Để nâng cao tính tương đồng sinh học giữa các mô của cơ thể người với bề mặt vật liệu và đáp ứng các yêu cầu cơ bản của vật liệu sử dụng trong lĩnh vực cấy ghép xương, nhiều công trình đ
Trang 1và gây ra những khó chịu nhất định cho bệnh nhân Chính vì lý do này, vật liệu sử dụng trong quá trình cấy ghép xương phải đáp ứng được các yêu cầu
cơ bản: có đặc tính chống ăn mòn cao, bền cơ học, có sự thích nghi tốt với cơ thể, không bị biến dạng khi tiệt trùng ở nhiệt độ cao và dễ sử dụng [1-5] Trong những năm gần đây, các chấn thương do bệnh lý và tai nạn gây ra ngày càng nhiều, nhu cầu sử dụng vật liệu y sinh ngày càng tăng, đặc biệt nhu cầu sử dụng vật liệu y sinh chất lượng cao Chính vì vậy, hướng nghiên cứu mới nhằm nâng cao chất lượng cho vật liệu y sinh trên cơ sở kim loại và hợp kim ngày càng được phát triển mở rộng Nhiều nghiên cứu về màng y sinh được phủ trên các vật liệu trơ sinh học đang được tiến hành Để nâng cao tính tương đồng sinh học giữa các mô của cơ thể người với bề mặt vật liệu 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 màng hydroxyapatit (HAp) lên bề mặt kim loại, hợp kim nhằm mang lại các sản phẩm y sinh chất lượng cao phù hợp nhu cầu của con người [6]
Trang 2HAp có công thức hóa học là Ca10(PO4)6(OH)2 Trong tự nhiên tồn 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 giá của chúng:
có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao với các tế bào, các mô, không bị
cơ thể đào thải, tồn tại ở nhiều trạng thái tập hợp Một màng HAp mịn, mỏng phủ trên xương nhân tạo có tác dụng tăng cường khả năng liên kết với các mô và xương tự nhiên
Có rất nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để tổng hợp màng HAp trên nền kim loại và hợp kim như: phương pháp vật lý (plasma chân không, phun nhiệt, phương pháp phún xạ magnetron, phún xạ chùm ion, lắng đọng pha hơi ), phương pháp hóa học (sol-gel, nhúng, ngâm, ép nóng ) và phương pháp điện hóa [1, 7, 8] Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng Màng HAp tổng hợp bằng phương pháp điện hóa đang thu hút các nhà khoa học bởi vì: nhiệt độ phản ứng thấp, có thể phủ lên chất nền có hình dạng phức tạp, điều khiển chiều dày màng, có thể tổng hợp được màng có độ tinh khiết cao… [9-11] Chính vì ưu điểm này nên tên đề tài được lựa chọn:
“Nghiên cứu tổng hợp màng hydroxyapatit bằng phương pháp điện hóa trên nền thép không gỉ 316L có và không có màng titan nitrua” với mục
đích góp phần vào quá trình nghiên cứu tổng hợp cũng như định hướng ứng dụng của vật liệu phủ màng HAp trong lĩnh vực cấy ghép xương
* Mục tiêu của luận án:
Chế tạo thành công màng HAp trên nền thép không gỉ 316L (TKG316L)
và thép không gỉ 316L phủ TiN (TiN/TKG316L), có hoạt tính sinh học trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF)
Trang 3* Nội dung nghiên cứu chính của luận án:
Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, nội dung nghiên cứu của luận
án gồm ba nội dung chính sau:
1 Khảo sát lựa chọn các điều kiện thích hợp (nồng độ dung dịch, nhiệt
độ, tốc độ quét thế, số lần quét, nồng độ H2O2) và nghiên cứu đặc trưng hóa lý của màng HAp tổng hợp trên nền TKG316L
2 Chế tạo màng TiN trên nền TKG316L bằng phương pháp phún xạ manegtron một chiều và khảo sát lựa chọn các điều kiện thích hợp (điện thế
áp đặt, nhiệt độ, pH, nồng độ H2O2, thời gian) để tổng hợp màng HAp trên nền TiN/TKG316L
3 Nghiên cứu hoạt tính sinh học của bốn loại vật liệu TKG316L, HAp/TKG316L, TiN/TKG316L và HAp/TiN/TKG316L trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF)
Trang 4CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về titan nitrua(TiN)
1.1.1 Tính chất của TiN [12-14]
1.1.1.1 Tính chất vật lý
TiN là hợp chất của titan và nitơ, có màu của kim loại vàng, độ cứng, độ bền nhiệt và độ bền ăn mòn cao, nhiệt nóng chảy 2950°C, oxy hóa chậm (bắt đầu oxy hóa ở 800oC) và có điện trở suất khá nhỏ (20-30 µΩ.cm2), độ phản xạ cao trong vùng hồng ngoại TiN ở nhiệt độ phòng tồn tại ở trạng thái rắn và có
tỷ khối là 5,22 g/cm3, gấp đôi tỷ khối của thủy tinh, nhưng thấp hơn so với hầu hết các kim loại
TiN rất cứng, nó được so sánh với vật liệu corundum (vật liệu sử dụng trong các chất mài mòn như giấy nhám ) Tính chất của TiN phụ thuộc một phần vào hàm lượng nitơ, hình thái cấu trúc và kích thước hạt TiN có cấu trúc tinh thể của mạng tinh thể muối, trong đó các nguyên tử titan tạo thành một mạng tinh thể lập phương tâm diện còn các nguyên tử nitơ nằm trong các hốc bát diện (hình 1.1)
Hình 1.1: Cấu trúc mạng tinh thể của TiN [14]
1.1.1.2 Tính chất hóa học
TiN có độ bền hóa học cao Trong không khí chỉ bị tấn công dần dần ở nhiệt độ trên 600oC và ở nhiệt độ 1200oC trong bầu khí quyển O2 hoặc CO2 bị oxy hóa nhanh chóng Trong dung dịch kiềm nóng TiN bị phân hủy và tạo ra amoniac
Trang 51.1.2 Một số phương pháp tổng hợp màng TiN
TiN là vật liệu có tính chất cơ lý tốt do đó nó rất thích hợp làm lớp trung gian trong hệ thống màng đa lớp Tuy nhiên, tùy thuộc vào mục đích sử dụng khác nhau mà màng TiN được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau trên các loại vật liệu nền khác nhau: lắng đọng hơi hóa học (CVD), lắng đọng hơi vật lý (PVD) [15] Nguyên tắc của các phương pháp này dựa trên tiền chất
dễ bay hơi để hình thành màng trên vật liệu nền
Phương pháp PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp suất thấp khoảng dưới 10-2
bar ở nhiệt độ từ 400oC – 500oC thích hợp cho việc chế tạo các dụng cụ trong ngành công nghiệp như các công cụ cắt, các dụng cụ cấy ghép y sinh Các phương pháp PVD phổ biến là phương pháp phún xạ, hồ quang chân không, xung laze [16-21]
Phún xạ magnetron là kỹ thuật phún xạ (sử dụng cả với xoay chiều và một chiều) cải tiến từ các hệ phún xạ thông dụng bằng cách đặt bên dưới bia các nam châm nhằm nâng cao hiệu suất phún xạ Từ trường của nam châm có tác dụng bẫy các điện tử và ion lại gần bia và tăng hiệu ứng ion hóa, tăng số lần va chạm giữa các ion, điện tử với các nguyên tử khí tại bề mặt bia do đó làm tăng tốc độ lắng đọng, giảm sự bắn phá của điện tử và ion trên bề mặt màng, giảm nhiệt độ đế và có thể tạo ra sự phóng điện ở áp suất thấp hơn [22]
Màng mỏng TiN được tổng hợp trên đế Si bằng phương pháp phún xạ Magnetron Kết quả nghiên cứu cấu trúc hình học và cấu trúc pha đã cho thấy có
sự thay đổi cấu trúc pha khi thay đổi điều kiện tạo màng như tỷ lệ hỗn hợp khí argon và nitơ Độ gồ ghề bề mặt của màng tổng hợp trong điều kiện 100% nitơ tinh khiết nhỏ hơn so với màng TiN tổng hợp với hỗn hợp hai khí nitơ và argon [23]
Y.L Jeyachandran tại khoa Vật lý, Đại học Bharathiar, Ấn Độ và C.Y Bao ở trường Đại học Sichuan đã nghiên cứu tổng hợp lớp phủ titan và titan
Trang 6nitrua trên đế kính bằng phương pháp phún xạ magnetron và tổng hợp màng HAp có mặt của ion F-
(FHAp) và có mặt cả F- và Zn2+ (Zn-FHAp), trên nền titan kim loại bằng phương pháp nhúng trong dung dịch có chứa Ca(CH3COO)2.2H2O + Zn (CH3COO)2.4H2O + 85% H3PO4 và 40% HF, pH
=9, điều chỉnh bằng NH4OH sau đó làm khô ở 150oC và ủ nhiệt ở 650o
C trong thời gian 15 phút Kết quả chụp AFM của Ti và TiN cho thấy bề mặt lớp phủ khá phẳng và đồng đều Độ ghồ ghề bề mặt của Ti thay đổi từ 2,1 đến 2,8 nm
và của TiN từ 1,3 đến 3,5 nm (hình 1.2) Sự phát triển của các vi khuẩn Porphyromonas gingivalis đã được nghiên cứu trên những vật liệu tổng hợp được [24] Các nghiên cứu của họ cho thấy sự phát triển của vi khuẩn là khác nhau trên mỗi loại vật liệu Tùy vào từng điều kiện cụ thể có thể ứng dụng những vật liệu này trong ngành công nghệ sinh học
Hình 1.2: Hình ảnh AFM của lớp phủ Ti và TiN [24]
Màng TiN được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron một chiều trên đế thủy tinh, hệ chân không làm việc có áp suất tới hạn là 10-4 torr với bia làm vật liệu là Ti 99,96% kích thước bia 10106 (mm) Khí làm việc
là khí Ar (99,99%) và khí hoạt tính là N2 (99,99%) chúng được trộn lẫn với tỉ
lệ cho trước và được đưa vào buồng chân không bằng hệ van kim Từ trường bên ngoài mặt bia được tạo bằng nam châm vĩnh cửu ferit, cường độ từ trường khoảng 350 Gauss Quá trình tạo màng tiến hành với áp suất 3.10-3 đến 3.10-6 torr Thế phún xạ thay đổi từ 350 – 650 V, tỉ lệ khí N2/Ar thay đổi từ 5
Trang 7– 15% Kết quả cho màng TiN có cấu trúc tinh thể cao, tồn tại đủ các mặt mạng (111), (200) và (311) (hình 1.3) Màng có điện trở suất thấp ρ = 35 μΩ.cm ứng với các thông số tạo màng tối ưu: Thế phún xạ ngưỡng Up = 550
V, tỉ lệ N2/Ar = 10%, khoảng cách giữa bia và đế h = 4,5cm, áp suất phún xạ toàn phần P = 3.10-3 torr, nhiệt độ đế 200oC Chiết suất và hệ số tắt của màng
áp suất 0,4 mTorr < N2< 0,8 mTorr, màng TiN có màu vàng, ngoài khoảng áp suất này màng TiN có màu vàng sáng Hình thái học bề mặt TiN thô ráp hơn
và kích thước hạt tăng khi áp suất N2 tăng (hình 1.4)
Trang 8Hình 1.4: Hình ảnh SEM bề mặt TiN khi thay đổi áp suất N 2 : 0,4 mTorr (a)
và 0,8 mTorr (b) [26]
1.1.3 Ứng dụng của TiN
Vì TiN có màu kim loại vàng, độ bền hóa, độ bền cơ lý và đặc biệt có độ cứng cao nên nó được ứng dụng nhiều trong công nghiệp làm mũi khoan, làm lưỡi dao cắt, làm vật liệu trang trí bảo vệ, vật liệu linh kiện điện tử và vật liệu nẹp vít xương dùng trong phẫu thuật cấy ghép [27]
Màng TiN được chế tạo trên đế Si, có điện trở suất khoảng 25 μΩ.cm được ứng dụng làm hàng rào khuếch tán trong công nghệ điện tử IC Với ưu điểm của tính chất cơ học như: có màu kim loại vàng, độ cứng cao… được ứng dụng cho mục đích trang trí và được tạo trên đế thủy tinh hoặc đế MgO, màng có điện trở suất khoảng 13-192 μΩ.cm [25]
Các công cụ cắt gọt, khuôn đúc, bánh răng, ổ bi thường chịu ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt rất cao trong khi làm việc, do đó dễ bị hỏng Khó khăn này được khắc phục nếu dùng các vật liệu có độ cứng cao Trong công nghệ siêu cắt hiện nay chỉ có lớp phủ kim cương được ứng dụng Tuy nhiên lớp phủ này khá đắt và hiếm Bằng phương pháp phún xạ magnetron với hàm lượng nitơ thay đổi 0 ÷ 30% màng TiN dày 20 μm trên lưỡi dao cắt có độ cứng và chịu mài mòn tốt hơn màng Ni được dùng trước đó Kết quả nghiên cứu cho thấy lớp phủ TiN với hàm lượng 3% N2 đáp ứng yêu cầu trong công nghệ siêu cắt và dần thay thế màng kim cương [28]
Trang 9Màng TiN ngoài ứng dụng trong sản phẩm công nghiệp, điện tử, trang trí
đồ gia dụng còn được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh như trong công nghệ làm răng, làm nẹp vít xương bởi vì nó có mô đun đàn hồi thấp, độ tương thích sinh học và độ bền ăn mòn cao trong môi trường sinh lý Titan và hợp kim của titan (Ti6Al4V, Ti6Al7Nb) cũng được các nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng làm vật liệu y sinh Các kết quả nghiên cứu cho thấy các vật liệu này có tính tương thích sinh học cao hơn so với các vật liệu kim loại và hợp kim khác đã sử dụng trước đó như: Cr-Ni, hợp kim Co [29, 30] Tuy nhiên, giá thành của titan và hợp kim của nó khá cao do đó việc ứng dụng vào thực
tế gặp nhiều khó khăn Các lớp phủ titan nitrua (TiN) và titan có hoạt tính sinh học và chống ăn mòn tốt trong môi trường dịch sinh học, được phủ trên các chi tiết, thiết bị, ốc vít chế tạo bằng thép không gỉ dùng trong sửa chữa, cấy ghép chỉnh hình đầu gối, xương hông và nẹp vít xương [26] Trong khoảng 10 năm trở lại đây, các kết quả thử nghiệm lâm sàng cho thấy lớp phủ titan và TiN có hoạt tính sinh học trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người
Màng TiN dày 3 μm được phủ trên thép 316L bằng phương pháp PVD, sau
đó ngâm trong dung dịch mô phỏng cơ thể người của Hank 28 ngày Kết quả cho thấy vật liệu thép có phủ TiN có khả năng chống ăn mòn tốt hơn vật liệu thép không có TiN, đồng thời kết quả đo phân cực Tafel và tổng trở điện hóa cho thấy màng TiN là lớp phủ phù hợp trên nền kim loại cho các ứng dụng y sinh [31]
1.2 Tổng quan chung về hydroxyapatit (HAp)
1.2.1 Tính chất của HAp
1.2.1.1 Tính chất vật lý
Hydroxyapatit (HAp), Ca10(PO4)6(OH)2, tồn tại trạng thái tinh thể, có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tồn tại HAp có nhiệt độ nóng chảy 1760o
C và
Trang 10nhiệt độ sôi 2850oC, độ tan trong nước 0,7 g/L, khối lượng mol phân tử 1004,6 g, khối lượng riêng là 3,08 g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5 Bằng phương pháp hiển vi điện tử SEM hoặc TEM có thể nhận biết được tinh thể HAp tồn tại các dạng khác nhau: dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình sợi, hình cầu, hình trụ (hình 1.5) [7, 32]
Hình 1.5: Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HAp [32-34]
(a) - Dạng hình que (b) - Dạng hình trụ (c) - Dạng hình cầu
(d) - Dạng hình sợi (e) - Dạng hình vảy (f) - Dạng hình kim
HAp có hai dạng cấu trúc là dạng lục phương (hexagonal) và dạng đơn tà (monoclinic) Khi được điều chế ở nhiệt độ từ 25 đến 100oC HAp có dạng lục phương và có dạng đơn tà khi nung dạng lục phương ở 850o
C trong không khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng Tuy nhiên, giản đồ pha X-ray của hai dạng này giống nhau cả về số lượng và vị trí của các pic nhiễu xạ, chỉ khác nhau về cường độ pic Đối với dạng đơn tà cường độ các pic yếu hơn so dạng lục phương khoảng 1% [36]
Cấu trúc của HAp tổng hợp, HAp có trong thành phần của xương và ngà răng thường có dạng lục phương và thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a = 0,9417 nm, b = 0,9417 nm và c = 0,6875 nm, α = β = 90o
và
Trang 11γ = 120o Mỗi ô mạng cơ sở của tinh thể HAp gồm các ion Ca2+
, PO43- và OHđược sắp xếp như hình 1.6 [36, 37]
-Ca 2+
PO4
3-OH
-Hình 1.6: Cấu trúc của HAp [38]
Công thức cấu tạo của phân tử HAp được thể hiện trên hình 1.7, 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 hai nguyên tử P ở hai đầu mạch [39]
Hình 1.7: Công thức cấu tạo của phân tử HAp [38, 40]
8000C đến 12000C tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng:
Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 x 1) (1.2)
Ở nhiệt độ lớn hơn 12000C, HAp bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β – TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO:
Trang 12Ca10(PO4)6(OH)2 2β – Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O (1.3)
Ca10(PO4)6(OH)2 3β – Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (1.4)
1.2.1.3 Tính chất sinh học [40, 41]
HAp tự nhiên và nhân tạo có cùng bản chất và thành phần hóa học, đều
là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao Ở dạng bột mịn, kích thước nano HAp là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng Ở dạng màng và dạng xốp, HAp có thành phần hoá học và các đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập Chính
vì vậy mà vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô,
có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải Ngoài ra, HAp là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao
Hợp chất HAp tương đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày Ở dạng bột mịn kích thước nano, HAp được
cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản Vì những đặc tính này, bột HAp kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao
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 Để chế tạo vật liệu HAp 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
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
Trang 13của 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 protein 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 của xương gồm có pha tinh thể và pha vô định hình, được tạo thành từ tri-canxi photphat Pha vô định hình có nhiều hơn ở thanh niên và bị chuyển hoá một phần thành pha tinh thể theo thời gian [26] 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+
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 35 nm 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
Trang 14khoáng 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 có trong xương được thể hiện trong bảng 1.1
Bảng1.1 Phần trăm (%) về khối lượng của các chất trong xương [38]
có ion Ca2+ (ví dụ như CaHPO4, CaCO3, Ca(NO3)2 ) và PO4
1.2.2.1 Dạng bột
HAp dạng bột [38] được tổng hợp từ dung dịch chứa nguyên liệu ban đầu khác nhau bao gồm: phương pháp kết tủa hóa học, phương pháp sol-gel, phương pháp kết tinh từ dung dịch bão hóa, phương pháp hóa cơ
Việc tổng hợp HAp bằng phương pháp kết tủa có thể đi từ dung dịch chứa các muối của các ion Ca2+
và PO43- Đây là phương pháp cơ bản để tổng hợp HAp dạng bột Các nguyên liệu ban đầu có thể là các muối dễ tan trong nước như Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4… theo phản ứng:
Trang 1510Ca(NO3)2 +6(NH4)2HPO4+8NH4OH Ca10(PO4)6(OH)2 +20NH4NO3 +
6H2O (1.5) Hoặc phản ứng kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+
ít tan hoặc không tan trong nước như Ca(OH)2, CaO, CaCO3 với axit H3PO4 theo phản ứng:
10Ca(OH)2 + 6H3PO4
NH4OH
Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O (1.6) Bột HAp được tổng hợp trong thời gian 24 giờ bằng phương pháp hóa học ướt với nguyên liệu đầu Ca(OH)2 và NH4H2PO4 trong hỗn hợp dung môi rượu nước Kết quả nghiên cứu XRD cho thấy mẫu HAp tổng hợp ở nhiệt độ thấp và có mặt etanol có độ tinh thể thấp hơn HAp tổng hợp ở nhiệt độ cao và không có etanol Tuy nhiên, khi nhiệt độ tổng hợp tăng làm giảm diện tích bề mặt riêng của HAp Ngoài ra, bột HAp còn được tổng hợp từ vỏ trứng, xương
bò, mai cua và được pha tạp một số nguyên tố vi lượng có trong cơ thể như
Mg, Zn, Ag… để tăng hoạt tính kháng khuẩn HAp cũng được nghiên cứu tổng hợp để loại bỏ một số chất độc hại có trong nước: nitro benzen, F-
, NO3 -
[42-45]
1.2.2.2 HAp dạng xốp và gốm xốp
HAp dạng xốp và gốm xốp thường được nén ép từ HAp bột với một số chất kết dính và chất tạo xốp, sau đó thiêu kết ở nhiệt độ cao Peron E và các đồng nghiệp đã chế tạo gốm xốp HAp từ bột HAp được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa hóa học từ Ca(OH)2 và H3PO4, sấy khô ở 100o
C và nghiền trong cối gốm đến khi kích thước đạt khoảng 150 - 250 nm Sau đó, bột HAp được trộn với naphtalene (lượng vừa đủ) và thêm 4 giọt dung dịch polyvinyl ancol 1%, hỗn hợp này được ép trong khuôn hình trụ bằng thép không gỉ với áp lực 110 và 220 MPa, được làm nóng trong lò nung, nhiệt độ
1000, 1100 và 1200oC trong 3 giờ Kết quả thu được mẫu dạng khối 47% độ xốp, kích thước lỗ xốp khoảng 50-120 nm, ứng suất kéo mẫu 4 - 21 MPa và
độ tinh thể của HAp tăng lên [31]
Trang 16Ngoài phương pháp nén ép thiêu kết, HAp dạng gốm xốp còn được chế tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, phương pháp phản ứng thủy nhiệt Tuy nhiên các phương pháp này có nhược điểm thực hiện phản ứng ở nhiệt độ
và áp suất cao trong thời gian dài
1.2.2.3 HAp dạng compozit
HAp compozit cũng tạo ra vật liệu dạng khối xốp với nguyên liệu ban đầu HAp dạng bột, chất nền là các phân tử polyme Sự kết hợp của hạt HAp với polyme đã gắn kết hiệu quả những đặc tính của hai loại vật liệu này Các polyme có thể sử dụng như poly axit lactic, polystyren, collagen, chitosan, xenlulo… trong đó các polyme sinh học được quan tâm trong lĩnh vực y sinh
vì chúng có tính tương thích và phân hủy sinh học cao [46-49]
Để chế tạo được vật liệu compozit chứa HAp, cation Ca2+
được phân tán đều trong mạng lưới polyme sau đó các anion PO43- và OH- được đưa vào dưới dạng dung dịch để phản ứng tạo thành các nano tinh thể Hoặc có thể tạo các tinh thể nano HAp trước, sau đó phân tán chúng vào mạng lưới polyme Đồng thời mạng lưới polyme có tác dụng ngăn không cho các tinh thể HAp kết khối lại với nhau Các polyme sinh học được ưu tiên sử dụng làm chất nền thuận lợi cho việc gia công, chế tạo các chi tiết, đồng thời các polyme này còn
có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức
Ting Tian và cộng sự người Trung Quốc đã chế tạo vật liệu nanocompozit của poly axit lactic (PLA) và HAp bằng phương pháp ngâm/nhúng HAp đã thiêu kết được cho vào dung dịch của PLA đã chuẩn bị trước, sau đó dùng kỹ thuật ly tâm để loại bỏ dung dịch PLA không tham gia vào vật liệu compozit [50] Ảnh SEM của vi cấu trúc khung compozit PLA/HAp cho thấy có một lớp mỏng polyme phát triển trên các khung HAp với cấu trúc lỗ xốp của HAp đã thiêu kết không thay đổi (hình 1.8)
Trang 17Hình 1.8 Ảnh SEM vi cấu trúc khung compozit PLLA/nano HAp với các độ
phóng đại khác nhau [50]
1.2.2.4 HAp dạng màng
Với những vật liệu truyền thống, ngành phẫu thuật chấn thương chỉnh hình vẫn sử dụng các kim loại có tính tương thích sinh học như titan, thép không gỉ hay các hợp kim làm vật liệu cấy ghép để thay thế hay nối ghép các
bộ phận xương bị hư hỏng Mặc dù các vật liệu này có độ bền cơ lý cao nhưng khả năng tương thích sinh học còn hạn chế, bị ăn mòn theo thời gian nên các mô tế bào không có khả năng phát triển trên các kim loại đó Các bệnh nhân sẽ thấy đau đớn và khó chịu khi có những vật lạ nằm trong cơ thể
Để tăng độ cứng, độ bền cơ - hóa và hoạt tính sinh học của chi tiết cấy ghép, người ta chế tạo màng gốm HAp có độ dày mong muốn và có khả năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại Màng HAp đã cải thiện được hoạt tính sinh học cho các vật liệu y sinh bằng kim loại và hợp kim này, giúp quá trình liền xương nhanh hơn và thúc đẩy xương non phát triển Màng HAp thường được phủ trên nền kim loại và hợp kim bằng phương pháp vật lý và phương pháp điện hóa
a Phương pháp vật lý
Phương pháp vật lý là phương pháp tạo ra màng HAp từ ion hoặc chuyển pha Các phương pháp này có ưu điểm là có thể dễ dàng chế tạo được màng
Trang 18HAp có chiều dày cỡ µm Nhược điểm là màng có độ bám dính không cao với vật liệu nền, khó điều chỉnh được chiều dày của màng HAp, thực hiện ở nhiệt độ cao nên sản phẩm thường bị lẫn các tạp chất của vật liệu nền, HAp
dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao dẫn đến tỷ lệ Ca/P bị thay đổi Một số phương pháp vật lý được sử dụng: phương pháp plasma [7], bốc bay chân không [51]
và phún xạ magnetron [22]
A Dey và đồng nghiệp tại viện nghiên cứu gốm sinh học Kolkata- Ấn
Độ tổng hợp màng HAp bằng phương pháp phun plasma trên nền TKG316L với nguyên liệu đầu vào bột HAp kích thước 67 µm được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa hóa học trong buồng phun công suất 1,5 kW, môi trường khí Ar Sau đó, màng HAp/TKG316L được xử lý nhiệt 600oC trong không khí để tăng mức độ kết tinh và khả năng bám dính của màng HAp với nền Kết quả X-ray của HAp trước và sau khi phun cho thấy HAp tinh thể đơn pha, không thay đổi thành phần pha sau phun với độ tinh thể của HAp màng 91,5%, HAp bột 90% (hình 1.9) Kích thước được xác định thông qua hình ảnh SEM của màng HAp/TKG316L (hình 1.10a) và % thể tích lỗ xốp của màng HAp được xác định bằng hình ảnh SEM phát xạ trường của bề mặt màng HAp/TKG316L sau khi được đánh bóng bề mặt (hình 1.10b) Kết quả cho thấy màng HAp/TKG316L có kích thước hạt khoảng 50-70 µm Các lỗ rỗng tồn tại hai loại kích thước vĩ mô khoảng 10-30 µm và vi mô khoảng 1
µm Phần trăm thể tích lỗ xốp trung bình khoảng 18% và độ bám dính của màng HAp với nền 13 MPa Màng HAp/TKG316L chiều dày khoảng 200 µm được xác định độ cứng và mô đun đàn hồi bằng phương pháp vết lõm với tải trọng từ 10 - 100 mN Kết quả màng HAp/TKG316L có độ cứng từ 1,5 -5 GPa, mô đun đàn hồi 60-100 GPa [7]
Trang 19Hình 1.9: Giản đồ XRD của bột HAp tổng hợp (a) và HAp/TKG316L (b) [7]
Hình 1.10: Hình ảnh bề mặt màng HAp/TKG316L:
(a) sau khi phun và (b) sau khi đánh bóng bề mặt [7]
b Phương pháp điện hóa
Các phương pháp vật lý (plasma, phún xạ, bốc bay) đều tạo ra màng HAp có chiều dày cỡ µm Độ bám dính của màng HAp vào vật liệu nền không cao, dao động trong khoảng từ 15-30 MPa Trong khi đó yêu cầu độ bám dính của vật liệu y sinh phải đạt khoảng 50 MPa mới đảm bảo tuổi thọ và tránh sự thoái hóa sớm của vật liệu nền kim loại và hợp kim Để khắc phục hạn chế này, người ta đã chế tạo và phủ được lớp màng HAp có chiều dày cỡ
nm (màng n- HAp) trên các vật liệu nền khác nhau bằng phương pháp điện hóa như:
Trang 20* Phương pháp điện di:
Nguyên tắc của phương pháp điện di [52] dựa trên hiện tượng chuyển dịch tương đối của pha phân tán trong môi trường phân tán, dưới tác dụng của điện trường ngoài Pha phân tán là hạt HAp kích thước nano, môi trường phân tán là dung môi hữu cơ hoặc môi trường mô phỏng dịch thể của con người (SBF) Dưới tác dụng của điện trường phù hợp, các hạt huyền phù HAp tích điện âm và di chuyển về phía anôt để hình thành màng mỏng n – HAp (màng HAp có độ dày cỡ vài nanomet) trên bề mặt anôt với độ bám dính cao Phương pháp điện di đã tạo được màng n-HAp có độ bám dính lớn hơn 60 MPa
Ưu điểm của phương pháp này là dễ dàng điều khiển quá trình, có thể tạo được các màng có độ dày như mong muốn và đặc biệt là màng có khả năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại
U Kamachi Mudali và đồng nghiệp tại Ấn Độ đã tổng hợp màng HAp trên nền TKG316L bằng phương pháp điện di với nguyên liệu đầu là bột HAp được tổng hợp bằng phương pháp hóa học ướt từ H3PO4 0,3 M và Ca(OH)2
0,1 M Quá trình điện di thực hiện ở nhiệt độ phòng trong cốc thủy tinh 100
ml có nắp đậy cao su chứa huyền phù 2,5% HAp và rượu isopropyl, tốc độ khuấy 100 vòng/phút, điện thế thay đổi từ 30 đến 90 V, thời gian 3 phút Màng HAp/TKG316L được thiêu kết 1 giờ ở 800o
C trong chân không (10-5Torr) Sau đó, các mẫu được ngâm trong dung dịch SBF của Hank, kết quả đo điện thế mạch hở, phân cực vòng và tổng trở điện hóa cho thấy khả năng chống ăn mòn của vật liệu HAp/TKG316L tổng hợp tại điện thế 60 V cao hơn
so với vật liệu HAp/TKG316L tổng hợp ở các điện thế khác và nền TKG316L Kết quả phân tích thành phần pha của HAp tổng hợp ở 60 V trong
3 phút cho những pic nhọn với cường độ mạnh đã chỉ ra HAp có độ tinh thể cao Các thông số từ XRD cho thấy không có sự chuyển đổi cấu trúc hoặc
Trang 21thành phần hợp thức của HAp, đồng thời khẳng định bản chất ổn định của màng HAp hình thành sau khi thiêu kết với tỷ lệ Ca/P =1,67 (hình 1.11)
Hình 1.11: Giản đồ XRD của HAp/TKG316L tổng hợp ở 60 V, 3 phút [53]
* Phương pháp anôt hóa:
Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vật liệu bằng kim loại trơ để làm anôt như platin, titan… trong dung dịch chất điện giải chứa các ion
Ca2+ và PO4
3- Dưới tác dụng của điện áp một chiều từ 250 - 350 V, trên anôt
sẽ xảy ra hiện tượng phóng tia lửa điện tại các điểm dẫn điện tốt Tại nơi này nhiệt độ có thể lên tới 103
- 104 độ Kenvin làm cho kim loại bị oxy hóa và nóng chảy tạo thành một lớp oxit với chiều dày khoảng 1 - 2 µm có độ xốp cao Lớp oxit này có điện trở cao khi nguội và đóng rắn, làm cho hiện tượng tia lửa điện chuyển sang điểm có điện trở nhỏ hơn Thời gian anôt hóa 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 Ca2+
và PO4
3-, quá trình hình thành các tinh thể HAp phụ thuộc vào số lượng các mầm tinh thể trong khi phóng tia lửa điện và sự khuếch tán của các ion Ca2+
và PO4
đến bề mặt lớp oxit
Trang 22A Kar và đồng nghiệp trường Đại học Nevada, Hoa Kỳ tổng hợp HAp/Ti trong dung dịch chứa H2PO4
1,67 mM + Ca2+ 2,5 mM + NaCl 0,15
M, pH =7,2 được điều chỉnh bằng Tris và HCl [54] Nền Ti trước khi tổng hợp HAp được anôt hóa và xử lý bề mặt trong dung dịch kiềm để tạo lớp nano oxit TiO2 dạng ống trên bề mặt Ti với mục đích cải thiện độ bám dính của HAp với nền Kết quả SEM cho thấy quá trình xử lý bề mặt Ti anôt hóa trong dung dịch NaOH 0,5 M tại nhiệt độ 50oC tạo lớp nano TiO2 có cấu trúc ống đồng đều hơn khi xử lý ở 60o
C (hình 1.12)
Hình 1.12: Hình ảnh SEM của Ti anôt hóa được xử lý trong dung dịch
NaOH 0,5M trong 2 phút tại 50 o
C (a) và 60 o C (b) [54]
Màng HAp tổng hợp trên Ti sau khi đã xử lý anôt hóa và kiềm bằng phương pháp dòng áp đặt qua hai bước Bước 1 tạo xung dòng tới -10 mA/cm2 trong 0,2 giây từ mật độ dòng ban đầu 10 µA/cm2 trong 10 giây Bước 2, sau 100 vòng tạo xung, HAp được tổng hợp ở mật độ dòng không đổi trong thời gian 60 phút Kết quả HAp thu được có tinh thể dạng hình que với chiều dài 2-3 µm, đường kính 70-100 nm và mọc định hướng (hình 1.13) Đồng thời kết quả XRD cho thấy HAp tinh thể đơn pha (hình 1.14) Độ bám dính của màng HAp với nền Ti phụ thuộc vào quá trình xử lý bề mặt Ti anôt hóa trong kiềm Với màng HAp/Ti không xử lý kiềm, độ bám dính của màng
19 MPa Màng HAp/Ti xử lý kiềm có độ bám dính 25 MPa và độ bám dính
Trang 23của màng HAp với nền Ti tăng 40 MPa khi tiếp tục nung ở 600o
C trong môi trường khí trơ
Hình 1.13: Hình ảnh SEM của HAp/Ti: (a) mặt bên HAp hình thành trên lỗ
xốp TiO 2 và (b) bề mặt trên của HAp [54]
Hình 1.14: Giản đồ XRD của HAp/Ti [54]
* Phương pháp kết tủa catôt:
Nguyên lý của phương pháp này là dùng tác nhân dòng điện để kết tủa HAp lên vật liệu nền kim loại và hợp kim trong dung dịch chứa muối của canxi và amoniphotphat Điều kiện để kết tủa màng HAp là phải lựa chọn được thành phần dung dịch và điện thế hoặc dòng thích hợp Phương pháp này cho phép điều khiển được chiều dày màng và tổng hợp được màng có độ tinh khiết cao Màng HAp tổng hợp trên một số nền kim loại và hợp kim như: TKG316L, TKG304, titan và hợp kim của crôm trong dung dịch chứa muối
Ca2+, H2PO4- (tỉ lệ Ca/P là 1,67) và NaNO3 0,1 M, pH được điều chỉnh bằng
Trang 24NH4OH tại những giá trị điện thế và dòng catôt khác nhau Hình thái học, thành phần pha và thành phần hóa học của màng HAp tổng hợp bằng phương pháp kết tủa catôt phụ thuộc nhiều vào điều kiện tổng hợp và tính chất của vật liệu nền [1, 3, 35, 55-58]
Dong-Yang Lin và đồng nghiệp tổng hợp màng HAp trên nền CoNiCrMo trong dung dịch Ca(NO3)2 0,6 mM + NH4H2PO4 0,36 mM (tỉ lệ Ca/P là 1,67) + NaNO3 0,1 M, pH = 6 [1] Kết quả SEM của HAp sau 1 giờ tổng hợp, tại điện thế áp đặt từ -1,4 đến -2,2 V, nhiệt độ 80oC cho thấy HAp
có hình dạng khác nhau Tại -1,4 V, HAp có dạng phiến nhỏ xếp chồng lên nhau Hình thái học của HAp thay đổi đáng kể, có dạng que khi điện thế tổng hợp tăng lên -1,6 V và không bao phủ hoàn toàn trên bề mặt nền Các tinh thể HAp đồng đều và dày đặc khi điện thế -1,8 V Tuy nhiên, bề mặt HAp xuất hiện các lỗ rỗng khi điện thế cao hơn và có hiện tượng nứt bề mặt màng tại điện thế -2,2 V Sự nứt màng do khí H2 thoát ra nhiều khi điện thế tổng hợp cao (hình1.15) Đồng thời kết quả XRD cho thấy tại điện thế -1,4 V màng thu được chủ yếu pha của octacanxi photphat (OCP), tại các điện thế khác thu được pha của HAp (hình 1.16) Các kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian tổng hợp cũng ảnh hưởng đến bề mặt, hình thái học và pha của HAp thu được
Trang 25Hình 1.15: Hình ảnh SEM của HAp/CoNiCrMo tổng hợp tại các điện thế khác nhau: -1,4 (a), -1,6 (b), -1,8 (c), -2,0 (d) và -2,2 V (e) [1]
Hình 1.16: Giản đồ XRD của màng HAp tổng hợp tại điện thế khác nhau [1]
1.2.3 Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF)
Các vật liệu bằng kim loại và hợp kim như TKG, Ti, hợp kim của Ti được ứng dụng nhiều trong y sinh, đặc biệt trong nha khoa và chỉnh hình [2,
3, 59, 60] Các vật liệu này thường được làm nẹp vít xương, các loại ốc vít xương, chân răng giả để sửa chữa, thay thế cho những bộ phận hư hỏng của
Trang 26cơ thể [61] Tuy nhiên, khi đưa vào cơ thể thời gian dài từ 3-6 tháng, các vật liệu này ít nhiều vẫn bị ăn mòn và gây ra một số hiện tượng như hoại tử, phù nề gây khó chịu cho người bệnh Nhằm nâng cao chất lượng cho vật liệu y sinh bằng kim loại, hợp kim các nhà khoa học nghiên cứu chế tạo lớp phủ y sinh như titan nitrua (TiN), hydroxyapatit (HAp) để phủ lên những vật liệu này Các lớp phủ này đều có hoạt tính và tính tương thích sinh học cao
Khả năng tương thích sinh học của vật liệu cấy ghép với xương tự nhiên được quan tâm nghiên cứu bằng nhiều phương pháp khác nhau Một trong số các phương pháp tiếp cận quan trọng nhất là nghiên cứu sự tương thích sinh học của vật liệu cấy ghép với sự phát triển của xương thông qua sự hình thành một màng apatit trên bề mặt [62] Để mô phỏng sự phát triển của xương khi tiếp xúc với vật liệu cấy ghép trong cơ thể, các nhà khoa học đã nghiên cứu diễn biến điện hóa và sự hình thành màng apatit trên bề mặt vật liệu cấy ghép trong các môi trường sinh lý: dung dịch SBF, dung dịch Ringer lacta [2, 3, 63]
L Wang và đồng nghiệp tại Đại học Windsor, Canada đã nghiên cứu khả năng chống mài mòn và chịu ma sát của màng TiN và màng cacbon DLC trong dung dịch SBF [64] Lớp phủ TiN và cacbon DLC được tổng hợp trên nền TKG316L bằng phương pháp lắng đọng hơi vật lý, nhiệt độ không vượt quá 450°C Kết quả phân cực điện thế trong khoảng từ E0 ± 1,5 V/(Ag/AgCl), tốc độ quét 1 mV/s của mẫu TKG316L có và không phủ TiN hoặc cacbon DLC cho thấy mẫu có phủ TiN hoặc cacbon DLC có Rp cao hơn
và icorr thấp hơn mẫu TKG316L (hình 1.17 và bảng 1.2) Đối với vật liệu y sinh yêu cầu tốc độ khuếch tán ion ra môi trường chậm Tốc độ ăn mòn có liên quan đến tốc độ khuếch tán ion Khi tốc độ ăn mòn thấp, sự khuếch tán các ion của vật liệu y sinh chậm sẽ ít ảnh hưởng đến cơ thể người Mẫu TKG316L có Ecorr biến đổi thăng giáng trong quá trình ngâm, trong 2 giờ đầu ngâm Ecorr thấp hơn -0,1 V, sau đó tăng dần và dao động trong khoảng từ -
Trang 270,03 đến +0,03 V Đối với lớp phủ TiN, đường cong Ecorr trong nửa giờ đầu tăng dần đến 0,085 V, sau đó tương đối ổn định theo thời gian so với mẫu TKG316L Giai đoạn đầu Ecorr của mẫu cacbon DLC đạt + 0,1 V, sau đó tăng chậm trong suốt quá trình thử nghiệm và cuối cùng đạt 0,14 V (hình 1.18)
Hình 1.17: Đường cong phân cực
Bảng 1.2 Các thông số phân cực vòng điện thế của TKG316L có và không
phủ TiN hoặc cacbon DLC trong dung dịch SBF [64]
Ecorr (mV)
Trang 28và không phủ HAp cho thấy điện thế phóng điện (Eb) và điện thế thụ động (Ep) của mẫu HAp/TKG316L (tương ứng 487,1 và 117,3 mV) cao hơn của mẫu TKG316L (tương ứng 450,2 và -154,6 mV) Đối với mẫu TKG316L thụ động tại điện thế 0,64 V có Eb = 536 mV cao hơn mẫu thụ động tại -0,36 V (ứng 365,4 mV) và 0,2 V (ứng 397 mV) Đường cong phân cực của mẫu HAp/TKG316L được thụ động trong borat cho giá trị Eb = 575,2 mV lớn hơn mẫu HAp/TKG316L không thụ động và mẫu TKG316L thụ động (hình 1.19) Kết quả này cho thấy màng HAp-thụ động hoạt động như một hàng rào bảo
vệ bề mặt kim loại và dung dịch bằng cách ngăn sự khuếch tán các ion kim loại nền vào trong dung dịch
Hình 1.19: Đường cong phân cực vòng của mẫu TKG316L, HAp/TKG316L, TKG316L thụ động và HAp/TKG316L thụ động trong dung dịch Ringer [65]
Phổ Nyquist và Bode trong dung dịch Ringer tại điện thế mạch hở của TKG316L phủ và không phủ HAp, thụ động và không thụ động được thể hiện trong hình 1.20 Đối với mẫu TKG316L điện trở phân cực và mô đun tổng trở tương ứng 43,95 và 1,779 Mẫu HAp/TKG316L có /Z/ và Rp cao hơn TKG316L, tương ứng 2,936 và 844 Mẫu TKG316L thụ động tại 0,6 V có /Z/ = 3,162 và Rp = 1359 Giá trị Rp cao nhất 1487 và /Z/ = 3,195 thu được trên mẫu HAp/TKG316L thụ động Sự tăng của /Z/ chứng tỏ khả năng
Trang 29chống ăn mòn của vật liệu khi được xử lý thụ động và có thêm lớp phủ HAp Kết quả XRD của TKG316L thụ động và HAp/TKG316L thụ động cho thấy lớp thụ động ngoài oxit Fe còn có oxit của Cr (hình 1.21)
Hình 1.20: Phổ Nyquist và Bode của TKG316L, HAp/TKG316L, TKG316L thụ động và HAp/TKG316L thụ động trong dung dịch Ringer [65]
Hình 1.21: XRD của TKG316L thụ động (a) và HAp/TKG316L (b) [65]
Bên cạnh đó hình ảnh SEM bề mặt của bốn loại mẫu ngâm trong dung dịch Ringer cho thấy ưu điểm của màng HAp/TKG316L thụ động TKG316L
do không có màng bảo vệ, bề mặt xuất hiện nhiều lỗ rỗng (hình 1.22a) Các lỗ này vẫn xuất hiện trên mẫu HAp/TKG316L cho thấy sự hòa tan kim loại nền
và giải phóng các ion vào dung dịch Sự xuất hiện các lỗ gần như dừng lại trên mẫu TKG316L thụ động do sự hình thành của lớp oxit trên bề mặt Hình 1.22d cho bề mặt đồng nhất trên mẫu HAp/TKG316L thụ động, không thấy
Trang 30các lỗ rỗng Điều này chứng tỏ được khả năng cải thiện chống ăn mòn của màng HAp/TKG316L thụ động
Hình 1.22: Hình ảnh SEM của TKG316L (a), HAp/TKG316L (b), TKG316L thụ động (c) và HAp/TKG316L thụ động (d) sau ngâm trong Ringer [65]
1.2.4 Vai trò và ứng dụng của HAp
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 đỡ cho các bộ phận khác, hình thành nên kiến trúc và hình dáng cơ thể Chất khoáng trong xương gồm chủ yếu là HAp dạng khối xốp và một số chất chứa
Na+, K+, Mg2+, Cl-, F-, CO32- [39, 66] HAp có vi cấu trúc là các sợi tinh thể dài khoảng 1015 nm kết thành bó xốp với độ xốp từ 40 60% gồm các mao quản thông nhau tạo ra phần khung của xương [67] Do có hoạt tính sinh học, có khả năng tương thích với các cấu trúc xương và có tính dẫn xương tốt nên HAp có thể được dùng để nối ghép, thay thế xương trong cơ thể người
Trang 31Các phẫu thuật ghép xương, chỉnh hình đã đạt được nhiều thành tựu nhờ ứng dụng vật liệu y sinh HAp
Bệnh loãng xương cũng đang là một vấn đề lớn đối với y học, bởi vì nó ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng cuộc sống của số đông người cao tuổi, đặc biệt là phụ nữ Vì vậy, việc bổ sung canxi bằng các sản phẩm chức năng
có chứa HAp là quan trọng và cần thiết cho sức khỏe con người Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của HAp tuỳ theo dạng tồn tại của nó:
Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HAp như: làm điện cực sinh học [72], làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [73], vận chuyển và phân tán insulin trong ruột [74]
1.2.4.3 Ứng dụng của HAp dạng composit
Gốm y sinh HAp nguyên chất không phù hợp với những vùng xương phải chịu tải trọng nặng của cơ thể bởi tính dễ vỡ, độ bền cơ học thấp trong môi trường cơ thể người, ngoài ra nếu sử dụng ở dạng khối hoặc hạt thì HAp không thể phân hủy trong cơ thể người Do đó HAp được kết hợp với các
Trang 32polyme phân hủy sinh học (polyaxit lactic, poly acrylic axit, chitosan ) để tạo ra vật liệu thay thế xương [17, 58, 75, 76]
1.2.4.4 Ứng dụng của HAp dạng màng [38]
Đối với các bộ phận xương của cơ thể đòi hỏi độ bền cao như xương hông, xương đùi, xương đầu gối, răng, thường phải phẫu thuật thay thế xương thiếu hụt bằng các vật liệu bền cơ, nhẹ và không có phản ứng với cơ thể Phổ biến nhất là vật liệu TKG316L, Ti6Al4V Mặc dù đây là vật liệu trơ về sinh học, tuy nhiên trong thực tế do các vật ghép phải chung sống cùng cơ thể nên vẫn có sự ăn mòn của vật liệu ghép, sự ăn mòn tạo ra các sản phẩm gây độc hại với cơ thể, mặt khác làm lỏng lẻo sự liên kết giữa xương tự nhiên và phần ghép
Người ta khắc phục tồn tại này bằng cách phủ lên bề mặt các vật liệu ghép một lớp gốm y sinh Sự bổ sung lớp gốm HAp thực sự làm cải thiện đáng kể chất lượng của vật liệu cấy ghép Tuy nhiên các màng gốm HAp được tạo ra bằng phương pháp vật lý như plasma, cộng hưởng từ bằng phương pháp kết tủa hoá học đều có độ bám dính với vật liệu nền không cao dẫn đến giảm tuổi thọ vật liệu ghép, làm xuất hiện những bệnh như thoái hoá sớm của các vật ghép Màng HAp được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa
đã cải thiện đáng kể độ bám dính của HAp với vật liệu nền
Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng HAp có độ bám dính cao, chúng
ta không chỉ làm tăng tuổi thọ các chi tiết ghép mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng của màng HAp từ chỗ chỉ áp dụng cho ghép xương hông sang có thể ứng dụng ghép xương chân, xương đùi, xương khớp gối và các sửa chữa thay thế răng
Hao Wang và các đồng nghiệp tại phòng Khoa học vật liệu và năng lượng, Viện Công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ đã nghiên cứu sự hình thành xương non của xương chân chó khi được cấy ghép với Ti6Al4V có và không phủ HAp bằng phương pháp điện hóa và phương pháp phun plasma Kết quả
Trang 33nghiên cứu hiển vi điện tử quét môi trường sau 7 ngày cấy ghép cho thấy tỷ lệ ghép lại xương của vật liệu Ti6Al4V có phủ màng HAp cao hơn nhiều so nền Ti6Al4V (hình 1.23) Tại bề mặt giao diện giữa xương và vật liệu cấy ghép sớm hình thành các cụm khoáng kích thước nano trong thời gian cấy ghép từ
6 giờ đến 7 ngày (hình 1.24a) Sau giai đoạn tạo khoáng (7 đến 14 ngày cấy ghép) thấy hình thành các mô xương mới với các sợi collagen tự kết nối từ các tiểu cầu HAp (hình 1.24b) [77]
Hình 1.23: Hình ảnh ESEM sự phát triển của xương chân chó sau 7 ngày cấy
ghép: (a) Ti6Al4V và (b) HAp/Ti6Al4V [77]
Hình 1.24: Ảnh TEM sự hình thành các cụm khoáng (a) và mô xương (b) [77]
1.2.4 Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, các nghiên cứu chế tạo và phát triển HAp dạng bột, màng và gốm xốp nhằm ứng dụng trong y dược học đang thu hút nhiều nhóm nghiên
Trang 34cứu trong nước Dưới đây là các nhóm tiêu biểu và các hướng nghiên cứu có liên quan đến việc tổng hợp HAp và HAp pha tạp các nguyên tố vi lượng định hướng ứng dụng trong lĩnh vực y – dược học:
Bộ môn Hóa vô cơ, khoa Hóa học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiến hành nghiên cứu quá trình tổng hợp HAp dạng bột bằng phương pháp kết tủa hóa học Kết quả lựa chọn được điều kiện thích hợp tổng hợp bột HAp tại
80oC trong dung môi rượu với tỷ lệ Ca/P = 5/3, tốc độ nhỏ H3PO4 6 mL/phút,
pH = 9,5-10 Ngoài ra nhóm nghiên cứu còn tổng hợp khá thành công vật liệu HAp phủ trên màng polyme sinh học PVA với độ bám dính của màng tương đối tốt và sự phân bố HAp trên bề mặt màng khá đồng đều Kết quả thu được đang dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm mà chưa có những khảo sát sâu hơn như thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF) hay thử nghiệm lâm sàng trên động vật [78, 79]
Nhóm nghiên cứu của PGS.TS Đỗ Ngọc Liên, Viện Công nghệ xạ hiếm
đã triển khai đề tài nghiên cứu cấp Bộ về tổng hợp bột và chế thử gốm xốp HAp Tuy nhiên trong đề tài vẫn sử dụng quy trình tổng hợp của Italy và nguyên liệu nhập khẩu để chế tạo gốm xốp, do đó giá thành của sản phẩm rất cao Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng tạo màng HAp bằng phương pháp sol-gel trong dung môi etanol [67, 80]
Tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam nhóm nghiên cứu của PGS.TS Đào Quốc Hương, đã thực hiện một số đề tài nghiên cứu tổng hợp HAp dạng bột, những kết quả ban đầu đã mở ra triển vọng ứng dụng bột HAp làm nguyên liệu trong việc bào chế thuốc chống loãng xương và HAp dạng gốm xốp với mục đích dùng làm vật liệu nối xương trong phẫu thật chỉnh hình [81, 82] Nhóm nghiên cứu của TS Lê Anh Tuấn báo cáo tổng kết đề tài chế tạo vật liệu compozit polyme- hydroxyapatit cho mục đích ứng dụng trong y sinh Kết quả nghiên cứu vật liệu compozit
Trang 35polyme- hydroxyapatit trong dung dịch SBF theo thời gian cho thấy pH dung dịch giảm liên tục và đạt giá trị pH 6,9-7,0 sau 30 ngày ngâm mẫu [83]
Luận án tiến sĩ của Vũ Duy Hiển đã tổng hợp thành công vật liệu HAp đơn pha dạng khối xốp bằng phương pháp thủy nhiệt trực tiếp từ khung xương mai mực Gốm xốp nhận được sau khi thiêu kết vẫn giữ được cấu trúc xốp tự nhiên của mai mực ban đầu Những thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng cơ thể người đã khẳng định mẫu gốm xốp HAp đều có tính tương thích sinh học, trong môi trường này mẫu gốm xốp không phản ứng hóa học tạo ra các pha lạ, không bị phá hủy, bền hóa học và trọng lượng của các mẫu tăng Các tinh thể HAp kết tinh và phát triển đồng đều trong toàn bộ khối xốp, đặc biệt đối với mẫu gốm nhận được từ khung xương san hô và mai mực có tốc
độ kết tinh tốt hơn [38]
Ở Việt Nam hiện nay hầu hết sử dụng nẹp vít xương bằng thép không gỉ được nhập khẩu từ nước ngoài có giá thành rất cao và độ tương thích sinh học trung bình, nhiều trường hợp nẹp vít được đưa vào cơ thể người sau thời gian sáu tháng có hiện tượng loãng xương và gây phù nề ở chỗ tiếp xúc giữa xương người và nẹp vít bằng kim loại Để cải thiện tình trạng này đã có một
số nghiên cứu về việc phủ TiN lên nền thép không gỉ 304 hoặc 316L và nghiên cứu ảnh hưởng của nẹp vít mạ TiN đến phần mềm và tổ chức xương quanh ổ kết xương trên thực nghiệm của TS Nguyễn Hồng Hà ở Học Viện Quân Y và Kỹ sư Nguyễn Thị Khuyến - Trung tâm Quang điện tử, Viện Ứng dụng công nghệ đã cho kết luận nẹp vít mạ TiN không gây xơ hóa, biến dạng
và viêm mãn tính các mô mềm [84, 85] Ở mô xương chưa phát hiện thấy hiện tượng tiêu xương ở chân vít, loãng xương hoặc thưa xương ở phần xương dưới nẹp trong thời gian 180 ngày kết xương đùi chó Quan sát nẹp vít
mạ TiN chưa thấy biểu hiện giảm trọng lượng, mất độ bóng, biến màu và đặc biệt không có biểu hiện bong tróc lớp mạ Tuy nhiên lớp phủ TiN được thực hiện bằng phương pháp phún xạ chân không nên có giá thành cao và khó đưa
Trang 36vào sản xuất với số lượng lớn Để khắc phục nhược điểm này, nhóm nghiên cứu của Viện Kỹ thuật nhiệt đới kết hợp với phòng thí nghiệm phun phủ và
xử lý bề mặt của trường Đại học Belford - Pháp và công ty cổ phần Sakura chế tạo lớp mạ TiN bằng phương pháp phún xạ magnetron một chiều, với thiết bị công nghệ cao nhập khẩu từ Nhật Bản cho phép chế tạo lớp phủ TiN trên thép không gỉ 316L với chất lượng đạt tiêu chuẩn nẹp vít mạ TiN sản xuất theo công nghệ Đức
Tại Viện Khoa học vật liệu nhóm nghiên cứu của PGS.TS Tô Duy Phương đã nghiên cứu chế tạo hợp kim nha khoa trên cơ sở Ni-Cr-Mo-Ti dùng trong phẫu thuật và phục hình răng [86] Nhằm nâng cao hoạt tính sinh học cho vật liệu y sinh kim loại và hợp kim, nhóm tác giả [87] đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, pH và H2O2 đến tính chất của màng HAp tổng hợp trên Ti bằng phương pháp kết tủa điện hóa trong dung dịch chứa muối Ca2+
và HPO42- với nồng độ khá cao và có khuấy Kết quả màng HAp tổng hợp dạng phiến khá thô và rời rạc, độ rỗ cao và có cấu trúc xốp
Từ năm 2011, nhóm nghiên cứu của PGS.TS Đinh Thị Mai Thanh, Viện
Kỹ thuật nhiệt đới đã thực hiện một số đề tài nghiên cứu tổng hợp màng HAp trên nền TKG304, TKG316L và TiN/TKG316L bằng phương pháp kết tủa điện hóa trong dung dịch chứa muối Ca2+
và H2PO4- Kết quả đã lựa chọn được điều kiện thích hợp để tổng hợp màng HAp và HAp tổng hợp có cấu trúc tinh thể, đơn pha dạng cầu, que hoặc xương rồng Bên cạnh đó, sự tương thích của vật liệu phủ màng HAp được thử nghiệm trong dung dịch SBF Kết quả thử nghiệm trong SBF cho thấy màng HAp tổng hợp có khả năng che chắn bảo vệ cho vật liệu nền, đồng thời màng apatit hình thành dạng tinh thể, đơn pha, cấu trúc xương rồng [55, 88, 89] Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng đã nghiên cứu tổng hợp bột HAp pha tạp nguyên tố Mg và Al bằng phương pháp kết tủa hóa học [90, 91] Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng chế tạo thành công compozit PLA/HAp bằng các phương pháp khác nhau và kết
Trang 37quả thử nghiệm 3 tháng trong xương chân chó cho thấy vật liệu có khả năng tương thích tốt, không gây phù nề, phát triển xương mới và mạch máu rất mạnh [92]
Từ việc phân tích tổng quan ở trên có thể thấy:
Màng TiN và HAp đã được nghiên cứu tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau để tăng hoạt tính sinh học cho các vật liệu cấy ghép xương Kết quả nghiên cứu trong các dung dịch sinh lý (SBF, Ringer-lacta…) và trong cơ thể động vật cho thấy màng TiN và HAp đã che chắn bảo vệ cho vật liệu nền và có hoạt tính sinh học cao, do đó làm tăng tính tương thích sinh học cho các vật liệu y sinh bằng kim loại và hợp kim
Tuy nhiên, việc lựa chọn điều kiện công nghệ thích hợp để tổng hợp màng HAp trên các nền kim loại, hợp kim khác nhau chưa được nghiên cứu đầy đủ Đặc biệt, các kết quả nghiên cứu tổng hợp màng HAp bằng phương pháp điện hóa chủ yếu bằng áp dòng hoặc áp thế mà chưa có công trình công
bố nào tổng hợp HAp bằng quét thế động Chính vì vậy, trong luận án này, màng HAp được tổng hợp trên nền TKG316L bằng phương pháp quét thế động Ngoài ra, màng HAp cũng được tổng hợp trên nền TiN/TKG316L bằng phương pháp áp thế với vật liệu nền TiN/TKG316L được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron một chiều
Trang 38CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất và điều kiện thực nghiệm
2.1.1 Hóa chất
- Bia titan (độ tinh khiết 99,999 %) của Goodfellow, khí nitơ (độ tinh
khiết 99,999 %) và khí argon (độ tinh khiết 99,998 %)
- Muối: Ca(NO3)2.4H2O, NH4H2PO4, NaNO3, NaCl, NaHCO3, KCl,
Na2HPO4.2H2O, MgCl2.6H2O, CaCl2, KH2PO4, MgSO4.7H2O, đường glucoza
C6H12O6, H2O2 30 %, NH4OH, KMnO4, H2SO4 Các hóa chất này đều là loại tinh khiết của Merk
2.1.2 Tổng hợp màng TiN bằng phương pháp phún xạ magnetron một chiều
* Chuẩn bị vật liệu nền: Mẫu TKG316L có thành phần hóa học: 0,3 %
Al; 0,22 % Mn; 0,56 % Si; 17,98 % Cr; 9,34 % Ni; 2,15 % Mo; 0,045 % P và 69,45 % Fe được đánh bóng cơ học bằng máy rung 3D, đánh bóng bằng nỉ, rửa sạch bằng nước cất trong bể rửa siêu âm
* Điều kiện tổng hợp TiN:
Màng TiN được tổng hợp trên TKG316L bằng thiết bị Roots nhập khẩu
từ Nhật Bản của Công ty Cổ phần Sakura với buồng phun chân không kích thước 600900600 mm có chứa 8 bia titan đặt ở hai bên trái và phải (mỗi bên 4 bia) với đường kính 40 mm, chiều dài 95 mm, hai bia titan ở giữa có đường kính 46 mm và dài 90 mm, khoảng cách bia - nền 300 mm Khí nitơ
và Argon được điều chỉnh tốc độ bằng van điều áp
TiN được tổng hợp bằng phương pháp phún xạ magnetron một chiều: áp suất phún xạ 0,13 Pa, công suất nguồn 400 W, nhiệt độ đế thép không gỉ
200oC, thời gian tổng hợp 30 phút, tỷ lệ khí N2/Ar là 1/10 với khí N2 6 % Chiều dày màng TiN thu được khoảng 2,8 µm
Trang 392.1.3 Tổng hợp điện hóa HAp trên nền TKG316L
* Chuẩn bị vật liệu nền: Mẫu TKG316L dùng tổng hợp HAp có kích
thước là 10100 2 mm, đánh bóng bằng giấy nhám loại 320, 400 của Trung Quốc và đánh lại bằng giấy nhám tinh loại 600, 800 và 1200 của Nhật Bản Sau đó rửa sạch bằng nước cất, tráng lại bằng cồn, để khô và dùng epoxy để giới hạn diện tích làm việc 1 cm2
* Điều kiện tổng hợp HAp:
Màng HAp được tổng hợp bằng phương pháp quét thế động theo hướng catôt (từ 0 đến - 2,5 V/SCE) trong bình điện hóa chứa 80 ml dung dịch có thành phần và nồng độ như sau (bảng 2.1):
Bảng 2.1 Thành phần dung dịch tổng hợp HAp trên nền TKG316L
0,15 0, 2, 4, 6 và 8 D2 2,510-2 1,510-2
2.1.4 Tổng hợp điện hóa HAp trên nền TiN/TKG316L
* Chuẩn bị vật liệu nền: Mẫu TiN/TKG316L dùng tổng hợp HAp có
kích thước là 10100 2 mm, được rửa sạch mẫu với nước cất, tráng lại bằng cồn, để khô và dùng epoxy để giới hạn diện tích làm việc 1 cm2
* Điều kiện tổng hợp HAp:
Màng HAp được tổng hợp bằng phương pháp áp thế trong bình điện hóa chứa 80 ml dung dịch có thành phần và điều kiện tổng hợp như bảng 2.2:
Trang 40Bảng 2.2 Thành phần dung dịch và điều kiện tổng hợp HAp trên nền
TiN/TKG316L
Ca(NO3)2 4H2O
(M)
NH4H2PO4 (M)
NaNO3 (M)
H2O2 (% khối lượng) Nồng độ 3,010-2 1,810-2 0,15 0, 2, 4 và 6
2.1.5 Thử nghiệm trong dung dịch SBF
Dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người SBF được pha 1 lít từ các hóa chất có thành phần được chỉ ra trên bảng 2.3 pH dung dịch 7,3 được điều chỉnh bằng dung dịch NaOH 1 M, dung dịch trong suốt và không có kết tủa hay vẩn đục, được bảo quản ở nhiệt độ phòng [2, 3, 93]
Khảo sát sự biến đổi khối lượng, khả năng hình thành apatit và diễn biến
ăn mòn của bốn vật liệu: TKG316L, HAp/TKG316L, TiN/TKG316L và HAp/TiN/TKG316L trong dung dịch SBF được thực hiện trong bình điện hóa
có thể tích 80 ml, ở nhiệt độ 37 ± 1oC với hệ 3 điện cực: điện cực làm việc là mẫu TKG316L hoặc HAp/TKG316L hoặc TiN/TKG316L hoặc HAp/TiN/TKG316L có diện tích làm việc 1 cm2
,điện cực đối Pt và điện cực
so sánh là calomen bão hòa KCl
