Chế tạo và đặc trưng của vật liệu tổ hợp polyaxitlactienanohydroxyapatic định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương

* Mục tiêu của luận án Chế tạo thành công vật liệu tổ hợp trên cơ sở poly axit lactic và nanohydroxyapatit pha tạp biến tính; đánh giá được khả năng tương thích sinh học của vật liệu tổ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

PHẠM THỊ THU TRANG

CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU TỔ

HỢP POLYAXIT LACTIC/NANO HYDROXYAPATIT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẤY GHÉP XƯƠNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2017

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

…… ….***…………

PHẠM THỊ THU TRANG

CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP POLYAXIT LACTIC/NANO HYDROXYAPATIT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẤY GHÉP XƯƠNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa Lý

Mã số: 62440119

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Đinh Thị Mai Thanh

2 GS.TS Thái Hoàng

Hà Nội – 2017

CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan Các kết quả này chưa từng được công bố trong một nghiên cứu nào khác

Tác giả luận án

NCS Phạm Thị Thu Trang

Trong quá trình thực hiện luận án, tôi chân thành cảm ơn vì sự giúp đỡ, hợp tác nghiên cứu của các cơ quan: Bộ môn Sinh lý- Học viện Quân y, Trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Viện Khoa học Vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương Đồng thời, tôi cũng

đã nhận được sự đóng góp quý báu của các Thầy Cô giáo, các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực

Nhân dịp này, tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của lãnh đạo chỉ huy cùng các anh chị em đồng nghiệp tại Bộ môn Hoá học - Học viện Quân y

đã luôn tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận án

Lời sau cùng, xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới những người bạn, người thân trong gia đình và nhất là bố, mẹ, đã luôn kịp thời động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án

Phạm Thị Thu Trang

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Bạch cầu B : Bạch cầu đa nhân ưa bazơ

Bạch cầu E : Bạch cầu đa nhân ưa axit

Bạch cầu L : Bạch cầu Limpho

Bạch cầu M : Bạch cầu Monocyt

Bạch cầu N : Bạch cầu đa nhân trung tính

ECG : Kỹ thuật ghi điện tim

EDX : Tán xạ năng lượng tia X

FT-IR : Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

g-HAp : HAp ghép monome axit L-lactic

GOT : Enzym glutamic oxaloacetic transaminazơ GPT : Enzym glutamic pyruvic transaminazơ

mHA : HAp biến tính

MNHAp : HAp được biến tính bề mặt bằng chất liên kết

metacryloxypropyl-trimetoxysilan n-HAp : Nano hydroxyapatit

op-HA : oligome axit L-lactic

PCL : Polycaprolacton

PDLA : Poly(D(-) axit lactic)

PDLLA : Poly (D,L axit lactic)

PEG : Polyetylglycol

PEO : Polyetylenoxit

PLA : Poly(axit lactic)

PLLA : Poly(L(+) axit lactic)

PVC : Polyvinylclorua

SBF : Dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người

SD : Độ lệch chuẩn

SEM : Kính hiển vi điện tử quét

TEM : Kính hiển vi điện tử truyền qua

Tg : Nhiệt độ thủy tinh hóa TGA : Phân tích nhiệt khối lượng

Tm : Nhiệt độ nóng chảy

c : Độ kết tinh

XRD : Nhiễu xạ tia X

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 13

1.1 Hydroxyapatit (HAp) 13

1.1.1 Tính chất hóa học 13

1.1.2 Tính chất sinh học 14

1.1.3 Các phương pháp tổng hợp HAp 14

1.1.4 HAp pha tạp 19

1.1.5 Ứng dụng của HAp 23

1.1.6 Tình hình nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng HAp ở Việt Nam 24

1.2 Poly axit lactic 25

1.2.1 Tính chất của poly axit lactic 25

1.2.2 Ứng dụng của PLA 29

1.3 Vật liệu tổ hợp polyaxit lactic/hydroxyapatit (PLA/HAp) và ứng dụng 30

1.3.1 Các phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp PLA/HAp 30

1.3.2 Thử nghiệm vật liệu tổ hợp PLA/HAp trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF) và thử nghiệm invivo trên động vật 38

1.3.3 Tình hình nghiên cứu chế tạo, tính chất, hình thái cấu trúc vật liệu tổ hợp PLA/HAp ở nước ta 42

1.3.4 Ứng dụng của vật liệu tổ hợp PLA/HAp 44

1.4 Cấu trúc xương trong cơ thể người và các yêu cầu kỹ thuật, y sinh đối với vật liệu dùng để cấy ghép xương 45

1.4.1 Cấu trúc xương trong cơ thể người [1] 45

1.4.2 Các yêu cầu kỹ thuật, y sinh đối với vật liệu dùng để cấy ghép xương [19] 46

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 48

2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị 48

2.1.1 Hóa chất 48

2.1.2 Dụng cụ, thiết bị 48

2.2 Tổng hợp vật liệu 50

2.2.1 Phương pháp tổng hợp các bột nano HAp, HAp pha tạp 50

2.2.2 Biến tính bề mặt bột HAp, HAppt 52

2.2.3 Chế tạo vật liệu tổ hợp PLA/nano-HAp bằng phương pháp dung dịch 53

2.3 Các phương pháp nghiên cứu 54

2.3.1 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) [12] 54

2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRay) [12] 54

2.3.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) [14] 55

2.3.4 Phương pháp tán xạ năng lượng tia X (EDX) [12] 55

2.3.5 Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng TGA [12] 55

2.3.6 Phương pháp xác định tính chất cơ học [35] 56

2.3.7 Phương pháp xác định độ xốp mở [37] 57

2.3.8 Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF) 58

2.3.9 Các phương pháp ghép vật liệu trên xương chó thực nghiệm [7] 59

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64

3.1 Nghiên cứu đặc trưng hóa lý của HAp, HAp pha tạp kẽm hoặc magie 64

3.1.1 Thành phần của bột HAp, HAp pha tạp kẽm hoặc magie 64

3.1.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X 66

3.1.3 Hình thái học của bột HAp, Zn-HAp, Mg-HAp 72

3.2 Biến tính hữu cơ bề mặt HAp 74

3.2.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ HAp:LA 74

3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 79

3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 81

3.2.4 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy 83

3.2.5 HAp pha tạp biến tính 86

3.3 Đặc trưng vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp chế tạo bằng phương pháp dung dịch 87

3.3.1 Vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp 87

3.3.2 Vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApbt 95

3.3.3 Vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt 97

3.4 Nghiên cứu khả năng tương thích sinh học của vật liệu trong môi trường mô phỏng dịch cơ thể người (dung dịch SBF) 103

3.4.1 Sự biến đổi pH của dung dịch ngâm và khối lượng mẫu 103

3.4.2 Hình thái bề mặt của vật liệu sau khi ngâm trong dung dịch SBF 106 3.4.3 Thành phần pha của PLA, vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp chế tạo bằng phương pháp dung dịch trước và sau khi ngâm trong SBF 107

3.5 Thử nghiệm sử dụng vật liệu PLA/nanoHApptbt/PEO/NH4HCO3 làm vật liệu ghép xương 109

3.5.1 Giai đoạn trước phẫu thuật 109

3.5.2 Giai đoạn cấp tính (trong vòng 1 tuần sau phẫu thuật) 112

3.5.3 Giai đoạn bán trường diễn và trường diễn sau phẫu thuật 118

KẾT LUẬN 126

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 127

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO 129

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.Cấu trúc của HAp [119] 13 Hình 1.2.Một số hình dạng khác nhau của HAp [105] 15 Hình 1.3.Ảnh SEM và giản đồ EDX của các mẫu HAp và HAp pha tạp Fe ở các hàm lượng khác nhau [96] 20 Hình 1.4.Ảnh TEM và giản đồ nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng của mẫu HAp và HAp pha tạp Mg sau khi sấy [66] 21 Hình 1.5 Ảnh SEM của các mẫu: HAp (a) và HAp pha tạp Mg (b) [32] 22 Hình 1.6 Các dạng cấu trúc PLA [78] 26 Hình 1.7 Ảnh SEM chụp (a) bề mặt của vi cầu PLA/nanoHAp, (b) mặt cắt

ngang của vi cầu PLA/nanoHAp, (c) nanoHAp [48] 32 Hình 1.8.Tính chất cơ học (a, b) và giản đồ DMTA (c, d) của PLA và vật liệu tổ hợp PLA/nano HAp không biến tính (HA/PLA) và PLA/nano HAp biến tính (mHA/PLA) [45] 33 Hình 1.9 Ảnh TEM của (a) HAp-NH2, (b) HAp-Br, (c) HAp-PLLA và (d) phân tích DLS của HAp-NH2, HAp-Br và HAp-PLLA [63] 35 Hình 1.10.Ảnh TEM của vật liệu tổ hợp PLLA/MNHAp (a), PLLA/NHAp (b)

và mô đun nén của vật liệu tổ hợp PLLA/MNHAp và PLLA/NHAp ở các tỉ lệ khác nhau[117] 36 Hình 1.11 Đồ thị biểu diễn mô đun kéo và độ bền kéo đứt của vật liệu compozit PLA/HAp (HA/PLA); PLA/HAp-ghép 1 % LA (g-HA-1/PLA); PLA/HAp-ghép

2 % LA(g-HA-2/PLA) và PLA/HAp-ghép 3 % LA (g-HA-3/PLA) [79] 37 Hình 1.13 Khả năng phát triển của tế bào sụn được cấy lên bề mặt PLA và vật liệu tổ hợp PLA/HA có và không biến tính [45] 39 Hình 1.14 Ảnh SEM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/HAp ban đầu (a, b)

và sau 7 ngày ngâm trong dung dịch SBF(c, d) [113] 40 Hình 1.15 Ảnh chụp X-quang xương được cấy ghép với vật liệu tổ hợp [122] 41 (trong đó mẫu không cấy ghép (A1&2), ghép PLGA (B1&2), ghép vật liệu compozit 5 wt.% op-HA/PLGA (C1&2), ghép vật liệu compozit 10 wt.% op-HA/PLGA (D1&2), ghép vật liệu compozit 20 wt.% op-HA/PLGA (E1&2),

ghép vật liệu compozit 40 wt.% op-HA/PLGA (F1&2) và ghép vật liệu

compozit HA/PLGA (G1&2) sau 4 (1) và 24 (2) tuần sau phẫu thuật) 41

Hình 1.16.Ảnh SEM của vật liệu compozit PLLA/HAp trước (a) và sau 3 tuần thử nghiệm invivo trên chuột [93] 42

Hình 2.1.Sơ đồ tổng hợp bột nano HAp, HAp pha tạp 51

Hình 2.2 Sơ đồ biến tính bề mặt nanoHAp, HAppt 52

Hình 2.3 Sơ đồ chế tạo vật liệu tổ hợp PLA/nano-HAp 53

Hình 2.4 Sơ đồ nhiễu xạ tia X 54

Hình 2.5.Hình dạng mẫu chuẩn trước khi đo độ bền kéo đứt của vật liệu 56

Hình 2.6.Biến dạng vật liệu khi tác dụng lực 57

Hình 2.7 Tác động của dung môi đối với vật liệu xốp và thiết bị đo 58

Hình 3.1 Phổ tán xạ năng lượng tia X của nano HAp, nano HAp pha tạp Zn tỉ lệ 9,5/0,5; 9/1; 8/2; nano HAp pha tạp Mg tỉ lệ 9,5/0,5; 9/1; 8/2 64

Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X của Zn-HAp với tỉ lệ Ca/Zn biến đổi từ 10/0 đến 8/2 67

Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X của Mg-HAp với các tỉ lệ Ca/Mg biến đổi từ 10/0 đến 8/2 68

Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HAp pha tạp Zn với các tỉ lệ Ca/Zn biến đổi từ 6/4 đến 2/8 68

Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của HAp pha tạp Mg với các tỉ lệ Ca/Mg biến đổi 69

Hình 3.6 Ảnh SEM của các mẫu nano HAp, Zn-HAp, Mg-HAp với các tỉ lệ Ca/Zn, Ca/Mg khác nhau 73

Hình 3.7 Giản đồ TGA của các mẫu biến tính với tỉ lệ nano HAp:LA khác nhau 75

Hình 3.8 Phổ IR của nano HAp, LA và nano HApbtvới tỷ lệ nano HAp: LA khác nhau 77

Hình 3.9 Ảnh SEM của nano HAp, nano HApbt ở các tỷ lệ nano HAp/LA khác nhau 78

Hình 3.10 Giản đồ nhiễu xạ tia X của nano HAp và nano HApbt với tỉ lệ HAp:

LA là 100/200 79 Hình 3.11 Giản đồ TGA của các mẫu nano HAp biến tính bằng LA với thời gian phản ứng khác nhau 80 Hình 3.12 Ảnh SEM của nano HAp và nano HApbt (tỉ lệ HAp/LA=100/200) ở những thời gian phản ứng khác nhau 80 Hình 3.13 Phổ IR của LA, nano HAp và nano HApbt ở các nhiệt độ khác nhau 81 Hình 3.14.Giản đồ TGA của nano HAp và nano HApbt ở các nhiệt độ khác nhau 82 Hình 3.15 Ảnh SEM của các mẫu nano HApbt ở nhiệt độ khác nhau 83 Hình 3.16 Phổ IR của LA, nano HAp và nano HApbt ở các tốc độ khuấy khác nhau 84 Hình 3.17 Giản đồ TGA của nano HAp và nano HApbt ở các tốc độ khuấy khác nhau 85 Hình 3.18 Ảnh SEM của nano HApbt ở các tốc độ khuấy khác nhau 85 Hình 3.20 Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp chế tạo với tỷ lệ

PLA:HAp 80/20 trong các dung môi khác nhau 88 Hình 3.23 Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp chế tạo ở các tỷ lệ

PLA:HAp khác nhau 91 Hình 3.24 Độ bền kéo đứt và mô đun đàn hồi của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp tổng hợp ở các tỷ lệ khác nhau 92 Hình 3.25 Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp chế tạo ở thời gian phản ứng khác nhau 93 Hình 3.26 Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp có và không có các chất tương hợp khác nhau 94 Hình 3.27 Độ bền kéo đứt của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp với PCL, PEG và PEO (5%) 95 Hình 3.28 Độ bền kéo đứt của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp với hàm lượng PEO khác nhau 95 Hình 3.29 Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp ở các tỉ lệ PLA/nano HApbt khác nhau 96

Hình 3.30 Độ bền kéo đứt của mẫu vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp: 80/20,

PLA/nanoHApbt:70/30 và PLA/nanoHApbt: 60/40 97 Hình 3.31.Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt tổng hợp ở các tỉ lệ khác nhau 97 Hình 3.32 Mô đun đàn hồi (a) và độ bền kéo đứt (b) của vật liệu tổ hợp

PLA/nanoHApptbt chế tạo ở các tỷ lệ khác nhau 98 Hình 3.33 Ảnh hưởng hàm lượng NH4HCO3 đến độ xốp mở của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt/PEO 99 Hình 3.34 Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt/PEO với chất tạo xốp

NH4HCO3 ở các tỷ lệ khác nhau 100 Hình 3.36 Sự biến đổi pH của dung dịch SBF theo thời gian ngâm mẫu 104 Hình 3.37 Sự biến thiên khối lượng của các mẫu khi ngâm trong dung dịch SBF theo thời gian 106 Hình 3.38 Ảnh SEM của các mẫu trước và sau khi ngâm 7 ngày 107 Hình 3.39 Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu trước và sau khi ngâm mẫu 108 Hình 3.40 Vết mổ tại vùng đùi chó 1 ngày sau phẫu thuật 113 Hình 3.41 XQ xương đùi chó sau khi đưa vật liệu vào 114 Hình 3.42 XQ xương đùi chó sau phẫu thuật 4 tháng 119 Hình 3.43 Vết mổ vùng đùi của chó sau phẫu thuật 1 tháng (A), 3 tháng (B) 122 Hình 3.44 Ảnh xương đùi của chó và vật liệu PLA/nanoHApptbt/PEO/NH4HCO3

sau 3 tháng phẫu thuật 122 Hình 3.47 Tạo cốt bào hoạt động mạnh quanh vị trí ổ khuyết xương 124

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số tính chất của PLA 27

Bảng 1.2 Phần trăm về khối lượng của các chất trong xương 46

Bảng 2.1 Hóa chất chính dùng trong quá trình thực hiện luận án 48

Bảng 2.2 Thiết bị sử dụng trong quá trình thực hiện luận án 49

Bảng 2.3 Thành phần các chất tổng hợp bột HAp, HAppt 51

Bảng 2.4 Thành phần của 1lít dung dịch SBF 58

Bảng 3.1 Phần trăm khối lượng (% m), nguyên tử (% a) của các mẫu HAp, Zn-HAp, Mg-HAp ở các tỉ lệ Ca/Zn, Ca/Mg khác nhau 65

Bảng 3.2 Tỉ lệ Ca/P, (Ca+Zn)/P, Ca/P/O, (Ca+Zn)/P/O, hiệu suất pha tạp (Hpt) và hiệu suất tổng hợp (Hth) của bột Zn-HAp với các tỉ lệ Ca/Zn ban đầu khác nhau 66

Bảng 3.3 Tỉ lệ Ca/P, (Ca+Zn)/P, Ca/P/O, (Ca+Zn)/P/O, hiệu suất pha tạp (Hpt) và hiệu suất tổng hợp (Hth) của bột Mg-HAp với các tỉ lệ Ca/Mg ban đầu khác nhau 66 Bảng 3.4 Đường kính tinh thể trung bình (D) của HAppt tính được từ giản đồ nhiễu xạ tia X 70

Bảng 3.5 Giá trị khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể d của HAp pha tạp kẽm, magie 70

Bảng 3.6 Giá trị hằng số mạng a, b, c và thể tích tinh thể (V) của HAp pha tạp kẽm, magie 72

Bảng 3.7 Kích thước tinh thể trung bình của HAp, Zn-HAp, Mg-HAp tính được từ ảnh SEM 74

Bảng 3.8 Tổn hao khối lượng (%) của các mẫu biến tính 75

Bảng 3.9 Trị số các dao động liên kết của các nhóm chức trong phân tử HAp, LA và HApbt 77

Bảng 3.10 Kích thước trung bình của HAp, HApbt tổng hợp ở các tỷ lệ khác nhau 78

Bảng 3.11 Kích thước trung bình của HAp biến tính ở nhiệt độ khác nhau 83

Bảng 3.12 Kích thước trung bình của HApbt với tốc độ khuấy khác nhau 86

Bảng 3.13 Phần trăm nguyên tử, phần trăm khối lượng của các nguyên tố và tỉ lệ Ca/Mg/Zn, tỉ lệ Ca/P, tỉ lệ (Ca+Mg+Zn)/P của mẫu HAp pha tạp Mg, Zn biến tính 87

Bảng 3.14 Số sóng của các nhóm chức đặc trưng bị dịch chuyển trong vật liệu

PLA/nanoHAp so với HAp, PLA ban đầu 91

Bảng 3.15 Mô đun đàn hồi và độ bền kéo đứt của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp tổng hợp ở các tỷ lệ khác nhau 98

Bảng 3.16 Sự biến thiên độ xốp của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt/PEO với hàm lượng khác nhau của chất tạo xốp NH4HCO3 99

Bảng 3.17 Mô đun đàn hồi và độ bền kéo đứt của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt /PEO không có và có 3, 7, 10, 20 và 30% khối lượng chất tạo xốp NH4HCO3 102

Bảng 3.18 Sự thay đổi trọng lượng của chó trước phẫu thuật (n=20) 109

Bảng 3.19 Nhiệt độ thân và nhiệt độ tại chỗ của chó (n=20) 109

Bảng 3.20 Thành phần các tế bào máu của chó (n=20) 110

Bảng 3.21 Tỷ lệ thành phần các tế bào bạch cầu của chó (n=20) 110

Bảng 3.22 Thời gian và biên độ các sóng điện tim của chó (X± SD) (n=20) 110

Bảng 3.23 Chức năng thận trước phẫu thuật của chó (n=20) 111

Bảng 3.24 Chức năng gan trước phẫu thuật của chó (n=20) 111

Bảng 3.25 Sự bất thường cấu trúc và hình dạng xương đùi của chó (n=20) 112

Bảng 3.26 Đặc điểm kích thước xương đùi của chó (n=20) 112

Bảng 3.27 Chu vi vùng đùi chó theo thời gian (n=20) 113

Bảng 3.28 Nhiệt độ thân và nhiệt độ tại chỗ của chó (0C) (n=20) 113

Bảng 3.29 Kết quả phân tích hình ảnh XQ xương đùi chó sau phẫu thuật (n=20) 114

Bảng 3.30 Thành phần các tế bào máu của chó (n=20) 115

Bảng 3.31 Tỷ lệ thành phần các tế bào bạch cầu của chó sau phẫu thuật 1 tuần (n=20) 116

Bảng 3.32 Thời gian (giây) các sóng điện tim (X± SD) (n=20) 116

Bảng 3.33 Biên độ (mV) các sóng điện tim (X± SD) (n=20) 117

Bảng 3.34 Thông số đánh giá chức năng thận (n=20) 117

Bảng 3.35 Các thông số đánh giá chức năng gan (n=20) 117

Bảng 3.36 Kết quả nhiệt độ thân và nhiệt độ tại chỗ (0C) 118

Bảng 3.37 Thành phần các tế bào máu của chó 118

Bảng 3.38 Cấu trúc và hình dạng xương đùi chó trong 4 tháng sau phẫu thuật 119

Bảng 3.39 Kết quả phân tích hình ảnh XQ xương đùi sau phẫu thuật 120

Bảng 3.40 Thời gian các sóng điện tim (giây) của chó 120

Bảng 3.41 Biên độ các sóng điện tim (mV) của chó 121

Bảng 3.42 Thông số đánh giá chức năng thận của chó (n = 5) 121

Bảng 3.43 Các thông số đánh giá chức năng gan (n = 15) 122

MỞ ĐẦU

Trong ngành phẫu thuật chấn thương, chỉnh hình cần phải dùng nẹp vít để

cố định các vị trí xương bị tổn thương Hiện nay, nhu cầu vật liệu cho lĩnh vực này rất lớn do các bệnh lý liên quan đến xương ngày càng gia tăng Theo khảo sát của Viện Dinh dưỡng, cứ 6 người Việt Nam trên 60 tuổi thì có một người có nguy

cơ mắc bệnh loãng xương, trong đó phụ nữ có nguy cơ mắc bệnh cao hơn Theo

Tổ chức Y tế Thế giới, tỉ lệ người mắc bệnh loãng xương đang ngày càng gia tăng, với mức độ chỉ đứng sau các bệnh tim mạch, theo đó các bệnh liên quan đến xương là nguyên nhân dẫn đến bệnh mạn tính của người trên 65 tuổi, bệnh loãng xương gây ra gẫy xương tăng nhanh trong những năm tới Đặc biệt ở Việt Nam, tình trạng tai nạn giao thông gia tăng làm cho số ca phẫu thuật cần đến vật liệu tăng Các loại vật liệu dùng trong phẫu thuật chỉnh hình phổ biến như: ghép tự thân, xương được lấy từ vị trí khác trên chính cơ thể của bệnh nhân (thường là xương hông), phương pháp này đạt hiệu quả cao và quá trình tái tạo xương nhanh nhất; ghép đồng loại (xương được lấy từ xương của người khác hiến cho); ghép bằng xương xúc vật (thường là xương bò) Các phương pháp này có nhiều ưu điểm nhưng nguồn cung hạn chế Một phương pháp phổ biến được sử dụng là ghép bằng xương, nẹp, vít nhân tạo (làm từ thép, vật liệu compozit) Hiện nay,

có nhiều loại vật liệu khác nhau được dùng làm nẹp vít, đa số chúng được làm từ kim loại, hợp kim như: thép không gỉ 316L, hợp kim của Coban (CoNiCrMo), titan kim loại và hợp chất của titan (Ti6Al4V, TiN, TiO2) Các vật liệu này có độ bền cơ lý hóa tốt, trơ với môi trường dịch cơ thể người [30, 46, 85] Tuy nhiên, các loại vật liệu này sau một khoảng thời gian cấy ghép vào cơ thể, khi tổn thương xương đã lành cần phải tái phẫu thuật để lấy vật liệu ra khỏi cơ thể Để khắc phục việc phải phẫu thuật hai lần trong một khoảng thời gian ngắn, các nhà khoa học vật liệu đã tập trung nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu mới có tính năng cơ lý tốt, khả năng tương thích sinh học cao và đặc biệt có khả năng tự tiêu sinh học và

đã có những thành công nhất định

Trên thế giới, xu hướng được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu là các loại vật liệu tổ hợp với thành phần nền là các polyme phân huỷ sinh học và thành phần gia cường là vật liệu vô cơ như canxi hydroxyapatit (HAp) vì vật liệu này là thành phần chính của mô cứng, được tổng hợp dễ dàng và rẻ tiền Nhiều công

trình đã công bố về lĩnh vực này với nhiều loại polyme khác nhau như: chitosan [50], polyamit [19], poly (axit lactic-co-glycolic) [26, 122, 124], poly (D-,L-lactit) [45, 51, 63, 65, 68], polylactit/chitosan [34], alginat [75] Các phương pháp phổ biến chế tạo vật liệu là điện di, trộn nóng chảy, vi nhũ và phương pháp dung dịch

sử dụng các dung môi có độ phân cực, nhiệt độ sôi và khả năng bay hơi khác nhau như diclometan, cloroform, dimetylfomamit Các phương pháp này có ưu điểm tạo ra vật liệu đa dạng (dạng màng mỏng, dạng khối), có tính năng cơ lý tốt Tuy nhiên một số đặc trưng để làm vật liệu thay thế xương có độ xốp chưa cao, không

sử dụng chất tương hợp nên liên kết các pha trong vật liệu bị hạn chế Chính vì

vậy, đề tài “Chế tạo và đặc trưng của vật liệu tổ hợp poly axit

lactic/nanohydroxyapatit định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương” là cần thiết,

có tính khoa học và khả năng ứng dụng cao trong ngành phẫu thuật, chỉnh hình

* Mục tiêu của luận án

Chế tạo thành công vật liệu tổ hợp trên cơ sở poly axit lactic và nanohydroxyapatit pha tạp biến tính; đánh giá được khả năng tương thích sinh học của vật liệu tổ hợp trong môi trường mô phỏng dịch cơ thể người (SBF) và

có các đặc trưng, tính chất của vật liệu cấy ghép xương trên chó sau thử nghiệm

in vivo

* Nội dung nghiên cứu chính của luận án

Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, nội dung nghiên cứu chính của luận án là:

1 Tổng hợp nanohydroxyapatit; nanohydroxyapapit pha tạp magie, kẽm; nanohydroxyapapit pha tạp đồng thời magie và kẽm,biến tính nanoHAp và nanoHAp pha tạp bằng axit lactic nhằm nâng cao khả năng tương hợp của bột nano trên nền poly axit lactic và nghiên cứu hình thái cấu trúc của chúng

2 Chế tạo các vật liệu tổ hợp trên cơ sở poly axit lactic và các bột nanoHAp tổng hợp được Nghiên cứu hình thái cấu trúc, độ xốp, các tính năng cơ lý của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp

3 Thử nghiệm khả năng tương thích sinh học của các vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp trong môi trường mô phỏng dịch cơ thể người (SBF) và quá trình cấy ghép vật liệu trên xương chó thực nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Hydroxyapatit (HAp)

Hydroxyapatit (HAp) có công thức Ca10(PO4)6(OH)2 là thành phần khoáng chủ yếu trong xương và răng của động vật có xương sống Trong thực tế, HAp sinh học thường là HAp thiếu canxi với tỉ lệ Ca/P nhỏ hơn 1,67 HAp tồn tại ở trạng thái tinh thể, có màu trắng, trắng ngà, vàng, nâu hoặc xanh lơ, nóng chảy ở nhiệt độ 1760oC và sôi ở nhiệt độ 2850oC Ở 25oC, khả năng hoà tan trong 100g nước của HAp là 7g, trọng lượng phân tử là 1004,6 (g/mol) và khối lượng riêng

là 3,156 g/ml, độ cứng theo thang Mohs bằng 5 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 (hình 1.1) thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a = 0,9417

nm, b = 0,9417 nm, c = 0,6875 nm, α = β = 90o và γ = 120o [82] Đây là cấu trúc thường gặp của HAp nhân tạo và HAp tự nhiên trong xương và răng Phân tử HAp

có cấu trúc mạch không phân nhánh, 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 1.1.Cấu trúc của HAp [119]

1.1.1 Tính chất hóa học

Về mặt hoá học, HAp phản ứng với axit HAp tương đối bền nhiệt và bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800oC đến 1200oC tạo thành oxo-hydroxyapatit theo phản ứng:

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

Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HAp bị phân huỷ thành các chất khác trong nhóm canxi photphat nhưβ-Ca3(PO4)2 hay tetra canxi photphat Ca4P2O9

1.1.2 Tính chất sinh học

HAp tự nhiên và nhân tạo đều có cùng bản chất và thành phần hóa học nên

là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao Ở dạng bột mịn, HAp với kích thước nano là dạng canxi photphat được cơ thể hấp thụ dễ nhất do tỷ lệ Ca/P trong phân tử HAp đúng như tỷ lệ Ca/P trong xương và răng [20] Ở dạng màng và dạng xốp, HAp có thành phần hóa học và các đặc tính giống xương tự nhiên với các lỗ xốp liên thông với nhau giúp cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập vào HAp Do vậy, 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 [50] Ngoài ra, HAp là hợp chất không độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao [75].HAp tương đối bền với dịch men tiêu hóa, ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày

1.1.3 Các phương pháp tổng hợp HAp

Hình 1.2.Một số hình dạng khác nhau của HAp [105]

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 nung 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 như được trình bày trên hình 1.2 [105, 115]

1.1.3.1 Phương pháp khô

Các đặc điểm của bột HAp được tổng hợp bằng phương pháp khô gần như không bị ảnh hưởng bởi các thông số trong quá trình tổng hợp Do đó, tổng hợp HAp theophương pháp này không cần kiểm soát các điều kiện phản ứng chính xác, phù hợp với quy mô công nghiệp để sản xuất khối lượng lớn Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là HAp tạo thành có kích thước tinh thể lớn và

độ tinh khiết pha thấp Phương pháp khô bao gồm tổng hợp ở trạng thái rắn và phương pháp hóa cơ

* Tổng hợp ở trạng thái rắn

Tổng hợp ở trạng thái rắn là một quá trình khá đơn giản, có thể sử dụng trong sản xuất khối lượng lớn HAp Các tiền chất (có thể là hợp chất của canxi, photpho hoặc muối canxi photpho) được nghiền mịn, sau đó nung ở nhiệt độ cao đểthu được HAp Bột HAp tổng hợp ở trạng thái rắn thường có hình dạng không đồng đều, kích thước cỡ micromet và không đồng nhất trong thành phần pha do các ion trong pha rắn có hệ số khuếch tán nhỏ [101] Tuy nhiên, một số nghiên cứu đã thu được bột HAp với hình dạng đồng đều và có cấu trúc nano bằng cách làm nóng chảy các muối sử dụng các tác nhân trợ dung như kiềm clorua, sunphat, cacbonat, nitrat hoặc hydroxit làm môi trường cho phản ứng

* Phương pháp hóa cơ

Phương pháp hóa cơ là một phương pháp đơn giản để chế tạo một vài vật liệu tiên tiến khác nhau, như hợp kim kích thước nano và gốm Khác với phương pháp tổng hợp ở trạng thái rắn thường tạo ra các hạt không đồng nhất với hình

dạng không đều, bột HAp tổng hợp bằng phương pháp hóa cơ thường có cấu trúc xác định Các yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng và tính chất của HAp khi được tổng hợp bằng phản ứng hóa cơ bao gồm: loại chất phản ứng, môi trường nghiền, loại và đường kính của bóng nghiền, áp suất, thời gian từng bước nghiền và thời gian dừng, tỉ lệ khối lượng của bột và tốc độ quay Bahman và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số nghiền, môi trường phản ứng, chất liệu bình phản ứng và thành phần hóa học của nguyên liệu ban đầu đến độ tinh khiết, cấu trúc và tính chất của nano hydroxyapatit (n-HAp) được tổng hợp bằng phương pháp hóa

cơ HAp thu được có kích thước trung bình khoảng 22 - 27 nm khi tổng hợp trong môi trường không khí và khoảng 32 - 34 nm khi tổng hợp trong khí quyển argon Bột n-HAp thu được trong bình phản ứng bằng polyme có cấu trúc đồng đều hơn

so với bình kim loại Đồng thời, khi tăng thời gian nghiền, kích thước tinh thể và hằng số mạng của n-HAp tăng [38]

1.1.3.2 Phương pháp ướt

Phương pháp ướt có lợi thế về khả năng kiểm soát hình thái và kích thước trung bình của bột HAp, có thể dễ dàng thực hiện và thay đổi các thông số phản ứng Tuy nhiên, phương pháp ướt thường được thực hiện ở nhiệt độ tổng hợp thấp nên các pha CaP được hình thành nhiều hơn pha HAp và độ kết tinh của bột thu được thấp Thêm vào đó, các ion khác trong dung dịch có thể đi vào cấu trúc tinh thể HAp dẫn đến giảm độ tinh khiết của HAp Phản ứng thường được thực hiện trong dung môi hữu cơ hoặc nước, nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cao (thấp hơn, bằng hoặc cao hơn điểm sôi của dung môi) Phương pháp ướt bao gồm: phương pháp kết tủa hóa học, thủy phân, sol-gel, thủy nhiệt, nhũ tương, siêu âm và vi sóng Trong đó, các phương pháp kết tủa hoá học, thuỷ nhiệt và sol-gel được sử dụng phổ biến nhất [70]

* Phương pháp kết tủa hóa học [4,20,44]

Trong các phương pháp ướt, đâylà một trong những phương pháp cơ bản

để tổng hợp HAp dựa vào phản ứng kết tủa từ dung dịch Phương pháp này được

sử dụng rộng rãi vì cách tiến hành đơn giản đồng thời cho một lượng mẫu lớn cùng độ tinh khiết khá cao.Bản chất của phương pháp kết tủa là quá trình kết tinh

khối Quá trình này gồm hai giai đoạn cơ bản là giai đoạn tạo mầm tinh thể và phát triển tinh thể Tốc độ của cả hai giai đoạn phụ thuộc chủ yếu vào độ quá bão hoà của dung dịch, tốc độ khuấy, nhiệt độ, thành phần của dung dịch

HAp được tổng hợp bằng phương pháp này có độ tinh khiết và độ kết tinh phụ thuộc vào các thông số như nhiệt độ quá trình tổng hợp, nồng độ các tiền chất,

pH dung dịch, tốc độ khuấy và nhiệt xử lý làm khô HAp… Phản ứng kết tủa thường được thực hiện ở pH cao hơn 4,2 và nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ phòng đến gần nhiệt độ sôi của dung dịch.Để thu được HAp đơn tinh thể với độ tinh khiết pha cao, phản ứng kết tủa thường được thực hiện ở pH cao hoặc nhiệt độ cao hoặc cả hai [44, 111]

Nhóm các tác giả Angelescu [31] và Syed Sibte [111] đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp Hap từ các tiền chất Ca(OH)2 và H3PO4

bằng phương pháp kết tủa hoá học NH4OH được sử dụng để điều chỉnh pH phản ứng> 10,5 Bột HAp thu được có độ tinh khiết và độ kết tinh cao, kích thước tinh thể HAp < 80 nm.Phương pháp này cũng được Torrent-Burgues và cộng sự sử dụng để tổng hợp HAp từ Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 trong môi trường pH ≥10

Hiệu suất tổng hợp HAp đạt trên 93% [115]

* Phương pháp sol-gel

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp đầu tiên được đề xuất cho tổng hợp ướt HAp Phương pháp này có ưu điểm là phản ứng xảy ra ở cấp độ phân tử, có thể cải thiện tính đồng nhất của bột thu được và nhiệt độ tổng hợp thấp Bột thu được bằng phương pháp sol-gel thường có công thức hợp thức với diện tích bề mặt riêng lớn Quá trình sol-gel thông thường bao gồm việc chuẩn

bị một mạng vô cơ 3 chiều bởi trộn alkoxit (hoặc các tiền chất phù hợp) trong dung dịch nước hoặc pha hữu cơ, làm già ở nhiệt độ phòng, tạo gel, sấy khô và cuối cùng là loại bỏ các chất hữu cơ dư từ gel khô Trong giai đoạn dung dịch, phản ứng giữa tiền chất canxi và photpho xảy ra chậm, do đó cần thời gian già hóa dài để hình thành apatit Xử lý nhiệt độ cao là rất quan trọng để loại bỏ các phần hữu cơ dư, các sản phẩm khí và các phân tử nước từ các gel xốp, thu được HAp tinh khiết Ngoài ra, tỉ lệ tạo gel, bản chất dung môi, nhiệt độ và pH được sử

dụng trong quá trình tổng hợp phụ thuộc vào bản chất hóa học của các chất phản ứng.Khelendra và cộng sự đã chỉ ra HAp được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel có khả năng tái hấp thu sinh học lớn hơn so với HAp thông thường và gần với

apatit sinh học [74]

* Phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thuỷ nhiệt là một trong những phương pháp phổ biến để tổng hợp HAp, chỉ đứng sau phương pháp kết tủa và phương pháp sol-gel, dựa trên phản ứng hóa học trong dung dịch nước ở nhiệt độ và áp suất cao Phương pháp thủy nhiệt thường được dùng để tổng hợp HAp nano 1 chiều (ví dụ dạng thanh nano) [80].Tuy nhiên, tổng hợp được HAp có hình thái đặc biệt và bất thường bằng cách sử dụng các điều kiện đặc biệt và các chất phụ gia cũng đã được thực hiện [83] Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, S Manafi và cộng sự [103] đã chỉ

ra nano HAp thu được bằng phương pháp thủy nhiệt có công thức hợp thức và độ kết tinh cao

Ngoài các phương pháp trên, một số phương pháp ướt khác cũng đã được

sử dụng để tổng hợp HAp Tác giả Saha và cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt, tỷ lệ nước với chất hữu cơ, nồng độ Ca2+, pH, và thời gian già hóa đến các đặc trưng của bột HAp được tổng hợp bằng phương pháp nhũ tương [102].Kết quả cho thấy khi tăng tỷ lệ nước với chất hữu cơ làm tăng diện tích bề mặt riêng của bột HAp Han và cộng sự đã tổng hợp nano HAp từ dung dịch Ca(H2PO4)2 và Ca(OH)2 bằng cách sử dụng siêu âm Hạt nano HAp thu được

có kích thước hạt trung bình từ 18-117 nm [59].Nhóm tác giả Samar J Kalita đã tổng hợp HAp bằng phương pháp vi sóng thu được bột nano có độ tinh thể cao (5-30nm) với hình thái hỗn hợp (hình que và elip) [104]

Bên cạnh đó, HAp còn có thể được tổng hợp bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều phương pháp như: thủy nhiệt-hóa cơ, thủy nhiệt- nhiệt phân, thủy nhiệt-nhũ tương, vi sóng-thủy nhiệt, vi sóng-siêu âm…Phương pháp đốt cháy cũng được sử dụng để tổng hợp bột HAp nhanh chóng với độ tinh khiết cao[71, 100] Ngoài

ra, có thể sử dụng một số phương pháp khác như thủy phân enzim, plasma,

thủy nhiệt trong môi trường kiềm để tổng hợp HAp từ các nguồn sinh học [100]

Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng và được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau Đề tài luận án này định hướng chế tạo vật liệu y sinh,

vì vậy phương pháp kết tủa được lựa chọn cho tổng hợp HAp vì quá trình tổng hợp

ở nhiệt độ thấp, dễ dàng thay đổi các thông số cho hệ phản ứng, khả năng điều khiển kích thước hạt tốt, bột HAp thu được có kích thước đồng đều

1.1.4 HAp pha tạp

Mặc dù có những thuộc tính tối ưu, HAp tổng hợp vẫn bị hạn chế trong sử dụng do khả năng hòa tan cao trong cơ thể sống và những tính chất cơ lý kém Một số nhà khoa học đã cố gắng khắc phục vấn đề này bằng cách pha tạp HAp tổng hợp với các ion vi lượng HAp sinh học trong cơ thể người cũng chứa nhiều ion thay thế Những ion thay thế này có thể làm thay đổi tính chất của HAp như khả năng hòa tan và tính chất cơ lý, ghép xương bằng nano HAp pha tạp các nguyên tố vi lượng sẽ có những đặc tính sinh học và cơ học tương tự với xương

tự nhiên [66] Nhờ vào cấu trúc phân tử linh hoạt của HAp nên có thể dễ dàng thay thế các ion trong HAp bằng các cation (Mg2+, Zn2+, Sr2+), hoặc anion (SiO44-

, F-,CO32-) nhằm biến đổi các tính chất của HAp theo hướng tăng cường hoạt tính

sinh học cũng như tính chất cơ học của nó

Thomas J.Webster và cộng sự đã nghiên cứu pha tạp HAp với các cation kim loại (Mg2+, Zn2+, La3+, Y3+, In3+, và Bi3+) bằng phương pháp kết tủa hoá học

để gia cường tính chất cơ của HAp nhằm ứng dụng trong chỉnh hình răng [116] Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy các cation kim loại đã thay thế cho Ca trong cấu trúc tinh thể HAp Dựa vào kết quả thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng cơ thể người, các tác giả đề xuất lựa chọn Bi3+để gia cường tính chất cho HAp ứng dụng trong cấy ghép xương

Hejun Li và cộng sự đã nghiên cứu pha tạp bột HAp với Na bằng phương pháp kết tủa điện hoá trước khi phủ lên trên bề mặt vật liệu cacbon/cacbon.Trong quá trình kết tủa, các tinh thể HAp pha tạp Na tăng trưởng nhanh hơn theo hướng

dọc, giúp tăng độ bền liên kết của lớp phủ với vật liệu Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng cơ thể người trong 14 ngày cho thấy vật liệu HAp pha tạp Na vẫn giữ được các hoạt tính sinh học của HAp đồng thời các tinh thể HAp pha tạp Na phủ trên vật liệu C/C có thể tạo mầm nhanh chóng và tăng trưởng giống apatit xương [62]

Vật liệu HAp pha tạp Fe với các hàm lượng Fe khác nhau đã được Omer Kaygili và cộng sự tổng hợp bằng phương pháp sol-gel và đặc trưng tính chất bằng các phương pháp hiện đại như XRD, FTIR, SEM, EDX [96] Các hạt HAp pha tạp Fe có kích thước nhỏ hơn và đồng đều hơn so với các hạt HAp không pha tạp (hình 1.3)

Hình 1.3.Ảnh SEM và giản đồ EDX của các mẫu HAp và HAp pha tạp Fe ở các

hàm lượng khác nhau [96]

Ilaria Cacciotti và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp bột HAp pha tạp Mg bằng phương pháp kết tủa từ các tiền chất Ca(NO3)2.4H2O, (NH4)2HPO4 và Mg(NO3)2[66] Kết quả thu được bột HAp pha tạp Mg có công thức giả sử

Ca10−xMgx(PO4)6(OH)2với cấu trúc bán tinh thể và diện tích bề mặt riêng trong khoảng 87-142 m2/g Kích thước hạt và hình thái học của các mẫu bột HAp pha tạp Mg sau khi sấy được xác định bằng phương pháp TEM và trình bày trên hình 1.4 Có thể thấy các mẫu bột có hình dạng giống tinh thể nano hình kim với kích thước nanomet Khi tăng hàm lượng Mg, mật độ kết tinh của mẫu HAp pha tạp Mg giảm trong khi độ xốp và khả năng thiêu kết của mẫu tăng so với tinh thể HAp

Hình 1.4.Ảnh TEM và giản đồ nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng của mẫu HAp và

HAp pha tạp Mg sau khi sấy [66]

Trong một nghiên cứu tương tự, nhóm các tác giả Arghavan Farzadi và Farhad Bakhshi cũng nghiên cứu tổng hợp HAp pha tạp Mg bằng phương pháp kết tủa hoá học HAp có dạng hình cầu trong khi HAp pha tạp Mg có dạng hình que (hình 1.5) Kết quả này chứng tỏ Mg giúp điều chỉnh hình thái của HAp như

đã được trình bày ở phía trên [32]

Hình 1.5 Ảnh SEM của các mẫu: HAp (a) và HAp pha tạp Mg (b) [32]

Một số tác giả khác cũng nghiên cứu tổng hợp HAp pha tạp với các ion kim loại như Zn [42, 57, 69], Mg [55, 89], Cu, Ag [42] bằng các phương pháp kết tủa hoá học, phương pháp điện hoá, phương pháp lắng đọng xung lazer và phương pháp sol-gel Các tác giả đều nhận thấy rằng khi pha tạp HAp với các ion kim loại này, một số tính chất như kích thước tinh thể, độ cứng của vật liệu HAp pha tạp đều tăng so với HAp Đặc biệt là khả năng tương thích sinh học và hoạt tính sinh học của HAp pha tạp được cải thiện và hứa hẹn làm vật liệu xương hóa học có tính chất giữa gốm và xương Trong số các cation thay thế, ion Mg2+ và

Zn2+thường được lựa chọn cho các nghiên cứu pha tạp HAp vì tính hiệu quả của chúng khi tổng hợp xương nhân tạo Mg2+ là cation nhiều thứ 4 trong cơ thể người, trong đó men, ngà răng và xương chứa lần lượt 0,44; 1,23 và 0,72% khối lượng

Mg Mg có liên quan chặt chẽ với các khoáng trong mô xương, trực tiếp kích thíchcác tế bào tạo xương Nếu thiếu Mg sẽ ảnh hưởng xấu đến tất cả các giai đoạn trao đổi chất của xương, gây ngừng phát triển xương, giảm hoạt động của các tế bào tạo xương và tế bào huỷ xương, loãng xương [66] Zn cũng là một trong các nguyên tố kim loại phong phú ở trong xương, là yếu tố quan trọng có tác dụng

kích thích sự hình thành xương in vitro và in vivo cũng như ức chế các tế bào huỷ

xương tái hấp thu xương Zn cũng thúc đẩy sự chuyển hoá và phát triển xương, tăng mật độ xương và ngăn ngừa huỷ xương [54] Do đó, kết hợp các ion này vào mạng tinh thể HAp một cách hợp lý có thể kiểm soát sự hình thành các tinh thể

apatit trong dung dịch và độ bền nhiệt của chúng Ngoài ra, với hàm lượng thích hợp, chúng còn hỗ trợ kiểm soát độ kết tinh, hình thái và độ hoà tan của các tinh thể tổng hợp được Từ các tài liệu nghiên cứu về tổng hợp HAp pha tạp các nguyên

tố vi lượng trong cơ thể người cho thấy các công bố trên thế giới chỉ mới tập trung vào pha tạp từng ion vào HAp, việc pha tạp đồng thời các ion vào HAp còn rất hạn chế

1.1.5 Ứng dụng củaHAp

Ứng dụng của HAp dạng bột

Do chứa hàm lượng canxi trong thành phần tương đối lớn nên ứng dụng chủ yếu của HAp dạng bột mịn, kích thước nano để làm thuốc và thực phẩm chức năng bổ sung canxi [56] Ngoài ra, HAp có khả năng phát quang nhiệt nên bột HAp cũng được ứng dụng trong đo lượng bức xạ gamma [29]

Ứng dụng của HAp dạng gốm xốp

Vật liệu gốm xốp HAp có tính tương thích sinh học cao, có nhiều lỗ liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu, có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng Nhờ có khả năng đặc biệt này mà ngày nay HAp dạng gốm xốp được ứng dụng đặc biệt rộng rãi trong y sinh học như: chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng [52, 56], chế tạo mắt giả, chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa những khuyết tật của xương [30, 112]

Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HAp như: làm điện cực sinh học, làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [41, 43], vận chuyển và phân tán insulin trong ruột [80], xử lý hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước [85] và đất [82]

Ứng dụng của HAp dạng compozit

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 polyme phân hủy sinh học như polyaxit lactic, poly acrylic axit, chitosan để tạo ra vật liệu thay thế xương [34, 50, 86]

Ứng dụng của HAp dạng màng

Màng HAp được phủ lên các vật liệu bền cơ, nhẹ và không có phản ứng với

cơ thể như TKG316L, Ti6Al4V để thay thế cho các bộ phận xương của cơ thể đòi hỏi độ bền cao như xương hông, xương đùi, xương đầu gối, răng Màng phủ HAp

có tác dụng bảo vệ vật liệu bên trong không bị ăn mòn giúp tăng tuổi thọ vật liệu ghép[85]

Ứng dụng của HAp dạng xi măng sinh học

Do thành phần hoá học của HAp rất gần với xương và răng, HAp cũng có khả năng tương thích sinh học, hoạt tính sinh học nên bột HAp còn được ứng dụng làm xi măng sinh học cho các trường hợp vỡ, sụt lõm kín xoang trán, lõm sọ, chấn thương sọ não, gãy cổ xương đùi…[70, 118] Ngoài ra, xi măng sinh học cũng được ứng dụng trong điều trị xẹp đốt sống

1.1.6 Tình hình nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng HAp ở Việt Nam

Ở nước ta, việc nghiên cứu tổng hợp HAp đã được một số nhà khoa học nghiên cứu Đỗ Ngọc Liên và cộng sự đã triển khai đề tài chế thử gốm HAp theo công nghệ của Italia và bước đầu thử nghiệm thành công trên động vật [6] Tuy nhiên, do sử dụng nguyên liệu nhập khẩu nên giá thành của sản phẩm rất cao Các nhà nghiên cứu ở 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 [20, 21] Nhóm tác giả Đào Quốc Hương và cộng

sự tại Viện Hoá Học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã công

bố các kết quả nghiên cứu chế tạo bột HAp kích thước nanomet bằng phương pháp hoá học từ canxi hydroxit và canxi nitrat ở các nhiệt độ khác nhau [5, 23] Các nghiên cứu đã được ứng dụng vào sản xuất bột HAp làm nguyên liệu cho một

số thực phẩm chức năng bổ sung canxi như Fecafovit, Caotot, Growbust, Viên dưỡng khớp… Ngoài ra các tác giả cũng 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 Nguyễn Kim Ngà và cộng sự [90] đã nghiên cứu tổng hợp HAp để chế tạo vật liệu compozit Kích thước và sự phân bố lỗ xốp của vật liệu khung xốp thu được tương tự như cấu trúc xương tự nhiên, đồng thời sự kết dính và tăng sinh tế bào của vật liệu thu được khá tốt

1.2 Poly axit lactic

1.2.1 Tính chất của poly axit lactic [37, 78]

Poly(axit lactic) (PLA) là một trong số polyme có khả năng phân hủy sinh học được nghiên cứu và sản xuất nhiều nhất hiện nay Nó là một trong các polyme sinh học được sản xuất từ các loại bột ngô, lúa mì, khoai tây Monome ban đầu của PLA là axit lactic được tạo thành khi vi khuẩn sử dụng tinh bột làm thức ăn Axit lactic có 2 dạng đồng phân có hoạt tính quang học là L (+) axit lactic và D (-) axit lactic PLA có 4 dạng cấu trúc: isotactic, syndiotactic, heterotactic và isotactic stereoblock (hình 1.6)

* O

3 CH3 n m

Isotactic stereoblock Heterotactic

Hình 1.6 Các dạng cấu trúc PLA [78]

PLA có nhiều tính chất tốt như có mô đun đàn hồi, độ bền kéo đứt cao, trong suốt, đặc biệt là khả năng tương hợp và phân hủy sinh học tốt, có thể điều chế từ nguồn nguyên liệu dễ tái sinh, có khả năng che chắn hơi nước tốt, tỷ trọng nhẹ hơn nhiều so với kim loại nên PLA được coi như một polyme nhiệt dẻo đa năng

và được ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống.Tuy nhiên, PLA khá giòn và độ cứng cao nên khó sử dụng làm vật liệu bao gói, quy trình điều chế khá phức tạp và đòi hỏi công nghệ cao khiến giá thành PLA khá cao Có 2 phương phápchủ yếu để điều chế PLA là trùng ngưng và trùng hợp mở vòng của lactit (ROP)

Poly(axit lactic) (PLA) được Wallace Carothers, một nhà khoa học hàng đầu của tập đoàn Dupont (Hoa Kỳ) phát hiện lần đầu tiên vào năm 1932 [39] Năm

1997, Cargill kết hợp với công ty Dow Chemical Company, Inc, tạo ra liên doanh Cargill Dow Polymers tiếp tục thực hiện quá trình thương mại hoá hơn nữa các polyme PLA và chính thức cho ra sản phẩm Nature WorksαTM PLA vào năm 2001 [40] Họ đã xây dựng một số địa điểm sản xuất ở Nebraska (Hoa Kỳ) có khả năng sản xuất 140.000 tấn PLA/năm Sau năm 1998, nhiều công ty khác trên thế giới

cũng nghiên cứu sản xuất PLA và các sản phẩm trên cơ sở axit lactic như ROP, Purac, Hycail (Hà Lan), Mitsubishi Polymers Apack (CHLB Đức), Fortum Oyj (Phần Lan), Galactic, Brussels Biotech (Bỉ), Mitsui Chemicals, Shimadzu Corporation, Kobe Steel Limited (Nhật Bản), Phusi (Pháp)

nước, hydrocacbon béo

Cấu trúc tinh thể Tinh thể Bán tinh thể Vô định hình Nhiệt độ nóng chảy (T m , oC) ~180 ~180 Biến đổi Nhiệt độ thủy tinh hóa (T g ,

Thời gian bán hủy trong môi

trường các muối thông

thường (tháng)

PLA thường ở dạng hạt có màu trắng đục, cứng Tỷ trọng của PLLA là 1,29 g/cm3 và PDLLA là 1,27 g/cm3 Độ tan của PLA phụ thuộc vào khối lượng phân tử (KLPT) và độ kết tinh PLA tan trong các dung môi clorua hay florua hữu

1,25-cơ, đioxan, furan, axeton, pyridin, etyl lactat, tetrahydrofuran, xylen, etylaxetat, dimetylsulfoxit, N,N-đimetylfocmamit và metyl etyl xeton Nó không tan trong nước, ancol (metanol, etanol, propylen glycol) và hydrocacbon chưa thế (hexan, heptan) Trong dung dịch, độ nhớt của PLA tuân theo phương trình Mark-Hauwink Tính chất vật lý của PLA phụ thuộc vào cấu trúc lập thể (bảng 1.1)

1.2.1.2 Tính chất hóa học

PLA có khả năng chống cháy, chống bức xạ tử ngoại, ít bị phai màu [60]

Nó dễ nhuộm màu với tỷ lệ chất màu rất nhỏ Ngoài ra, PLA giữ mùi, hương tốt, cách nhiệt tốt, độ bóng và trong cao, trơ với chất béo [97].Trong môi trường ẩm, đặc biệt khi có mặt axit và bazơ, nó dễ bị thuỷ phân [110]

Sự phân hủy PLA chủ yếu do sự thủy phân các liên kết este và xảy ra một cách ngẫu nhiên dọc theo mạch polyme khi có mặt của H2O theo phương trình sau:

CH3C O

CH3C O

OPLA HO

+

Hai yếu tố ảnh hưởng chính đến sự thủy phân của PLA là sự thấm nước và

cơ chế tự xúc tác [64] Trong môi trường axit, quá trình thủy phân PLA có thêm giai đoạn proton hoá và giai đoạn tách proton Các nhóm este bị proton hóa làm cho nguyên tử cacbon-cacbonyl trở nên hoạt động hơn và tiếp nhận sự tấn công của tác nhân proton (H3O+) [114] Sau đó, xảy ra quá trình phân cắt liên kết axyl-oxy tạo thành sản phẩm là các đoạn mạch oligome của axit lactic hay các đoạn phân tử PLA chứa các nhóm –COOH cuối mạch Các nhóm này lại xúc tác cho quá trình thủy phân PLA tiếp theo cơ chế “tự xúc tác” như đã nêu ở trên Trong môi trường kiềm, OH- là tác nhân nucleofin rất mạnh, dễ dàng tấn công vào nguyên tử C trong nhóm C=O, gây thủy phân PLA nhanh [123]

PLA dễ bị tác động của vi sinh vật và quá trình phân hủy gồm 2 giai đoạn Giai đoạn đầu, vi sinh vật tiết ra enzym xúc tác quá trình thủy phân PLA thành các đoạn mạch ngắn có kích thước đủ bé để các vi sinh vật có thể sử dụng nó làm nguồn dinh dưỡng (giới hạn kích thước oligome PLLA mà vi sinh vật có thể tiêu hóa được là 11.000) [81] Giai đoạn sau, vi sinh vật tiêu hóa các sản phẩm thủy phân trên tạo ra sinh khối, CO2 và H2O

Quá trình thủy phân enzym và phân hủy của PLA trong các môi trường chứa

vi sinh cũng chịu ảnh hưởng lớn bởi KLPT và độ kết tinh của PLA ban đầu [114] KLPT của PLLA càng nhỏ thì tốc độ phân hủy sinh học càng lớn PLA có KLPT càng thấp càng dễ bị phân huỷ bởi vi sinh vật Khi tăng hàm lượng tinh thể, độ bền của PLA tăng lên PLA thu được bằng trùng ngưng axit lactic có KLPT thấp

và chứa nhiều nhóm –COOH và – OH cuối mạch nên chúng có thể tham gia phản ứng với các monome hay polyme chứa nhóm chức cuối mạch như các nhóm cacboxyl, hyđroxyl, amino, anhyđrit axit Kết quả là mạch PLA được nối dài thêm, KLPT tăng

1.2.1.3 Tính thấm khí

PLA chống thấm khí khá tốt Khả năng thấm khí của PLA với N2, O2 và CO2

thấp hơn nhiều so với PE [49]

1.2.1.4 Tính chất cơ học

PLA là một polyme bán tinh thể và cótính chất cơ học cao như các nhựa nhiệt dẻo thông dụng Nó có độ cứng cao, dễ tạo thành nếp khi gấp, độ bền mài mòn cơ học cao, mô đun đàn hồi và độ bền kéo đứt khá lớn nhưng khả năng dãn dài kém và độ mềm dẻo không cao so với PE hay PP Tính chất cơ học của PLA

có thể thay đổi trong phạm vi rộng từ mềm, dãn dẻo tới cứng PLA có độ bền kéo cao, phụ thuộc vào thành phần và KLPT Khi KLPT tăng, tính chất cơ của PLA tăng (KLPT của PLLA tăng từ 23.000 đến 67.000, độ bền uốn tăng từ 64 đến 106 MPa còn độ bền kéo lại giảm còn 59 MPa Với PDLLA, khi KLPT tăng từ 47.500 đến 114.000, độ bền kéo đứt thay đổi từ 49 đến 53 MPa, lực xoắn biến đổi từ 84 đến 88 MPa) PLLA kết tinh và có thể phân huỷ sinh học, trong khi PDLLA hoàn toàn ở trạng thái vô định hình Do đó, PLLA có tính chất cơ học tốt hơn PDLLA khi cùng KLPT [51]

1.2.2 Ứng dụng của PLA

Do có khả năng che chắn hơi nước tốt, độ bền kéo khá cao, độ cứng lớn, có khả năng tương hợp sinh học, phân huỷ sinh học và tỷ trọng nhẹ hơn nhiều so với kim loại nên PLA được coi như một polyme nhiệt dẻo đa năng Tuỳ thuộc vào KLPT, cấu trúc kết tinh mà PLA có tính chất khác nhau và PLA được ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống

1.2.2.1 Chế tạo một số sản phẩm chất lượng cao

PLA có tính chất đa dạng và có thể thay đổi tuỳ theo yêu cầu của vật liệu

Độ cứng, độ bền, độ dẻo của PLA thay đổi theo hàm lượng tinh thể Nhờ những tính chất trên, 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 hay sản xuất các vật liệu

có khả năng chịu lực cao [27, 94]

1.2.2.2 Ứng dụng trong y tế

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 được

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 có độ bền kéo đứt 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 [64, 67,123]

1.2.2.3 Ứng dụng trong công nghệ đóng gói sản phẩm

Do tính chất che chắn và bảo quản tương đương với các polyme nhiệt dẻo truyền thống(như PE và PVC) trong khi có thể phân huỷ sinh học nên PLA được

sử dụng làm vật liệu bao gói các sản phẩm như hoa quả tươi, café, các loại thực phẩm, đồ uống lạnh… thay thế cho PE PLA được sử dụng trong bao gói bánh kẹo, thực phẩm, các mác, nhãn dán… làm các loại chai có độ trong cao, thùng, hộp đựng hoa quả và đồ dùng một lần khác… [39, 97]

1.2.2.4 Ứng dụng trong nông nghiệp

PLA được sử dụng làm các bầu đựng ươm cây giống hay các màng che phủ, bảo vệ cây trồng do nó có khả năng phân huỷ thành các sản phẩm đi vào trong đất sau thời gian sử dụng nhất định Các sản phẩm này cũng có thể trở thành nguồn cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng [27, 67]

1.2.2.5 Trong kỹ thuật điện

Một số vật liệu blend giữa PLA với các polyme khác, vật liệu polyme compozit, vật liệu nanocompozit PLA/silica được sử dụng trong lĩnh vực điện, điện tử làm vỏ máy tính, các tấm panen thiết bị điện, điện tử [40, 49, 110]

1.3 Vật liệu tổ hợp polyaxit lactic/hydroxyapatit (PLA/HAp) và ứng dụng

1.3.1 Các phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp PLA/HAp

Để khắc phục sửa chữa những vùng xương phải chịu tải trọng nặng của cơ thể, HAp được kết hợp với các polyme phân hủy sinh học như polyaxit lactic, poly acrylic axit, chitosan để tạo ra vật liệu thay thế xương có ưu điểm vượt trội

so với HAp về độ bền cơ học, khả năng phân huỷ sinh học và tương thích sinh

cao, làm kẹp nối xương hoặc có thể làm chất truyền dẫn thuốc Việc sử dụng các polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chi tiết

dễ dàng hơn Mặt khác các polyme này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu tổ hợp chứa HAp

Hiện nay, vật liệu tổ hợp PLA/HAp và PLA/nanoHAp được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp dung dịch, phương pháp nóng chảy, phương pháp phun sợi điện sử dụng điện áp cao (electrospinning), phương pháp vi nhũ dầu/nước…

với các nồng độ khác nhau được trộn với dung dịch điclorometan đã hòa tan PLA

để tạo hệ nhũ tương Sau đó, dung dịch (NH4)2HPO4 được nhỏ vào hệ nhũ tương

để điều chỉnh tỉ lệ mol Ca/P 1,67 Hỗn hợp được giữ ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ để bay hơi hết dung môi Giá trị pH của dung dịch huyền phù sau khi đuổi hết điclorometan là 5,6 0,2 Mẫu được thu lại bằng cách lọc, rửa bằng nước cất và sấy khô ở 50oC trong 24 giờ [87] Các kết quả phân tích ảnh SEM, 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 Tương tác giữa PLA và HAp tại bề mặt phân cách pha đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo các vi cầu không có chất hoạt động bề mặt

D Locavà cộng sự cũng đã chế tạo vi hạt PLA/nanoHAp bằng phương pháp

vi nhũ, trong đó PLA được hoà tan trong điclometan Các tác giả đã khảo sát các thông số của quá trình chế tạo và tìm được điều kiện thích hợp để chế tạo được các vi hạt bền và ổn định là sử dụng 3ml nanoHAp dạng huyền phù, 100ml dung

dịch nước chứa 4 % polyvinyl ancol và 10ml dung dịch PLA 10% hoà tan trong điclometan Với các thông số này các tác giả đã chế tạo được vi hạt PLA/nanoHAp với hiệu suất 93% Ảnh SEM chụp bề mặt và mặt cắt của các hạt vi cầu PLA/nanoHAp trên hình 1.7 cho thấy vi hạt có cấu trúc lõi vỏ trong đó nanoHAp

là lõi còn PLA là vỏ [48]

Hình 1.7 Ảnh SEM chụp (a) bề mặt của vi cầu PLA/nanoHAp, (b) mặt cắt

ngang của vi cầu PLA/nanoHAp, (c) nanoHAp [48]

1.3.1.2 Phương pháp nóng chảy

Trong những năm gần đây, phương pháp nóng chảy được sử dụng khá phổ biến để chế tạo vật liệu nano tổ hợp PLA/HAp do dễ thao tác trên các thiết bị chế tạo các sản phẩm nhựa nhiệt dẻo, thân thiện với môi trường do không phải sử dụng dung môi [45, 68] Bằng việc điều chỉnh các điều kiện công nghệ chế tạo của thiết bị như nhiệt độ, áp suất phun, áp suất ép, tốc độ trộn, có thể thu được vật liệu tổ hợp với tính chất tối ưu

Huaxin Diao và cộng sự đã nghiên cứu biến tính bề mặt HAp bằng dodecyl ancol trước khi trộn nóng chảy với PLA.Bột HAp hoặc HAp biến tính được trộn với PLA trong máy trộn nội Haake ở 170 oC với tốc độ trộn 50 vòng/phút cho tới khi vật liệu hỗn hợp nóng chảy hoàn toàn và ổn định Sau đó, hỗn hợp nhựa PLA nóng chảy đã phân tán bột HAp hoặc HAp biến tính được lấy ra và ép phẳng trên máy ép thuỷ lực [45] Các nhóm kị nước trên bề mặt HAp sau biến tính đã cải thiện sự phân tán và tương tác pha giữa các hạt nano HAp với nền PLA Sự tương tác và phân tán tốt của nano HAp biến tính trong nền PLA giúp vật liệu tổ hợp

PLA/HAp biến tính có độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt và độ kết tinh lớn hơn đáng kể so với vật liệu PLA/HAp không biến tính (hình 1.8)

Hình 1.8.Tính chất cơ học (a, b) và giản đồ DMTA (c, d) của PLA và vật liệu tổ

hợp PLA/nano HAp không biến tính (HA/PLA) và PLA/nano HAp biến tính

so với các hạt nano HAp không biến tính Vật liệu tổ hợp PLGA/op-HA với hàm lượng op-HA là 20 % thể hiện tính chất cơ học tốt nhất, cụ thể độ bền uốn của vật liệu đạt 4,14 MPa và độ bền nén của vật liệu đạt 2,31 MPa [122]

1.3.1.3 Phương pháp phun sợi điện