Tổng hợp và những đặc trưng hóa lý vật liệu tổ hợp pla NANOHAp, định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương

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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

VŨ THỊ MY

TỔNG HỢP VÀ NHỮNG ĐẶC TRƯNG HÓA LÝ VẬT LIỆU TỔ HỢP PLA/NANOHAp, ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG

CẤY GHÉP XƯƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

VŨ THỊ MY

TỔNG HỢP VÀ NHỮNG ĐẶC TRƯNG HÓA LÝ VẬT LIỆU TỔ HỢP PLA/NANOHAp, ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG

CẤY GHÉP XƯƠNG

Chuyên ngành: Hóa lý và Hóa lý thuyết

Mã số: 60440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐINH THỊ MAI THANH

Hà Nội – Năm 2014

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, các thầy cô Viện kỹ thuật Nhiệt đới – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giảng dạy, cung cấp kiến thức khoa học, tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu trong thời gian qua Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh, chị và các bạn thuộc phòng Ăn mòn và bảo vệ kim loại – Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã tạo điều kiện về cơ sở, trang thiết bị phòng thí nghiệm và hỗ trợ về công nghệ, kỹ thuật thực nghiệm cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Đinh Thị Mai Thanh –

Viện Kỹ thuật nhiệt đới, người đã không những hướng dẫn khoa học mà còn tận tình dạy bảo, truyền cho tôi niềm đam mê, sự nghiên túc trong công việc nghiên cứu khoa học và trong cuộc sống

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS Hồ Thu Hương, ThS Nguyễn Thu

Phương, NCS Phạm Thị Năm và các bạn học viên cao học, các bạn sinh viên đã

giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện về vật chất, tinh thần và luôn động viên, khuyến khích tôi trong trong thời gian học tập và thực hiện luận văn này

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội,Ngày 16 tháng 12 năm 2013

Học viên

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Hydroxyapatit 4

1.1.1 Tính chất vật lý 4

1.1.2 Tính chất hóa học 5

1.1.3 Tính chất sinh học 7

1.1.4 Các phương pháp tổng hợp HAp 8

1.1.5 Ứng dụng của HAp 9

1.1.6 Hydroxyapatit biến tính (HAp-bt)……… 10

1.2 Polyaxit lactic (PLA)……… 11

1.2.1 Tính chất……… 11

1.2.2 Phương pháp tổng hợp 13

1.2.3 Ứng dụng……… 14

1.3 Vật liệu compozit trên cơ sở PLA 14

1.3.1 Vật liệu compozit……… 14

1.3.2 Các phương pháp tổng hợp 17

1.3.3 Ứng dụng……… 19

1.4 Hoạt tính sinh học của compozit PLA/nanoHAp……… 20

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 23 2.1 Hóa chất và điều kiện thực nghiệm 23

2.1.1 Hóa chất 23

2.1.2 Tổng hợp HAp và HAp – bt 23

2.1.3 Tổng hợp nanocompozit PLA/HAp và PLA/HAp–bt 25

2.1.4 Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF) 26

2.2 Các phương pháp nghiên cứu 28

2.2.1 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)……… 28

2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (EM)……… 28

2.2.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X……… 29

2.2.4 Phân tích nhiệt trọng lượng TGA……… 29

2.2.5 Đo độ bền kéo, modun đàn hồi……… 30

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……… 31

3.1 Biến tính HAp bằng axit lactic……… 31

3.1.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ HAp/LA……… 31

3.1.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng……… 35

3.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng……… 38

3.1.4 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy……… 39

3.1.5 Ảnh hưởng của chất xúc tác SnCl2……… 42

3.2 Tổng hợp và nghiên cứu tính chất vật liệu nanocompozit PLA/HAp bằng phương pháp dung dịch……… 44

3.2.1 Ảnh hưởng của dung môi……… 44

3.2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ PLA:HAp……… 45

3.2.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng……… 48

3.2.4 Ảnh hưởng của chất tương hợp……… 50

3.2.5 Vật liệu nanocompozit PLA/HAp-bt……… 53

3.3 Tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp bằng phương pháp

nhũ tương in situ……… 55 3.3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ HAp và PLA……… 55 3.3.2 Ảnh hưởng của dung môi……… 58 3.3.3 Ảnh hưởng của tốc độ nhỏ giọt (thời gian phản ứng)……… 59 3.3.4 Ảnh hưởng của chất nhũ hoá……… 61

3.4 Thử nghiệm khả năng tương thích sinh học của vật liệu PLA

và nanocompozit PLA/HAp trong môi trường dung dịch mô phỏng

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Thành phần của 1lít dung dịch SBF ……… 27 Bảng 3.1: Trị số các dao động liên kết của các nhóm chức trong phân tử

Bảng 3.2: Kích thước trung bình của HAp và HAp biến tính tổng hợp ở

Bảng 3.7: Trị số các dao động liên kết của các nhóm chức bị dịch chuyển

trong HAp, PLA và vật liệu PLA/HAp……… 46

Bảng 3.8: Tần số một số nhóm liên kết đặc trưng trong PLA/HAp và

PLA/HAp/PEO……… 62

Bảng 3.9 Giá trị 2θ của HAp, PLA và PLA/HAp trước và sau 21 ngày

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1: Cấu trúc của HAp……… 4

Hình 1.2: Một số hình dạng khác nhau của HAp……… 5

Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HAp……… 6

Hình 1.4: Hai dạng cấu hình của axit lactic……… 12

Hình 1.5: Hình ảnh liên kết của HAp và PLA (nét đứt)……… 16

Hình 1.6: Ảnh EM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/nano - HAp với các độ phóng đại khác nhau……… 17

Hình 1.7: Ảnh EM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF……… 21

Hình 1.8: Phổ tán xạ của PLLA/HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF…… 21

Hình 2.1: Sơ đồ quy trình tổng hợp HAp bằng phương pháp kết tủa 24

Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp compozit PLA/ nano HAp (HAp-bt) bằng phương pháp dung dịch……… 26

Hình 3.1: Phổ IR của HAp, LA và các mẫu biến tính tỷ lệ HAp:LA khác nhau

32 Hình 3.2: Ảnh EM của HAp và HAp biến tính 33

Hình 3.3: Giản đồ TGA của các mẫu biến tính với tỉ lệ HAp:LA khác nhau 34

Hình 3.4: Phổ X-ray của HAp và HAp biến tính với tỉ lệ HAp:LA: 100/200 35

Hình 3.5: Phổ IR của các HAp mẫu biến tính với thời gian khác nhau 36

Hình 3.6: Giản đồ TGA của các mẫu biến tính với thời gian khác nhau 37

Hình 3.7: Ảnh EM của HAp và HAp biến tính ở những thời gian phản ứng khác nhau 37

Hình 3.8: Phổ IR của các mẫu HAp biến tính ở nhiệt độ khác nhau 38

Hình 3.9: Hình ảnh EM của các mẫu HAp biến tính ở nhiệt độ khác nhau 39

Hình 3.10: Phổ IR của các mẫu HAp biến tính ở các tốc độ khuấy khác

Hình 3.13: Phổ IR của mẫu HAp biến tính có và không có SnCl2 42

Hình 3.14: Giản đồ TGA của HAp, HAp biến tính có và không có SnCl2 43

Hình 3.15: Hình ảnh EM của mẫu HAp biến tính không có xúc tác (a) và

HAp biến tính có xúc tác SnCl2 (b) 43

Hình 3.16: Ảnh EM của nanocompozit PLA/HAp ở tỷ lệ 80/20 trong các

dung môi: a) Cloroform; b) Điclorometan; c) Đimetylformamide 44

Hình 3.17: Đồ thị độ bền kéo và modun đàn hồi của vật liệu

nanocompozit PLA/HAp tổng hợp bằng các dung môi khác nhau 45

Hình 3.18: Phổ IR của HAp, PLA và các compozit tổng hợp ở tỉ lệ

HAp/PLA khác nhau trong DCM 46

Hình 3.19: Ảnh EM của nanocompozit PLA/HAp tổng hợp ở các tỷ lệ

Hình 3.22: Hình ảnh EM của nanocompozit PLA/HAp với thời gian phản

ứng khác nhau: a) 30 phút; b) 2 giờ; c) 4 giờ 50

Hình 3.23: Ảnh EM của các mẫu vật liệu với các chất tương hợp không

có chất ổn định (a); PCL (b) và PEG (c)……… 51

Hình 3.24: Đồ thị biểu diễn độ bền kéo của các mẫu vật liệu với các chất

tương hợp khác nhau 52

Hình 3.25: Độ bền kéo của vật liệu nanocompozit PLA/HAp với hàm

lượng PEG khác nhau 52

Hình 3.26: Phổ IR của mẫu PLA/nano HAp – bt với các tỷ lệ khác

Hình 3.30: Ảnh EM của vật liệu nanocompozit tổng hợp ở các tỷ lệ

PLA:HAp khác nhau 80/20(a); 70/30 (b), 60/40 (c) và 50/50 (d) 57

Hình 3.31: Đồ thị biểu diễn modun đàn hồi và độ bền kéo của vật liệu ở

tỷ lệ PLA:HAp khác nhau 57

Hình 3.32: Ảnh EM của vật liệu nanocompozit PLA/HAp: 80/20 tổng

hợp trong các dung môi DCM (a,b); clorofom (c,d) 59

Hình 3.33: Phổ hồng ngoại cuả các mẫu PLA/nano HAp tổng hợp ở tốc

Hình 3.34: Ảnh EM của vật liệu nanocompozit PLA/HAp :80/20 tổng

hợp ở tốc độ nhỏ giọt (NH4)2HPO4 khác nhau: (a) 3ml/phút;

(b) 5ml/phút; (c) 10ml/phút 60

Hình 3.35: Phổ hồng ngoại cuả các mẫu PLA/nanoHAp với hàm lượng

PEO khác nhau 61

Hình 3.36: Ảnh EM của vật liệu nanocompozit PLA/HAp (80/20) với

hàm lượng PEO 2,5%(a), 5%(b), 10%(c), 20%(d) 62

Hình 3.37: Đồ thị biểu diễn modun đàn hồi và độ bền kéo của vật liệu ở

tỷ lệ PEO khác nhau 63

Hình 3.38: Sự biến đổi pH của dung dịch SBF theo thời gian ngâm các

mẫu A, B, C, D 65

Hình 3.39: Sự biến thiên khối lượng của các mẫu khi ngâm trong dung dịch SBF theo thời gian 65

Hình 3.40: Ảnh EM của mẫu A khi ngâm trong SBF theo thời gian 66

Hình 3.41: Ảnh EM của mẫu B khi ngâm trong SBF theo thời gian 67

Hình 3.42: Ảnh EM của mẫu C khi ngâm trong SBF theo thời gian 67

Hình 3.43: Ảnh EM của mẫu D khi ngâm trong SBF theo thời gian 68

Hình 3.44 Giản đồ nhiễu xạ của PLA, PLA/HAp tổng hợp bằng phương pháp nhũ tương trước khi ngâm, sau 21 ngày ngâm trong SBF và HAp 68

HAp-bt Hydroxyapatit biến tính

HIMPA 2-hydroxyethyl iminobis methylphosphonic

PEG Poly etylen glycon

PEO Poly etylen oxit

PLA Poly axit latic

ROP Trùng hợp mở vòng

SBF Dịch cơ thể người

EM Kính hiển vi điện tử quét

TTÔI Hiển vi điện tử truyền qua

TGA Phương pháp phân tích nhiệt

THF Tetrahydrofuran

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề

Hiện nay, nghành phẫu thuật chấn thương và chỉnh hình có nhiều loại vật liệu khác nhau được dùng làm nẹp vít cố định xương trong quá trình thay thế và hàn gắn xương như: Thép không gỉ 316L, hợp kim của Coban (CoNiCrMo), titan kim loại

và hợp chất của titan (Ti6A14V, TiN, TiO2) Những vật liệu này nhìn chung có độ bền cơ lý hóa và khả năng tương thích cao với môi trường dịch cơ thể người Tuy nhiên trong một số trường hợp cấy ghép cụ thể những vật liệu bằng kim loại hoặc hợp kim vẫn ít nhiều bị ăn mòn dẫn đến các phản ứng đào thải làm giảm tuổi thọ của vật liệu và gây ra những khó chịu nhất định cho bệnh nhân

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 các composit của nano HAp trên nền các polime phân hủy sinh học nhằm tạo ra các sản phẩm y sinh có chất lượng và phù hợp với nhu cầu con người

PLA là một polyme nhiệt dẻo đa năng nên được ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật nhờ có độ cứng lớn, có khả năng tương hợp sinh học và phân hủy sinh học Do độ bền kéo khá cao và tỷ trọng khá nhẹ so với kim loại nên PLA được dùng làm vỏ bọc của viên thuốc, nẹp đỡ trong phẫu thuật chỉnh hình, chỉ khâu vết thương…trong y tế Sau thời gian sử dụng nhất định trong cơ thể con người, chúng phân hủy mà không gây độc hại trong cơ thể [28]

Tuy nhiên một số nhược điểm như giòn, độ dãn dài khi đứt thấp, dễ bị thủy phân, quy trình điều chế phức tạp và giá thành cao đã hạn chế khả năng sử dụng của

nó Để khắc phục được các nhược điểm này, PLA đã được trộn hợp với các polyme khác hay với các chất độn bằng nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra các polyme blend và compozit có tính chất như mong muốn, đáp ứng yêu cầu sử dụng [1] Hydroxyapatit (HAp) có công thức hóa học là Ca10(PO4)6(OH)2 Trong tự nhiên HAp 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 [35] Tuy nhiên, nhược điểm của HAp là có độ bền cơ học thấp Để khắc phục nhược điểm và tận dụng ưu điểm của HAp, các nghiên cứu đã chế tạo một tổ hợp compozit bằng cách phân tán bột HAp vào các polyme sinh học như collagen, chitosan, xenluloza, PLA…trong đó PLA là một polyme được lựa chọn bởi những ưu điểm vốn có của nó

Vật liệu nanocompozit PLA/HAp đã được tổng hợp và nghiên cứu tính chất ở ngoài nước[24,61,70] Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu sử dụng các chất phụ gia như chất hóa dẻo, chất tương hợp để tăng cường tuơng tác và phân tán nano HAp vào PLA, nâng cao tính chất cơ lý nhằm đáp ứng được yêu cầu của vật liệu

trong lĩnh vực cấy ghép xương Chính vì vậy, luận văn “Tổng hợp và những đặc

trưng hóa lý vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp, định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương” được thực hiện với mong muốn đưa ra điều kiện thích hợp để tổng hợp vật

liệu PLA/nanoHAp bằng phương pháp dung dịch và nhũ tương

2 Mục đích nghiên cứu

Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố như tỷ lệ PLA:HAp, thời gian phản ứng, tốc độ khuấy, nhiệt độ phản ứng, chất tương hợp, chất ổn đinh và xúc tác đến đặc trưng, tính chất của vật liệu nanocompozit PLA/HAp được tổng hợp bằng hai phương pháp dung dịch và nhũ tương Thử nghiệm các vật liệu tổng hợp được trong môi trường dung dịch cơ thể người SBF để đánh giá khả năng tương thích sinh học của vật liệu

3 Phương pháp nghiên cứu

3.1 Các phương pháp tổng hợp

Tổng hợp nanocompozit PLA/HAp bằng phương pháp dung dịch và nhũ tương được thực hiện trong phòng thí nghiệm của Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

3.2 Các phương pháp phân tích

- Phổ hồng ngoại IR được thực hiện trong dải bước sóng 400 – 4000 cm-1 trên máy FT – IR 6700 của hãng Nicolet tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam nhằm xác định các nhóm chức đặc trưng của PLA, HAp và vật liệu PLA/HAp

- Phương pháp phân tích hình thái bằng kính hiển vi điện tử quét: xác định hình thái của vật liệu tổng hợp trên thiết bị EM S4800 của hãng Hitachi tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương

- Phương pháp nhiễu xạ tia X để xác định cấu trúc pha của HAp biến tính, vật liệu PLA/HAp được thực hiện trên máy nhiễu xạ Sitôiens D5005 Bruker – Germany của Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

- Phân tích nhiệt TGA để xác định hàm lượng LA ghép lên HAp, thực hiện trên máy DTG-60H tại bộ môn Hóa lý thuyết và Hóa lý, khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội

- Độ bền kéo và modun đà hồi của vật liệu PLA/HAp được thực hiện trên máy Instron 1121 tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hydroxyapatit (HAp)

Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HAp bao gồm các ion Ca2+

Tuỳ theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp siêu âm hoá học ) cũng như các điều kiện khác nhau trong quá trình tổng hợp (như thay đổi nhiệt độ phản ứng, pH, tốc độ nạp liệu, thời gian già hoá sản phẩm ) mà các tinh thể HAp tồn tại ở các hình dạng khác nhau như hình que, hình kim, hình sợi, hình vảy, hình trụ hoặc hình cầu [30, 56] Các dạng tồn tại của tinh thể HAp có thể nhận biết và nghiên cứu bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét EM Hình 1.2) [4]

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

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

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

và nước:

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

- HAp tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800oC đến 1200o

C tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng:

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

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

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

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

- Không có tính bền cơ lý đủ để thay thế, cấy ghép hoàn toàn cho những vùng xương chịu tải nặng của cơ thể

HAp thường được sử dụng ở dạng bột hoặc biến thể của bột Bột HAp rất khó nung kết khối do khi nung dễ bị phân huỷ biến đổi thành phần Nguyên nhân là do HAp bị phân huỷ tạo thành các sản phẩm khác trong hệ CaO-P2O5 Để sản xuất khối HAp thành sản phẩm thương mại đòi hỏi phải nung kết ở nhiệt độ khoảng 1000o

C

Khi HAp ở kích thước nano, mật độ tiếp xúc bề mặt sinh học tăng và phù hợp với các kích thước của khoáng trong xương nên hoạt tính của bột HAp tăng lên Ngoài ra việc kết khối vật liệu trở nên dễ dàng hơn rất nhiều

1.1.3 Tính chất sinh học

Canxi và photpho là những nguyên tố tồn tại trong xương và răng, chúng cũng tồn tại trong tự nhiên dưới dạng flo-apatit Ca10(PO4)6F2, là một trong các hợp chất khoáng có tên chung là "apatit" Các apatit là các hợp chất bền hoá, có thành phần tương tự như các khoáng trong xương Tuỳ thuộc tỉ lệ Ca/P, pH, sự hiện diện của nước, nhiệt độ, độ tinh khiết của sản phẩm mà ta thu được các pha khác nhau [10] Nói chung các vật liệu làm từ canxi photphat có khả năng chống lại sự tấn công của

vi khuẩn, sự thay đổi pH và điều kiện dung môi Tuy nhiên, nhóm vật liệu này có tính bền cơ thấp, diện tích bề mặt riêng nhỏ (2 - 5m2/g) và liên kết giữa các tinh thể bền chặt Trong khi đó, các thành phần khoáng trong xương (kích thước nano) có diện tích bề mặt riêng lớn, được phát triển trong môi trường hữu cơ, liên kết giữa các tinh thể lỏng lẻo Đặc điểm này tạo ra sự khác nhau về khả năng hấp thụ của chúng [6, 21]

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 [7]

Do có cùng bản chất và thành phần hóa học, HAp tự nhiên và nhân tạo 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 hóa học và các đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dạng 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 cơ thể người

và có tính sát khuẩn cao [35]

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

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

và độ bền cơ học cao (thép không gỉ 316L, titan, TiN, Ti6Al4V) dùng làm nẹp để vít xương) dạng compozit dùng để làm thẳng xương, làm kẹp nối và có thể làm chất mang thuốc [23, 72]

1.1.4 Các phương pháp tổng hợp HAp

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

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

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

Phương pháp kết tủa học

Đây là một trong những phương pháp cơ bản để tổng hợp HAp dựa vào phản ứng kết tủa từ dung dịch [7] Phương pháp này được Hayek và Stadlman [27] sử

dụng rộng rãi vì cách tiến hành đơn giản đồng thời cho một lượng mẫu lớn cùng độ tinh khiết cao Phản ứng kết tủa hóa học HAp được tổng hợp từ Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 như sau:

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

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

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

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

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

1.1.5 Ứng dụng của HAp

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

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

ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hòa tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hóa canxi thành HAp Một phương pháp hữu hiệu để bổ sung canxi cho cơ thể là sử dụng HAp ở dạng bột mịn, kích thước nano [40] Với kích thước khoảng 20 – 100nm, HAp được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải chuyển hóa thêm

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

có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng Nhờ những đặc tính này mà HAp

dạng gốm xốp được dùng để chế tạo răng giả và sửa chữa khuyết tật của răng Các nhà khoa học Nhật Bản đã thành công trong việc tạo ra một hỗn hợp gồm HAp tinh thể kích thước nano và polyme sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy, nghĩa là tinh thể HAp mới tạo thành lớp men răng cứng chắc,

“bắt chước” theo đúng tinh thể HAp của lớp men răng tự nhiên [34] HAp dạng gốm xốp còn dùng để chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa khuyết tật của xương Tùy thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo

ra các sản phẩm gốm HAp có kích thước và độ xốp khác nhau Sau đó, gia công các sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp để điền đầy những chỗ khuyết tật của xương [69, 71] Để chữa trị căn bệnh loãng xương, cục quản lý dược phẩm đã cho phép sử dụng HAp trong sản xuất thuốc và thực phẩm chức năng [16] Có nhiều loại thuốc và thực phẩm chức năng được sản xuất từ HAp đã được lưu hành rộng rãi trên thị trường như: Ossopan của Pháp, Bone booster complex

HAp và HAp pha tạp ngoài những ứng dụng trên nó còn được sử dụng làm chất hấp phụ Co2+

NO3-, nitrobenzen, Cd2+, và F- với hiệu suất hấp phụ cao tương ứng là xấp xỉ 100%, 96%, 95%, 84%, và 60% Do đó bột HAp là vật liệu tiềm năng trong ứng dụng xử lý các ion nhiễm bẩn có mặt trong nước sinh hoạt [14, 32, 41, 67] HAp còn được sử dụng làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học, làm vật truyền dẫn và nhả chậm thuốc [13, 48]

1.1.6 Hydroxyapatit biến tính (HAp-bt)

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

là 160 m2/g so với 85 m2/g của HAp [74] HAp biến tính bằng dodecyl ancol hoặc

axit lactic nhằm cải thiện khả năng ghép của HAp với các polyme Các nghiên cứu đều chỉ ra rằng hiệu suất ghép của HAp biến tính cao hơn nhiều so với HAp không

biến tính và đặc biệt tính chất cơ lý của vật liệu composit HAp-polyme được nâng lên rõ rệt đáp ứng được yêu cầu làm nẹp vít xương chất lượng cao cho những vùng xương chịu tải trọng nặng [19, 31, 73, 75]

Lê Anh Tuấn và các cộng sự đã biến tính thành công HAp với LA trong dung môi tetrahydrofuran (THF) Kết quả thu được HAp-bt có khả năng ghép với các polyme cao hơn HAp [10]

Trong các loại vật liệu compozit, độ tương tác giữa thành phần nền và thành phần phân tán luôn là vấn đề được quan tâm vì đó là yếu tố quan trọng quyết định tính chất cơ - lý của vật liệu [36] Một trong những phương pháp để cải thiện độ phân tán là ghép trực tiếp polyme lên bề mặt của chất phân tán Polyme có thể ghép lên bề mặt của chất phân tán nhờ vào nhóm chức ở cuối mạch hoặc được ghép trực tiếp ngay khi bắt đầu quá trình polyme hoá [64] Một phương pháp khác để tăng khả năng tương tác của PLA và HAp là ghép LA lên HAp để tạo thành HAp – biến tính (HAp – bt) trước khi tiến hành tổng hợp nanocompozit PLA/HAp

1.2 Polyaxit lactic (PLA)

Tính chất

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

có cacbon ở giữa các nhóm chức axit cacboxylic và hydroxyl là bất đối xứng, tồn tại dưới hai dạng đồng phân đối quang L- và D-axit lactic Hầu hết các dạng axit lactic thấy trong các nguồn tự nhiên đều là dạng L(+), ngược lại dạng D(-) rất hiếm gặp Cacbon bất đối xứng làm tăng tính lập thể (diastereoisome) (isotactic, syndiotactic

và hetero – hoặc atactic) của mạch PLA polyme, tùy thuộc vào hướng tương đối của nhóm metyl trong quá trình phát triển mạch polyme axit lactic Polyme từ axit lactic

do vậy có đơn vị lặp lại là một trong hai dạng trên hoặc kết hợp, tùy thuộc vào nguồn monome [2, 37]

Hình 1.4: Hai dạng cấu hình của LA

Do axit lactic tồn tại ở 2 dạng đồng phân không gian nên polyaxit lactit tạo thành sẽ có 3 dạng cấu hình: D,D-lactit (gọi là D- lactit), L,L- lactit(L-lactit) và L,D- lactit hoặc D,L- lactit (meso-lactit) (trong đó, D và L lactit có hoạt tính quang học nhưng meso thì không nên PLA có nhiều loại khác nhau Nói chung PLA thương mại thường là copolyme của L-lactit và D-lactit Để ứng dụng trong lĩnh vực y sinh người ta thường sử dụng cấu hình dạng L (PLLA) vì nó có cấu trúc tinh thể nên có khả năng tương thích sinh học với cơ thể người tốt hơn PLA hiện nay chủ yếu được điều chế theo phương pháp trùng hợp mở vòng các đime lactit Các polyme có hàm lượng dạng L lớn dùng để tạo ra polyme kết tinh, trong khi các vật liệu có chứa hàm lượng D lớn (> 15 %) thì ở dạng vô định hình [1, 38]

PLA là polyme dễ gia công, khả năng tương hợp tốt và có khả năng phân huỷ sinh học Tốc độ phân huỷ, tính chất cơ lý thay đổi trong khoảng rộng phụ thuộc vào khối lượng phân tử (KLPT), thành phần và cấu trúc kết tinh của PLA Hàm lượng D- lactit có trong PLA được dùng để điều chỉnh độ kết tinh và tính chất của PLA thu được [54, 55, 59]

Độ tan của PLA phụ thuộc vào KLPT, độ kết tinh PLA tan trong các dung môi clorua hay florua hữu cơ, đioxan, furan, axeton, pyridin, etyl lactat, tetrahydrofuran, xylen, etylaxetat, dimetylsulfoxit, N,N-dimetylfocmamit và metyl etyl xeton Nó không tan trong nước, rượu (metanol, etanol, propylen glycol) và hydrocarbon chưa thế (hexan, heptan)

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

Tuy nhiên một số nhược điểm như giòn, độ dãn dài khi đứt thấp, dễ bị thủy phân, quy trình điều chế phức tạp và giá thành cao đã hạn chế khả năng sử dụng của

nó Để khắc phục được các nhược điểm này, PLA đã được trộn hợp với các polyme khác hay với các chất độn bằng nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra các polyme blend và compozit có tính chất như mong muốn, đáp ứng yêu cầu sử dụng [1] PLA là một polyeste nên bị thủy phân trong các môi trường nước axit và bazơ Hai yếu tố ảnh hưởng chính đến thủy phân của PLA là sự thấm nước và cơ chế tự xúc tác [28] PLA có các nhóm axit cacboxylic cuối mạch có thể xúc tác thủy phân PLA xảy ra nhanh hơn [33] Cơ chế tự xúc tác thể hiện rõ khi ngâm mẫu PLA trong dung dịch đệm có pH = 7,4 ở 37 C Các phản ứng thủy phân PLA tự xúc tác diễn ra như sau:

trùng hợp gồm có trùng hơp trạng thái rắn (SSP), trùng hợp nóng chảy và trùng hợp

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

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

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

Vật liệu compozit trên cơ sở PLA

1.3.1 Vật liệu compozit

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

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

Ở Việt Nam, các tác giả Thái Hoàng, Đỗ Văn Công và cộng sự ở Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã nghiên cứu thủy phân của PLA, vật liệu polyme blend PLA/EVA với EVA có hàm lượng VA ≤ 42% chế tạo bằng các phương pháp dung dịch và trộn nóng chảy [62] Kết quả cho thấy PLA, vật liệu polyme blend PLA/EVA và vật liệu compozit PLA/EVA/CaCO3 đều bị thủy phân trong dung dịch HCl, NaOH và đệm photphat) và thủy phân lớn nhất trong môi trường kiềm Quá trình thủy phân phụ thuộc vào nhiệt độ, chiều dày mẫu Mẫu có chiều dày từ 0,16 mm - 0,26 mm bị thủy phân lớn nhất [1] Nhóm tác giả cũng đã thực hiện nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme tổ hợp chitosan/polyaxit lactic có sử dụng polycaprolacton làm chất tương hợp (10% và 20%) kết quả thu được vật liệu tổ hợp PLA/chitosan có kích thước nano của chitosan phân tán trong pha PLA [5]

GS.TSKH Trần Vĩnh Diệu và các đồng nghiệp ở Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu vật liệu polyme compozit trên cơ sở PLA gia cường bằng các sợi tự nhiên như sợi tre [17] hay sợi nứa [2, 8] Độ bền uốn, độ bền va đập

và độ dai của vật liệu compozit PLA/sợi tre lớn hơn so với PLA Độ bền kéo của PLA tăng 69,4 % khi đưa vào PLA 40 % sợi nứa [8]

Như đã trình bày ở trên, HAp có khả năng tương tác sinh học cao nên có nhiểu ứng dụng trong y sinh Tuy nhiên, tính chất cơ lý của HAp không đáp ứng được yêu cầu của vật liệu y sinh Trong khi đó, PLA là một polime có khả năng phân hủy sinh học tốt nên việc ghép HAp lên bề mặt PLA tạo ra vật liệu có thể đáp ứng được yêu cẩu của vật liệu sử dụng trong y sinh PLA có vai trò như một chất mang (pha liên tục) trong nanocompozit PLA/HAp, HAp (pha phân tán) trên nền chất mang PLA Việc ghép này có tác dụng làm tăng khả năng tương thích sinh học

của vật liệu với xương so với PLA ở dạng đơn lẻ và tăng tính chất cơ lý của vật liệu HAp

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

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

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

Trong nghiên cứu của X Deng và công sự, HAp tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt khuyết Ca và có tinh thể với cấu trúc dạng que có độ dài trong khoảng 40-80 nm và độ rộng là 20-40 nm Các tinh thể nano này có các đặc trưng tương tự như khoáng xương về mặt hình thái học và thành phần nên khả năng tạo xương bằng việc sử dụng tổ hợp PLA/HAp và PLA/nanoHAp là rất có triển vọng Kết quả nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TTÔI) cho thấy sự phân tán tốt của tinh thể nano HAp trong PLA [70]

Năm 2006 giáo sư người Nhật Fukue Nagata và cộng sự đã tổng hợp PLA/HAp Các kết quả phân tích ảnh EM, phổ FT-IR, phân tích phổ nhiễu xạ tia X,

năng lượng tán xạ tia X cho thấy nồng độ dung dịch Ca(CH3COO)2 và (NH4)2HPO4

ảnh hưởng đến pha tinh thể và các liên kết của PLA/HAp [24]

Năm 2008, Ting Tian và cộng sự người Trung Quốc đã chế tạo vật liệu nanocompozit PLA/d-HAp bằng phương pháp ngâm/nhúng HAp đã thiêu kết vào dung dịch của PLA đã được chuẩn bị trước sau đó dùng kỹ thuật ly tâm để loại bỏ dung dịch PLA không tham gia vào vật liệu compozit [61] Ảnh EM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/HAp cho thấy có một lớp mỏng polyme phát triển trên các khung HAp với các cấu trúc lỗ xốp của HAp đã thiêu kết không thay đổi

Hình 1.6 Ảnh EM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/nano HAp với các độ

phóng đại khác nhau

Các phương pháp tổng hợp

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

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

Nenasd Ignjatovic và các cộng sự đã tổng hợp nanocompozit PLLA/HAp bằng phương pháp dung dịch Dung môi được sử dụng là clorofom ở 200

C trong 60 phút Kết quả thu được vật liệu nanocompozit PLLA/HAp có độ tinh khiết cao nhờ vào việc loại bỏ clorofom rất dễ dàng Vật liệu thu được có độ xốp lớn nhất là 0,4%,

độ bền kéo cao nhất là 93,2 MPA và modun đàn hồi là 2,43 GPa [44]

Xianmo Deng cùng các cộng sự đã tổng hợp nanocompozit PLA/d-HAp bằng phương pháp dung dịch Các dung môi được sử dụng là clorofom, điclorometan (DCM), benzen và đimetylformamit (DMF) Kết quả khảo sát ảnh hưởng của dung môi cho thấy, dung môi có độ phân cực càng lớn thì độ phân tán của HAp càng cao [70]

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

độ bền cơ, lý, nhiệt của vật compozit PLA/nano - HAp Một trong các biện pháp để cải thiện khả năng tương tác của PLA và HAp là sử dụng các chất tương hợp trong quá trình tổng hợp, các nghiên cứu đề cập đến vấn đề này còn hạn chế do đó việc

nghiên cứu lựa chọn chất tương hợp cho quá trình tổng hợp compozit PLA/nano HAp đang là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học vật liệu

Zhang và các cộng sự đã tổng hợp nanocopozit PLA/HAp bằng phương pháp nhũ tương dầu – nước Nguyên liệu được sử dụng để tổng hợp HAp là Ca(OH)2 và

H3PO4 Phổ hồng ngoại, Xray và EM được nghiên cứu để khảo sát ảnh hưởng của tỷ

lệ PLA/HAp Với hàm lượng 20% HAp vật liệu thu được có thể sử dụng trong lĩnh vực y sinh [75]

Fukue Nagata và cộng sự đã tổng hợp PLA/HAp bằng phương pháp vi nhũ sử dụng nhũ tương dầu - nước Hình thái bề mặt của vật liệu đã được quan sát bằng ảnh EM Các kết quả phân tích ảnh EM, phổ FT-IR, phân tích phổ nhiễu xạ tia X, năng lượng tán xạ tia X cho thấy nồng độ dung dịch Ca(CH3COO)2 và (NH4)2HPO4ảnh hưởng đến pha tinh thể và các liên kết của vi cầu PLA/HAp [24]

1.3.3 Ứng dụng

Vật liệu compozit trên cơ sở PLA được ứng dụng trong nhiều lính vực của cuộc sống như y dược, công nghiệp, nông nghiệp Compozit PLA/CS và dẫn xuất được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật tạo mô xương hoặc sụn [12], dùng làm chỉ khâu vết thương, vỏ bọc viên thuốc hoặc làm mô tế bào Đặc biệt, nano PLA/CS là

một hệ thống đầy hứa hẹn cho việc điều khiển sự phân phối thuốc chữa virut HIV Vật liệu compozit trên cơ sở PLA và CS vẫn giữ được tính kháng khuẩn của CS nên được dùng trong bảo quản một số nông sản Ngoài ra còn được dùng làm lớp tráng trên giấy hoặc phim hay bao bì đóng gói sản phẩm y sinh

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

1.4 Hoạt tính sinh học của compozit PLA/nanoHAp

Hoạt tính sinh học của của vật liệu khung compozit PLLA/nano HAp đã được tiến hành bằng cách ngâm chúng vào chất lỏng mô phỏng dung dịch cơ thể người (SBF) Để đánh giá khả năng hình thành apatit, khung compozit PLLA/ nano HAp được ngâm vào dung dịch SBF ở pH 7,4 trong 7 ngày với tỷ lệ rắn/lỏng là 1,5 mg/ml Dung dịch SBF được tổng hợp theo mô tả của Kokubo Khung compozit PLLA/nano HAp dạng lập phương được ngâm trong SBF đựng trong bình nhựa kín

để giảm thiểu sự thay đổi pH và nhiễm khuẩn vi sinh vật Quá trình ngâm được thực hiện trong máy lắc duy trì ở 37oC, dung dịch SBF không được tái tạo trong quá trình thử nghiệm Sau 7 ngày thử nghiệm, mẫu được lọc, rửa bằng nước đề ion hóa

và làm khô Kết quả quan sát ảnh EM của vật liệu khung compozit PLLA/ nano HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF cho thấy cấu trúc lỗ xốp của HAp đã thiêu kết không thay đổi Tuy nhiên, trên bề mặt của compozit xuất hiện một vài cặn đọng

Có thể nhìn rõ cặn đọng này tạo thành từ các tinh thể HAp với kích thước khoảng

100 nm ở ảnh EM có độ khuếch đại lớn hơn [61]

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

7 ngày ngâm trong SBF

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

Ca và P với tỷ lệ Ca/ P tính toán bằng 1,65 gần với cấu trúc của apatit [61]

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

Araujo và cộng sự đã thử nghiệm in vitro vật liệu compozit

PLA/chitosan/HAp (tỷ lệ chitosan/HAp 2/5, pkl/pkl) chế tạo bằng phương pháp dung dịch trong SBF sau các khoảng thời gian khác nhau để đánh giá hoạt tính sinh học của chúng (khả năng thúc đẩy hình thành lớp apaptit) Các kết quả phân tích

hình thái học cho thấy vật liệu compozit nhanh chóng đáp ứng với môi trường mô phỏng dung dịch cơ thể người và hứa hẹn khả năng ứng dụng làm vật liệu y sinh Lớp apatit tăng theo thời gian ngâm trong SBF và sau au 30 ngày thử nghiệm, toàn

bộ vật liệu compozit được bao phủ hoàn toàn bởi lớp apaptit cấu trúc nano [11]

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

2.1 Hóa chất và điều kiện thực nghiệm

2.1.1 Hóa chất

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

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

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

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

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

Na2HPO4.2H2O, Magie clorua hexahyđrat MgCl2.6H2O, canxi clorua CaCl2, kali dihydrophotphat KH2PO4, Magie sunphat MgSO4.7H2O, đường glucozo C6H12O6, axit clohiđric HCl 1M, natri hiđroxit NaOH 1M Các hóa chất này đều là loại tinh khiết của Merk

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

2.1.2.1 Tổng hợp HAp bằng phương pháp kết tủa hóa học

Bột HAp được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa hóa học từ nguyên liệu Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 trong dung môi nước Phản ứng kết tủa tạo ra các tinh thể HAp diễn ra theo phương trình 1.5 Quy trình tổng hợp như sau:

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

được sử dụng để đảm bảo tỷ lệ Ca/P = 10/6) pH của dung dịch phản ứng được giữ

ở khoảng 10 bằng dung dịch NH4OH 25% Hỗn hợp được già hóa trong 2 giờ tiếp tục lưu mẫu trong khoảng thời gian 15 giờ Sản phẩm kết tủa được li tâm và rửa bằng nước cất với tốc độ 4000 vòng/phút về pH = 7 Kết tủa được sấy ở 80o

C trong

24 giờ sau đó nghiền trong cối mã não Sản phẩm HAp thu được màu trắng, có dạng bột, tinh thể HAp có dạng hình trụ, đơn pha, kích thước trung bình là 19 x 29nm [66]

Sơ đồ quy trình tổng hợp HAp bằng phương pháp kết tủa hóa học được thể hiện trên hình 2.1

1 Già hóa 2 giờ

2 Lưu mẫu 15 giờ

3 Ly tâm 4000vòng/phút, pH = 7

4 Sấy 80o

C trong 24 giờ

5 Nghiền

2.1.2.2 Tổng hợp HAp biến tính bằng axit lactic

Với mục đích tăng sự phân tán và tương tác của HAp trong nền PLA, trong phần này tôi tiến hành biến tính nano HAp bằng axit lactic theo quy trình như sau: cho 1g bột HAp vào bình cầu có chứa 15 ml THF, tiếp tục nhỏ từng giọt axit lactic vào bình cầu với khối lượng axit lactic là 0,6; 0,8; 1; 1,5 và 2 g Hỗn hợp trên được khuấy với các tốc độ 450, 750 và 900 vòng/phút Có thể cho thêm chất xúc tác SnCl2 với hàm lượng 2% về khối lượng so với axit latic Nhiệt độ ban đầu là 700C, hỗn hơp được để trong thời gian 30 phút và sau đó thêm 10 ml xylen vào và lắp ống sinh hàn hồi lưu, nhiệt độ phản ứng được tăng lên 110o

C, 130oC và 150oC Duy trì phản ứng ở thời gian 3, 6, 16, 21 và 24 giờ Sản phẩm được lọc rửa ít nhất 3 lần bằng etyl axetat và sấy ở 80oC trong 24 giờ Sản phẩm HAp biến tính thu được ở dạng bột màu trắng

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

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

2.1.3.1 Phương pháp dung dịch

PLA được hòa tan bằng các dung môi điclometan, clorofom, hoặc đimetylformamit HAp hoặc HAp - bt cũng được phân tán trong dung môi tương ứng bằng khuấy từ, hai hỗn hợp trên được trộn với nhau và khuấy trong 30 phút, 2 giờ và 4 giờ Hỗn hợp sau đó được đổ ra khuôn nhôm đến khi dung môi bay hơi hết

ở nhiệt độ phòng Để đảm bảo không còn dung môi trong vật liệu nanocompozit, vật liệu được đưa vào tủ sấy ở nhiệt độ 80oC trong thời gian 12 giờ Vật liệu sau khi sấy khô được ép với lực ép là 5-10 Mpa trên máy ép Toyoseiki (Nhật Bản) tại Viện

Kỹ thuật nhiệt đới, ở nhiệt độ 180 C trong thời gian 10 phút Vật liệu compozit thu được ở dạng tấm

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

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

bằng phương pháp dung dịch 2.1.3.2 Phương pháp nhũ tương

PLA được hoà tan trong điclometan hoặc clorofom sau đó dung dịch canxi acetat Ca(CH3COOH)2 nồng độ 16,7 mmol.L-1 được thêm vào dung dịch chứa PLA, khuấy đều hỗn hợp trên bằng máy khuấy cơ tốc độ 2000 vòng/phút Nhỏ từ từ dung dịch (NH4)2HPO4 nồng độ 1 mmol.L-1 vào hỗn hợp trên với tốc độ 3, 5 hoặc

10 ml/phút (lượng (NH4)2HPO4 được sử dụng để đảm bảo tỷ lệ Ca/P = 10/6) Sau khi nhỏ hết (NH4)2HPO4, hỗn hợp thu được tiếp tục khuấy trong 2 giờ, sau đó để lắng ở nhiệt độ phòng trong thời gian 24 giờ, mẫu được lọc và sấy ở 80o

C trong 24 giờ Vật liệu thu được khi đã khô và bay hơi hoàn toàn dung môi được ép với lực 10-15 MPa bằng máy ép Toyoseiki (Nhật Bản) tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, ở 180oC trong thời gian 10 phút Vật liệu sau khi ép có dạng tấm phẳng được để ổn định ở nhiệt độ phòng

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

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

C [63]

PLA

(Dung môi)

HAp hoặc HAp - bt (Dung môi)

PLA/HAp Hoặc PLA/HAp-bt

+ Khuấy + Đổ ra khuôn + Sấy ở 80 o

C

5 số Sartorius AG Gottingen CP224S/18004308 pH của dung dịch ngâm được xác định trên máy đo pH cầm tay Hanna instrument HI 8424 microcomputer pH meter

Sự biến đổi khối lượng mẫu ký hiệu là ∆m trong quá trình thử nghiệm được tính bằng hiệu của khối lượng mẫu ban đầu và khối lượng mẫu tại thời điểm ngâm Sau mỗi khoảng thời gian lấy mẫu ra, rửa sạch, sấy khô ở 50o

C và cân khối lượng, phân tích (EM, IR, X-Ray) và đo pH của dung dịch SBF

2.2 Các phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)

Phổ hồng ngoại dùng để xác định cấu trúc phân tử của chất nghiên cứu dựa vào những tần số đặc trưng trên phổ của các nhóm chức trong phân tử Khi chiếu bức xạ hồng ngoại vào phân tử chất nghiên cứu, trong bản thân các phân tử luôn có các trạng thái dao động của các nhóm chức Từ các số liệu của phổ dao động, người

ta có thể đi đến một số đặc trưng về cấu trúc phân tử Dựa vào tần số (hoặc số sóng) đặc trưng của các nhóm chức người ta suy ra cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu Trong nghiên cứu này, dùng phổ IR xác định sự có mặt của các nhóm chức đặc trưng trong phân tử HAp như PO4

3-, OH- hay COO- trong phân tử PLA

Mẫu sau khi đã tổng hợp, một lượng nhỏ (khoảng 1 mg) được ép viên với KBr và phổ FTIR được ghi trên máy hồng ngoại biến đổi Fourier NICOLET – 410 tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới

2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (EM)

Phương pháp EM được sử dụng để xác định hình dạng và bề mặt cấu trúc của vật liệu Nguyên tắc cơ bản của phương pháp EM là dùng chùm điện tử để tạo ảnh của mẫu nghiên cứu, ảnh đó khi đến màn huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại rất lớn từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần Chùm điện tử được tạo ra từ catôt qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứ cấp Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi thành tín hiệu sáng Chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn hình Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình Độ sáng tối trên màn hình tuỳ thuộc vào lượng điện tử phát ra thứ cấp tới

bộ thu, đồng thời còn phụ thuộc sự khuyết tật bề mặt của mẫu nghiên cứu Đặc biệt,

do sự hội tụ các chùm tia nên có thể nghiên cứu cả phần bên trong của vật chất Trong nghiên cứu này, hình thái, cấu trúc của vật liệu compozit HAp/PLA được phân tích bởi kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FEEM) S-4800 (Hitachi, Nhật Bản) đặt tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương