể kiểm soát được sự phát triển hay còn gọi là sự mầm hoá của HAp trong PLA Zhang và các cộng sự đã tổng hợp nanocopozit PLA/HAp bằng phương pháp nhũtương dầu – nước Nguyên liệu được sử dụng để tổng hợp HAp là Ca(OH)2 và H3PO4.Phổ hồng ngoại, Xray và EM được nghiên cứu để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệPLA/HAp Với hàm lượng 20% HAp vật liệu thu được có thể sử dụng trong lĩnh vực ysinh

Fukue Nagata và cộng sự đã tổng hợp PLA/HAp bằng phương pháp vi nhũ sử dụngnhũ tương dầu - nước Hình thái bề mặt của vật liệu đã được quan sát bằng ảnh EM Cáckết quả phân tích ảnh EM, phổ FT-IR, phân tích phổ nhiễu xạ tia X, năng lượng tán xạ tia

X cho thấy nồng độ dung dịch Ca(CH3COO)2 và (NH4)2HPO4 ảnh hưởng đến pha tinh thể

và các liên kết của vi cầu PLA/HAp [24]

1.3.3 Ứng dụng

Vật liệu compozit trên cơ sở PLA được ứng dụng trong nhiều lính vực của cuộcsống như y dược, công nghiệp, nông nghiệp Compozit PLA/CS và dẫn xuất được ứngdụng nhiều trong kỹ thuật tạo mô xương hoặc sụn [12], dùng làm chỉ khâu vết thương, vỏbọc viên thuốc hoặc làm mô tế bào Đặc biệt, nano PLA/CS là một hệ thống đầy hứa hẹncho việc điều khiển sự phân phối thuốc chữa virut HIV Vật liệu compozit trên cơ sở PLA

và CS vẫn giữ được tính kháng khuẩn của CS nên được dùng trong bảo quản một số nôngsản Ngoài ra còn được dùng làm lớp tráng trên giấy hoặc phim hay bao bì đóng gói sảnphẩm y sinh

Nanocompozit PLA/HAp là một ứng cử viên tiềm năng cho vật liệu y sinh, đặc biệttrong lĩnh vực cấy ghép xương nhờ các ưu điểm của 2 loại vật liệu thành phần trên, đặcbiệt là hiệu ứng kích thước nano với bề mặt riêng lớn và khả năng tương thích tuyệt vờicủa nanoHAp với xương tự nhiên Vật liệu nanocompozit PLA/HAp được sử dụng trongviệc thay thế hoặc cấy ghép xương

1.3.4 Hoạt tính sinh học của compozit PLA/nanoHAp

Hoạt tính sinh học của của vật liệu khung compozit PLLA/nano HAp đã được tiếnhành bằng cách ngâm chúng vào chất lỏng mô phỏng dung dịch cơ thể người (SBF) Đểđánh giá khả năng hình thành apatit, khung compozit PLLA/ nano HAp được ngâm vàodung dịch SBF ở pH 7,4 trong 7 ngày với tỷ lệ rắn/lỏng là 1,5 mg/ml Dung dịch SBFđược tổng hợp theo mô tả của Kokubo Khung compozit PLLA/nano HAp dạng lậpphương được ngâm trong SBF đựng trong bình nhựa kín để giảm thiểu sự thay đổi pH vànhiễm khuẩn vi sinh vật Quá trình ngâm được thực hiện trong máy lắc duy trì ở 37oC,dung dịch SBF không được tái tạo trong quá trình thử nghiệm Sau 7 ngày thử nghiệm,mẫu được lọc, rửa bằng nước đề ion hóa và làm khô Kết quả quan sát ảnh EM của vậtliệu khung compozit PLLA/ nano HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF cho thấy cấu trúc lỗxốp của HAp đã thiêu kết không thay đổi Tuy nhiên, trên bề mặt của compozit xuất hiệnmột vài cặn đọng Có thể nhìn rõ cặn đọng này tạo thành từ các tinh thể HAp với kíchthước khoảng 100 nm ở ảnh EM có độ khuếch đại lớn hơn

Hình 1.7 Ảnh EM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/HAp sau

7 ngày ngâm trong SBF.

Ngoài ra, từ phổ năng lượng tán xạ tia X của vi cấu trúc khung compozitPLLA/nano HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF có thể phát hiện sự có mặt của các ion Ca

và P với tỷ lệ Ca/ P tính toán bằng 1,65 gần với cấu trúc của apatit

Hình 1.8 Phổ tán xạ của compozit PLLA/HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF

Araujo và cộng sự đã thử nghiệm in vitro vật liệu compozit PLA/chitosan/HAp (tỷ

lệ chitosan/HAp 2/5, pkl/pkl) chế tạo bằng phương pháp dung dịch trong SBF sau cáckhoảng thời gian khác nhau để đánh giá hoạt tính sinh học của chúng (khả năng thúc đẩy

hình thành lớp apaptit) Các kết quả phân tích hình thái học cho thấy vật liệu compozitnhanh chóng đáp ứng với môi trường mô phỏng dung dịch cơ thể người và hứa hẹn khảnăng ứng dụng làm vật liệu y sinh Lớp apatit tăng theo thời gian ngâm trong SBF và sau

au 30 ngày thử nghiệm, toàn bộ vật liệu compozit được bao phủ hoàn toàn bởi lớp apaptitcấu trúc nano [11]

II ĐIỀU KIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1 Hóa chất và điều kiện thực nghiệm

2.1.1 Hóa chất

- Muối canxi nitrat Ca(NO3)2.4H2O, amoni hydrophotphat (NH4)2HPO4, dung dịchamoni hidroxit NH4OH, axit lactic (LA), Tetra hydrofuran (THF), xylen, Etyl axetat,điclorometan (DCM), clorofom, đimethylformamit (DMF), canxiaxetatCa(CH3COO)2,H2O Các hóa chất này đều là loại tinh khiết của Trung Quốc

- Poly axitlactic (PLA) dạng hạt, khối lượng riêng 1,24g/cm3, nhiệt độ nóng chảykhoảng 165 – 1760C là hóa chất tinh khiết của Hoa Kỳ

- PEO: (- CH2-CH2-O-)n n = 2 - 40

- PEG, PCL là các hóa chất tinh khiết của Hoa Kỳ

- Natri clorua, natri hydrocacbonat, kali clorua, đinatri hydrophotphat đihydrat

Na2HPO4.2H2O, Magie clorua hexahyđrat MgCl2.6H2O, canxi clorua CaCl2, kalidihydrophotphat KH2PO4, Magie sunphat MgSO4.7H2O, đường glucozo C6H12O6, axitclohiđric HCl 1M, natri hiđroxit NaOH 1M Các hóa chất này đều là loại tinh khiết củaMerk

2.1.2 Tổng hợp HAp và HAp biến tính (HAp- bt)

2.1.2.1 Tổng hợp HAp bằng phương pháp kết tủa hóa học

Bột HAp được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa hóa học từ nguyên liệu Ca(NO3)2

và (NH4)2HPO4 trong dung môi nước Phản ứng kết tủa tạo ra các tinh thể HAp diễn ratheo phương trình 1.5 Quy trình tổng hợp như sau:

Đầu tiên cho dung dịch Ca(NO3)2 nồng độ 0,5M vào bình cầu ba cổ, khuấy mạnh vớitốc độ 750 vòng/phút ở nhiệt độ 25oC Sau đó, nhỏ từ từ dung dịch (NH4)2HPO4 nồng độ0,3M với tốc độ 1ml/phút vào bình cầu (lượng (NH4)2HPO4 được sử dụng để đảm bảo tỷ

lệ Ca/P = 10/6) pH của dung dịch phản ứng được giữ ở khoảng 10 bằng dung dịch

NH4OH 25% Hỗn hợp được già hóa trong 2 giờ tiếp tục lưu mẫu trong khoảng thời gian

15 giờ Sản phẩm kết tủa được li tâm và rửa bằng nước cất với tốc độ 4000 vòng/phút về

pH = 7 Kết tủa được sấy ở 80oC trong 24 giờ sau đó nghiền trong cối mã não Sản phẩm

1 Già hóa 2 giờ

2 Lưu mẫu 15 giờ

2.1.2.2 Tổng hợp HAp biến tính bằng axit lactic

Với mục đích tăng sự phân tán và tương tác của HAp trong nền PLA, trong phần nàytôi tiến hành biến tính nano HAp bằng axit lactic theo quy trình như sau: cho 1g bột HApvào bình cầu có chứa 15 ml THF, tiếp tục nhỏ từng giọt axit lactic vào bình cầu với khốilượng axit lactic là 0,6; 0,8; 1; 1,5 và 2 g Hỗn hợp trên được khuấy với các tốc độ 450,

750 và 900 vòng/phút Có thể cho thêm chất xúc tác SnCl2 với hàm lượng 2% về khốilượng so với axit latic Nhiệt độ ban đầu là 700C, hỗn hơp được để trong thời gian 30 phút

và sau đó thêm 10 ml xylen vào và lắp ống sinh hàn hồi lưu, nhiệt độ phản ứng được tănglên 110oC, 130oC và 150oC Duy trì phản ứng ở thời gian 3, 6, 16, 21 và 24 giờ Sảnphẩm được lọc rửa ít nhất 3 lần bằng etyl axetat và sấy ở 80oC trong 24 giờ Sản phẩmHAp biến tính thu được ở dạng bột màu trắng

2.1.3 Tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/ HAp và PLA/HAp - bt

Trong nghiên cứu này tôi tiến hành tổng hợp nanocompozit theo hai phương pháp:Phương pháp dung dịch và phương pháp nhũ tương in situ

2.1.3.1 Phương pháp dung dịch

PLA được hòa tan bằng các dung môi điclometan, clorofom, hoặcđimetylformamit HAp hoặc HAp - bt cũng được phân tán trong dung môi tương ứngbằng khuấy từ, hai hỗn hợp trên được trộn với nhau và khuấy trong 30 phút, 2 giờ và 4giờ Hỗn hợp sau đó được đổ ra khuôn nhôm đến khi dung môi bay hơi hết ở nhiệt độphòng Để đảm bảo không còn dung môi trong vật liệu nanocompozit, vật liệu được đưavào tủ sấy ở nhiệt độ 80oC trong thời gian 12 giờ Vật liệu sau khi sấy khô được ép vớilực ép là 5-10 Mpa trên máy ép Toyoseiki (Nhật Bản) tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, ở nhiệt

độ 180°C trong thời gian 10 phút Vật liệu compozit thu được ở dạng tấm

Sơ đồ tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp bằng phương pháp dung dịchđược mô tả trên hình 2.2

+ Khuấy + Đổ ra khuôn + Sấy ở 80oC

Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp nanocompozit PLA/HAp (HAp-bt)

bằng phương pháp dung dịch

2.1.4 Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF)

Dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người SBF được pha 1 lít từ các hóa chất có thànhphần được chỉ ra ở bảng 2.1 pH dung dịch là 7,3 được điều chỉnh bằng dung dịch NaOH1M, dung dịch trong suốt và không có kết tủa hay vẩn đục, được bảo quản trong tủ lạnh ởnhiệt độ 2 đến 5oC