Tổng hợp và nghiên cứu thực nghiệm in vitro thuỷ tinh y sinh 45s5

Hoạt tính sinh học của chúng là khả năng tạo một lớp Hydroxyapatite: Ca10PO46OH2 trên bề mặt khi những vật liệu này được ngâm trong dung dịch mô phỏng dịch thể người hay cấy ghép trong c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUY ỄN NGỌC THY

TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

"IN VITRO" THUỶ TINH Y SINH 45S5

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUY ỄN NGỌC THY

TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

"IN VITRO" THUỶ TINH Y SINH 45S5

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

Họ tên học viên: NGUYỄN NGỌC THY MSHV: 11030700

Ngày, tháng, năm sinh: 17 - 10 -1984 Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: Công Nghệ Vật Liệu Vô Cơ Mã số : 605290

I TÊN ĐỀ TÀI

TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM "IN VITRO"

THUỶ TINH Y SINH 45S5

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

 Xử lý nguyên liệu cát trắng Cam Ranh đạt hàm lượng SiO2 trên 96%

 Tổng hợp thủy tinh bằng phương pháp nấu chảy trong lò điện đến 1450°C

 Phân tích XRD, XRF, FTIR, SEM để đánh giá chất lượng thủy tinh tổng hợp được

 Tiến hành thực nghiệm “ in vitro” bằng dung dịch SBF (Simulated Body Fluid) để

đánh giá hoạt tính sinh học của thủy tinh y sinh

 Tiến hành thực nghiệm “ in vitro” bằng thử độc tính tế bào để đánh giá hoạt tính sinh

học của khối thủy tinh y sinh

Đánh giá tính chất cơ học của khối thuỷ tinh y sinh

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 6/ 7/ 2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/ 12/ 2015

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Bùi Xuân Vương

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, em xin gởi lời cám ơn sâu sắc đến thầy TS Bùi Xuân Vương, người đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian thực hiện và viết báo cáo này

Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Vật Liệu

Vô Cơ đã tận tình hộ trợ giúp đỡ kiến thức và điều kiện tốt để em thực hiện luận văn này Với kiến thức mà em đã học được trong thời gian qua chắc chắn sẽ rất có ích và giúp em vững tin hơn trong hành trang tương lai, sự nghiệp của mình

Chân thành cảm ơn các em sinh viên đã đồng hành cùng chị trong suốt thời gian qua với bao nhiêu khó khăn vấp phải trong quá trình thực hiện luận văn này

Xin cảm ơn những người thân trong gia đình luôn quan tâm, chăm sóc, ủng hộ, động viên tôi trên bước đường mà tôi đã chọn

Cuối cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô và các bạn dồi dào sức khỏe, thành công và hạnh phúc

Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2015

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Thủy tinh hoạt tính sinh học (Bioactive glass) lần đầu được phát minh năm 1969 bởi nhà khoa học Larry Hench tại University of Florida and Imperial College London Thành phần của những thủy tinh này gồm: SiO2, CaO, P2O5, Na2O Hoạt tính sinh học của chúng là khả năng tạo một lớp Hydroxyapatite: Ca10(PO4)6(OH)2 trên bề mặt khi những vật liệu này được ngâm trong dung dịch mô phỏng dịch thể người hay cấy ghép trong cơ thể người Lớp Hydroxyapatite là thành phần chính của khoáng xương, do vậy nó cho phép những liên kết hóa học giữa miếng ghép nhân tạo và xương tự nhiên Nhờ sự cấu tạo mới của lớp Hydroxyapatite những phần xương hỏng được phục hồi và thay thế Sau sự khám phá của Larry Hench, nhiều hệ thủy tinh hoạt tính sinh học đã được nghiên cứu và tổng hợp

Các sản phẩm thủy tinh hoạt tính sinh học đã được thương mại hóa và được sử dụng như những vật liệu xương nhân tạo trong y khoa Vật liệu thủy tinh sinh học hiện đang được nhập ngoại về các bệnh viện ở Việt Nam dùng để trám răng hay cấy ghép xương trong phẫu thuật chỉnh hình Hầu như chưa có sản phẩm nào được chế tạo trong nước

Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu tổng hợp hệ thủy tinh hoạt tính sinh học 45%SiO2 – 24,5%CaO – 24,5%Na2O – 6%P2O5 (theo % khối lượng) bằng phương pháp nung nóng chảy tiền chất ở nhiệt độ cao Chúng tôi đã sử dụng một phần nguyên liệu là cát trắng rẻ tiền, sẵn có trong nước nhằm mục đích cung cấp SiO2 cho hệ thủy tinh Cát trắng sau khi xử lý loại bỏ tạp chất, cùng với một số nguyên liệu khác, được đưa vào lò nấu chảy ở 1450°C trong 2 giờ Thủy tinh nóng chảy được làm nguội nhanh bằng nước

Các phương pháp phân tích lý hóa hiện đại như XRF, XRD, FTIR và SEM được sử dụng để phân tích vật liệu Thực nghiệm ‘‘in vitro’’ ngâm bột thủy tinh trong dung dịch giả dịch thể người SBF (Simulated Body Fluid) được tiến hành để kiểm tra hoạt tính sinh học của vật liệu tổng hợp (khả năng hình thành khoáng xương) Các kết quả phân tích khẳng định hoạt tính sinh học của vật liệu thủy tinh qua sự hình thành lớp khoáng xương mới trên bề mặt vật liệu sau thử nghiệm ‘‘in vitro’’

Từ các kết quả đánh giá hoạt tính sinh học của vật liệu thủy tinh, chúng tôi bước đầu đi giải thích và kiểm nghiệm cơ chế hoạt tính sinh học của vật liệu

Một số thông số về cơ lý của vật liệu cũng được đánh giá

Thử nghiệm độc tính của thủy tinh trong môi trường nuôi cấy tế bào đang được tiến hành nhằm kiểm tra tính tương thích sinh học của vật liệu tổng hợp./

ABSTRACT

Bioactive Glass (Bioactive glass) was first invented in 1969 by Larry Hench scientist at the University of Florida and Imperial College London The composition of the glass include: SiO2, CaO, P2O5, Na2O Their bioactivity is the ability to create a layer

of Hydroxyapatite: Ca10 (PO4)6 (OH)2 on the surface when these materials are soaked in

a solution simulating human or implanted in the human body Hydroxyapatite layer is the main component of bone mineral, thus allowing the chemical bonding between the bone graft with artificial and natural Because of new Hydroxyapatite layer, structure of the broken bone is restored and replaced After the discovery of Larry Hench, multiple bioactive glass has been studied and synthesized

The Bioactive glass products has been commercialized and used as artificial bone materials in medicine Bioglass currently is being imported to the hospital for fillings bone or implants in orthopedic surgery in Vietnam Hardly any of the products

manufactured in the country

In this thesis, we study to synthetic bioactive glass 45% SiO2 - 24.5% CaO - 24.5% Na2O - 6% P2O5 (wt%) by method for melting in high temperature material We have used a portion of materials are inexpensive white sand, available in the country aimed at providing SiO2 glass system White sand after processing the removal of

impurities, along with some other materials, are included in melting furnaces at 1450 ° C for 2 hours Melting glass is rapidly cooled by water

The analytical modern method of as XRF, XRD, FTIR and SEM was used to analyze the material Experiments' in vitro '' glass powder soaked in a Simulated solution

of human SBF (Simulated Body Fluid) was conducted to examine the biological activity

of the synthetic material (capable of forming bone mineral) The analysis results

confirmed bioactive glass material through the formation of new bone mineral layer on

the substrate surface after testing '' in vitro ' The results of the evaluation of bioactive glass material, we initially go explain and tested mechanisms of biologically active material Some mechanical parameters of materials were also evaluated

Toxicity tests of bioglass in the cell culture medium is being conducted to test the biological compatibility of synthetic materials /

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của nhóm chúng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của Ts Bùi Xuân Vương Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính nhóm tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2015

Nguyễn Ngọc Thy

i

MỤC LỤC

1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Y SINH XƯƠNG NHÂN TẠO - 1

1.1 Vật liệu y sinh - 1

1.1.1 Khái niệm - 1

1.1.2 Phân loại - 1

1.2 Vật liệu y sinh xương nhân tạo - 2

1.2.1 Sự ghép xương tự nhiên - 2

1.2.2 Ghép xương sử dụng Vật liệu y sinh xương nhân tạo - 2

1.3 Vật liệu xương nhân tạo - Thủy tinh hoạt tính sinh học SiO2-Na2O-CaO- P2O5 5 1.3.1 Giới thiệu về thủy tinh - 5

1.3.2 Thành phần, cấu trúc và tính chất hóa học của Thủy tinh hoạt tính sinh học - 6

1.3.3 Thuỷ tinh sinh học 45S5 - 8

1.3.4 Tính chất hóa học của thủy tinh - 8

1.3.5 Các phương pháp tổng hợp thủy tinh hoạt tính sinh học - 9

2 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM - 11

2.1 Quy trình tổng hợp thủy tinh hoạt tính sinh học 45SiO2 - 24,5CaO - 24,5Na2O - 6P2O5 - 11

2.1.1 Nguyên liệu và hóa chất - 11

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị - 11

2.1.3 Quy trình thực nghiệm - 12

2.2 Thực nghiệm „„In vitro‟‟ kiểm tra hoạt tính sinh học vật liệu thủy tinh - 19

2.2.1 Dung dịch SBF - 19

ii

2.2.2 Quy trình tổng hợp dung dịch SBF - 19

2.2.3 Thực nghiệm „„In vitro‟‟ ngâm bột thủy tinh trong dung dịch SBF 21

2.3 Thực nghiệm kiểm tra tính độc của vật liệu trên tế bào - 22

2.4 Phương pháp xác định độ xốp của vật liệu [29,30] - 26

3 CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP LÝ HÓA ĐÁNH GIÁ VẬT LIỆU - 28

3.1 Phân tích huỳnh quang tia X (X-ray Flourescence XRF) [17] - 28

3.2 Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) [18-22] - 30

3.3 Phân tích cấu trúc bằng phổ hồng ngoại (FTIR) [22] - 32

3.4 Quan sát bằng kính hiển vi quét điện tử (SEM) [23] - 34

3.5 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai - 35

3.6 Kiểm tra độ bền nén xuyên tâm - 37

4 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN - 38

4.1 Phân tích thành phần, cấu trúc và đặc điểm cơ lý của thủy tinh tổng hợp - 38

4.1.1 Phân tích cấu trúc thủy tinh bằng XRD - 38

4.1.2 Phân tích phổ hồng ngoại FTIR - 40

4.1.3 Quan sát bằng Kính hiển vi điện tử quét SEM - 41

4.2 Đánh giá hoạt tính sinh học qua sự hình thành khoáng xương trên bề mặt thủy tinh sau thực nghiệm „„In vitro‟‟ - 42

4.2.1 Phân tích XRD - 42

4.2.2 Kết quả phân tích quang phổ hồng ngoại FTIR - 44

4.2.3 Kết quả kính hiển vi điện tử quét SEM - 46

4.2.4 Đánh giá cơ chế hoạt tính sinh học vật liệu thủy tinh - 47

4.2.5 Đánh giá cơ chế hoạt tính sinh học - 48

iii

4.3 Độc tính của thủy tinh y sinh trên tế bào - 49

4.4 Đánh giá một số đặc tính cơ lý của vật liệu thủy tinh - 50

5 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 54

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 56

iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1.1: Giới thiệu một số hình ảnh sử dụng vật liệu xương và một số sản phẩm

vật liệu nhập ngoại 4

Hình 1.1.2: Một số hình ảnh ứng dụng của vật liệu Thủy tinh hoạt tính sinh học 5

Hình 1.1.3: Mặt cắt 2 chiều của (a) oxit SiO2 và (b) thủy tinh silic 6

Hình 1.1.4: Các tứ diện SiO4 liên kết với nhau qua đỉnh O trong mạng lưới thủy tinh 7

Hình 1.1.5: Quá trình bẻ gãy liên kết Si-O-Si nhờ oxit CaO 7

Hình 2.1: Hóa chất dùng trong thực nghiệm 11

Hình 2.2: Cát trắng nguyên liệu Cam Ranh 11

Hình 2.3: Cân phối liệu 16

Hình 2.4: Chén Pt đựng phối liệu nấu thủy tinh 16

Hình 2.5: Lò nấu thủy tinh có thể đạt nhiệt độ 1600°C 16

Hình 2.6: Nấu thủy tinh ở nhiệt độ 1450°C 17

Hình 2.7: Gắp chén Pt chứa thủy tinh nóng chảy 17

Hình 2.8: Rót thủy tinh nóng chảy vào nước 18

Hình 2.9: Sản phẩm thủy tinh hoạt tính sinh học thu được 18

Hình 2.10: Nghiền thủy tinh thành bột mịn 18

Hình 2.11: Hóa chất tinh khiết dùng tổng hợp SBF 20

Hình 2.12: Tổng hợp dung dịch SBF 21

Hình 2.13: Điều chỉnh pH = 7,4 và nhiệt độ là 37 oC trong quá trình tổng hợp SBF 21

Hình 2.14: Thực nghiệm „„in vitro‟‟ ngâm bột vật liệu thủy tinh trong dung dịch SBF 22

Hình 2.15: Buồng đếm tế bào 24

Hình 2.16: Cách đếm tế bào 24

Hình 2.17: cơ chế nhuộm màu của MTT 25

Hình 2.18 Bình Pycnomet 27

Hình 3.1: Nguyên tắc của bức xạ huỳnh quang tia X 28

v

Hình 3.2: Máy đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 32

Hình 3.3: Sơ đồ khối máy phân tích hồng ngoại 33

Hình 3.4: Máy phân tích phổ hồng ngoại FTIR 33

Hình 3.5: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 34

Hình 3.6: Một số đường cong tiêu biểu của TG - DTA 36

Hình 3.7: Thiết bị phân tích nhiệt vi sai DTA 36

Hình 3.8: Phương pháp đo độ bền nén xuyên tâm 37

Hình 3.9: Hình minh hoạ đo lực kéo xuyên tâm 37

Hình 4.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X thủy tinh tổng hợp so sánh với SiO2 cấu trúc mạng tinh thể 38

Hình 4.2: Phổ hồng ngoại của thủy tinh tổng hợp 40

Hình 4.3: Ảnh SEM của thủy tinh tổng hợp với độ phóng đại 700 lần, 5000 lần, 10000 lần và 20000 lần 41

Hình 4.4: Nhiễu xạ đồ XRD bột thủy tinh ngâm trong SBF sau 3 ngày, 7 ngày và 21 ngày 42

Hình 4.5: Phổ nhiễu xạ XRD mẫu HA, thuỷ tinh vô định hình, composite thuỷ tinh sinh học và HA, thuỷ tinh sinh học nâm SBF sau 21 ngày 44

Hình 4.6: Phổ hồng ngoại của mẫu thủy tinh ngâm trong SBF sau 3 và 7 ngày 45

Hình 4.7:Ảnh chụp SEM của mẫu ngâm SBF 3 ngày (trái) và 7 ngày (phải) 46

Hình 4.8: Ảnh chụp SEM của mẫu ngâm SBF trong 21 ngày 47

Hình 4.9: Phân tích nhiệt vi sai (DTA) của mẫu composite thuỷ tinh sinh học và HA 52

vi

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 4.1: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của lực nén xuyên tâm, thành phần tỉ lệ

giữa HA và thuỷ tinh sinh học và nhiệt độ nung 51Biểu đồ 4.2: Biểu đồ tương quan giữa độ cứng xuyên tâm và phần trăm độ xốp 52

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Chuỗi phản ứng trên bề mặt chung trong quá trình tham gia vào việc tạo

liên kết giữa xương và tuỷ tinh hoạt tính sinh học [1] 9

Bảng 2.1: Thành phần mẫu cát đo bằng XRF 12

Bảng 2.2: Thành phần mẫu cát đo bằng XRF 13

Bảng 2.3: Thành phần mẫu cát đo bằng XRF 13

Bảng 2.4: Nồng độ các ion trong dd SBF (10-3 mol/l) 19

Bảng 2.5: Các hóa chất dùng tổng hợp dung dịch SBF 20

Bảng 4.1: Bảng thống kê giữa tỉ lệ HA và thuỷ tinh sinh học, nhiệt độ nung và độ cứng xuyên tâm và mật độ xốp 50

HCA - Hydroxy Carbonate Apatite

SBF - Simulated Body Fluid - Dung dịch giả thể người

XRD - X-Ray Diffraction - Nhiễu xạ tia X

XRF - X-Ray Flourescence - Huỳnh quang tia X

FTIR - Fourier Transformed Infrared - Phân tích phổ hồng ngoại

SEM - Scanning Electron Microscope - Kính hiển vi điện tử quét

DTS - Diametral Tensile Strength - Độ bền nén xuyên tâm

OD - Optical density - Độ hấp thu quang học

MTT - 3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-Diphenyltetrazolium Bromide

EDTA - Ethylenediaminetetraacetic acid

Năm 1987, D.F Williams đưa ra khái niệm vật liệu y sinh và khái niệm này

được chấp nhận rộng rãi cho đến ngày nay Vật liệu y sinh là loại vật liệu có nguồn

gốc tự nhiên hay nhân tạo, sử dụng để thay thế hoặc thực hiện một chức năng sống của cơ thể con người [1] Các vật liệu y sinh đã trở nên thân thuộc trong đời sống của

con người như: da nhân tạo, van tim nhân tạo, các loại chỉ khâu trong y học, răng giả, chân tay giả, mạch máu nhân tạo, các vật liệu trám răng hay các vật liệu xương nhân tạo dùng trong phẫu thuật chỉnh hình, ghép xương

1.1.2 Phân loại

L.L Hench dựa vào tương tác giữa vật liệu và môi trường cơ thể đã chia vật

liệu y sinh ra 2 loại chính là vật liệu hoạt tính sinh học và vật liệu trơ sinh học [2] Vật

liệu hoạt tính sinh học là loại vật liệu khi cấy ghép trong cơ thể con người sẽ xảy ra các tương tác hóa học giữa vật liệu với môi trường sống Đối với các vật liệu hoạt tính sinh học có thể kể đến như: thủy tinh hoạt tính sinh học, hydroxyapatite hoặc tricalcium silicate Vật liệu trơ sinh học là vật liệu khi đưa vào cơ thể con người chúng không có bất cứ một tương tác hóa học nào với môi trường sống Một số vật liệu trơ sinh học điển hình đang được ứng dụng nhiều ngày nay như: van tim nhân tạo, các thiết bị cấy ghép trong cơ thể từ alumina hay zirconia

Ngoài ra theo chất liệu của vật liệu, cũng có thể phân loại vật liệu y sinh làm bốn loại như: Vật liệu kim loại & hợp kim, vật liệu ceramic, các polymer, các vật liệu có nguồn gốc tự nhiên

có thể phân loại ra bốn kiểu ghép như sau [3]:

- Ghép cùng gene (Isograft): là việc trao đổi miếng ghép xương giữa hai cơ thể giống nhau hoàn toàn về di truyền Ghép cùng gene được thực hiện chỉ khi cơ thể cho và cơ thể nhận là những anh (chị) em sinh đôi

- Ghép xương tự thân (autograft): xương tự thân được lấy ra từ một phần khác của chính cơ thể bệnh nhân (xương ở hông, xương hàm, xương sọ v.v ) để ghép vào nơi thiếu xương Đây là vật liệu ghép xương tốt nhất bởi nó đã là một thành phần vốn có trong cơ thể bệnh nhân Mặt trở ngại của ghép xương tự thân là bệnh nhân phải chịu thêm một lần phẫu thuật lấy xương, phải chịu đau và thời gian lành thương dài hơn Trong một số trường hợp, phần xương tự thân thu gom được không đủ cho chỗ cần ghép và bác sĩ vẫn cần phải dùng vật liệu ghép xương khác

- Ghép xương đồng loại (allograft): là vật liệu được lấy từ cơ quan người hiến tặng

và được xử lý an toàn tuyệt đối cho việc ghép xương Sau xương tự thân thì xương đồng loại là vật liệu ghép hiệu quả nhất bởi nó có nhiều đặc tính tương đồng với xương tự thân Những thuận lợi của allograft là nó rất tốt, có sẵn, dồi dào về số lượng, không yêu cầu phẫu thuật lần 2 và cực kỳ an toàn Để đổi lấy những ưu thế cho việc sử dụng allograft bệnh nhân sẽ phải chịu chi phí cao hơn một chút

- Ghép xương dị loại (xenograft): là một dạng xương nhân tạo có nguồn gốc từ động vật, thực vật hoặc sợi tổng hợp Loại vật liệu này có ưu thế về chi phí nhưng có hạn chế hơn nhiều về hiệu quả sử dụng so với allograft

1.2.2 Ghép xương sử dụng Vật liệu y sinh xương nhân tạo

Sự ghép hay thay thế xương sử dụng xượng tự nhiên gây ra những bất cập như: lây lan virut gây bệnh từ người này sang người khác, gây đau đớn, gây ra sự giết hại động vật hoặc khó khăn do nguồn cung cấp, hiến tặng khan hiếm Vì những lý do

3

như trên, Bio-ceramics như các calcium phosphate, các thủy tinh hoạt tính sinh học hoặc các hỗn hợp ceramics đã và đang được nghiên cứu và sử dụng như những vật liệu nhân tạo dùng để cấy ghép thay thế xương hay sử dụng trong kỹ thuật nha khoa như trám răng, phục hình răng

Có nhiều loại vật liệu y sinh xương nhân tạo khác nhau như: các vật liệu calcium phosphate (tricalcium phosphate Ca3(PO4)2, hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2hay biphasic calcium phosphate), các vật liệu thủy tinh hoạt tính sinh học (CaO - SiO2

- Na2O - P2O5 ), các xi măng y sinh, vật liệu tricalcium silicate hay các kim loại trơ

4 Hình 1.1.1: Giới thiệu một số hình ảnh sử dụng vật liệu xương và một số

sản phẩm vật liệu nhập ngoại

5

1.3 Vật liệu xương nhân tạo - Thủy tinh hoạt tính sinh học SiO2

-Na2O-CaO- P2O5

1.3.1 Giới thiệu về thủy tinh

Trong các vật liệu y sinh dùng để cấy ghép xương, Thủy tinh hoạt tính sinh học được khám phá bởi nhà bác học L.L Hench năm 1969 [2] Thành phần chính của các thủy tinh này gồm các oxit CaO, SiO2, P2O5, Na2O…Tuy vậy các oxit này không tồn tại độc lập trong cấu trúc thủy tinh mà liên kết không trật tự với nhau tạo thành

mạng cấu trúc vô định hình của thủy tinh Hoạt tính sinh học của các vật liệu thủy tinh

này chính là khả năng hình thành một lớp khoáng Hydroxyapatite (HA) mới trên bề mặt khi chúng được ngâm trong một dung dịch sinh lý người hoặc cấy ghép trực tiếp trong cơ thể người Lớp khoáng Hydroxyapatite (HA) giống hệt với thành phần vô cơ của xương người, do vậy nó chính là cầu nối gắn kết giữa miếng ghép từ vật liệu thủy tinh và xương tự nhiên [2,4]

Hình 1.1.2: Một số hình ảnh ứng dụng của vật liệu Thủy tinh hoạt tính sinh học

6

1.3.2 Thành phần, cấu trúc và tính chất hóa học của Thủy tinh hoạt tính sinh học

a Cấu trúc của Thủy tinh

Thủy tinh là một vật liệu vô định hình Thủy tinh có cấu trúc không gian ba chiều (3D) như vật liệu cấu trúc mạng tinh thể nhưng cấu trúc vi mô của nó chỉ tồn tại

sự sắp xếp trật tự ở khoảng cách ngắn [5] [6] [7][8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

So sánh cấu trúc của oxit SiO2 riêng rẽ và cấu trúc của mạng thủy tinh chứa SiO2 chúng ta có thể nhận thấy rằng cả hai trường hợp mỗi một nguyên tử Si đều liên kết với 4 nguyên tử O tạo nên những tứ diện SiO4, mỗi tứ diện này được coi như một

„„viên gạch cơ bản‟‟ xây dựng nên mạng lưới cấu trúc của cả hai vật liệu Tuy vậy oxit SiO2 riêng rẽ có cấu trúc trật tự tuần hoàn còn mạng lưới cấu trúc của thủy tinh thì không có trật tự cố định [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

(a) (b)

Hình 1.1.3: Mặt cắt 2 chiều của (a) oxit SiO2 và (b) thủy tinh silic

b Thành phần của thủy tinh

Thủy tinh là một vật liệu có mạng cấu trúc vô định hình, trong đó các oxit cấu tạo nên mạng lưới thủy tinh liên kết với nhau qua các liên kết cộng hóa trị như Si-

O, P-O…hay các liên kết ion của ion Ca2+, Na+ với O2- Chúng ta có thể phân biệt ba dạng oxit cấu tạo nên mạng lưới thủy tinh [12] [13] [14] [15]

Oxit cấu tạo nên mạng lưới thủy tinh:thông thường là oxit SiO2, ngoài ra còn có oxit B2O3, P2O5, GeO2…Trong mạng lưới cấu trúc thủy tinh, các oxit này cấu tạo dưới dạng tứ diện hoặc tam diện cơ bản SiO4, BO4, BO3, PO43- Những tứ diện hay tam diện cơ bản này liên kết với nhau qua đỉnh O của chúng tạo nên mạng lưới không

7

gian của thủy tinh như trong hình 1.3 Nguyên tử oxy ở đỉnh gắn kết các tứ diện hay

tam diện với nhau được gọi là các oxy bắc cầu

Hình 1.1.4: Các tứ diện SiO4 liên kết với nhau qua đỉnh O trong mạng lưới thủy tinh

Oxit làm nên cấu trúc không trật tự của thủy tinh: như CaO, Na2O…Khi thêm các oxit trên vào quá trình tổng hợp thủy tinh, các cation của chúng có lực hút tĩnh điện với các nguyên tử oxy bắc cầu và làm gãy các mối liên kết giữa các tứ diện hay tam diện với nhau như trong hình 1.4 Như vậy các oxit trên có nhiệm vụ phá hủy các cấu trúc trật tự của mạng tinh thể SiO2 để hình thành nên loại cấu trúc đặc biệt của thủy tinh, cấu trúc vô định hình

Hình 1.1.5: Quá trình bẻ gãy liên kết Si-O-Si nhờ oxit CaO

Các oxit trung gian: các oxit này vừa có thể tham gia vào việc hình thành

mạng lưới không gian của thủy tinh như các oxit SiO2, B2O3…vừa tham gia vào việc

bẻ gãy các oxy bắc cầu làm mất cấu trúc trật tự của mạng lưới Một số oxit điển hình như: Al2O3, ZnO, TiO2, PbO…

8

1.3.3 Thuỷ tinh sinh học 45S5

Thuỷ tinh hoạt tính sinh học 45S5, một trong những công thức quan trọng nhất, bao gồm SiO2, Na2O, CaO và P2O5 Giáo sư Larry Hench phát triển Bioglass tại Đại học Florida vào cuối năm 1960 Ông đã được thử thách bởi một sĩ quan quân đội MASH để phát triển một loại vật liệu để giúp tái tạo xương, như nhiều cựu chiến binh chiến tranh Việt Nam phải chịu đựng nặng từ tổn thương xương, như vậy mà hầu hết trong số họ bị thương trong cách này bị mất chân tay của họ

Thành phần ban đầu được cho do khoảng Eutectic [9] Tên 45S5 nghĩa thủy tinh với 45% trọng lượng của SiO2 và 5: 1 tỷ lệ CaO để P2O5 Tỷ lệ Ca / P thấp sẽ không tạo liên kết xương [10]

Hoạt tính sinh học cao là lợi thế chính của Bioglass, mô đun Young là

30-35 GPa, rất gần với vỏ xương, mà có thể là một lợi thế cho việc cấy ghép xương

Việc sử dụng phẫu thuật thành công đầu tiên của Bioglass 45S5 là thay thế xương nhỏ trong tai giữa, như là một điều trị điếc dẫn truyền Lợi thế của 45S5 là không có xu hướng hình thành mô xơ Các ứng dụng khác đang ở trong tế bào hình nón để cấy vào xương hàm sau nhổ răng

1.3.4 Tính chất hóa học của thủy tinh

Thủy tinh tương đối trơ về mặt hóa học, phản ứng hóa học quan trọng của thủy tinh là phản ứng với dung dịch axit Flohydric (HF) do sự phá hủy oxit SiO2:

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O

Thuỷ tinh hoạt tính sinh học hay còn gọi là thuỷ tinh y sinh là loại vật liệu tiềm năng được sử dụng trong cấy ghép y tế Thuỷ tinh y sinh có tính hoạt tính sinh học, được dùng để khôi phục và dần dần thay thế xương trong môi trường sinh học

Phản ứng Bioglass với môi trường sinh học bao gồm hai giai đoạn chính Một là sự hình thành của một lớp Hydroxycarbonate Apatit (HCA) một cách nhanh chóng và nhạy với các thành phần của vật liệu.thứ hai là sự phát triển tế bào xương

9

bên trong Việc cấy thuỷ tinh sinh học vào bên trong một cơ thể sinh học sẽ xãy ra rất nhiều phản ứng với những vi cấu trúc nhạy cảm liên quan đến hoạt động sinh học của xương Phản ứng bề mặt được tóm tắt trong Bảng 1.1

Bảng 1.1: Chuỗi phản ứng trên bề mặt chung trong quá trình tham gia vào việc tạo liên kết giữa xương và tuỷ tinh hoạt tính sinh học [1]

bề mặt

Trao đổi ion kiềm với ion H+ từ dịch cơ thể 1 Kết nối hoà tan và tạo thành liên kết SiOH 2

Hấp thụ sinh hoá cuả tác nhân phát triển trên lớp HCA 6

1.3.5 Các phương pháp tổng hợp thủy tinh hoạt tính sinh học

Thủy tinh hoạt tính sinh học có thể tổng hợp bằng hai phương pháp chính:

a Phương pháp sol-gel

Để tổng hợp các thủy tinh hoạt tính sinh học là phương pháp sol-gel Phương pháp tổng hợp này không trải qua quá trình nấu nóng chảy thủy tinh mà được thực hiện bằng một chuỗi các phản ứng hóa học trong dung dịch để thủy phân các tiền

10

chất thành các hạt sol sau đó để ngưng tụ sang trạng thái gel Gel được xử lý nhiệt để tạo thành thủy tinh ở dạng bột

Phương pháp này có ưu điểm là tổng hợp vật liệu ở nhiệt độ thấp, vật liệu

có độ tinh khiết cao, vật liệu thu được dễ tạo mẫu theo các hình dáng khác nhau phù hợp với chi tiết ghép mà không cần sử dụng thêm một chất bổ trợ nào

b Phương pháp nung nóng chảy

Là nấu nóng chảy các tiền chất vô cơ ở nhiệt độ cao khoảng 1400oC sau đó làm nguội thủy tinh trong không khí hay trong nước Thủy tinh dạng khối được nghiền theo các kích thước hạt khác nhau tùy theo mục đích sử dụng

Ưu điểm của phương pháp này là có thể tổng hợp được chính xác thủy tinh với thành phần mong muốn, sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao, thời gian nhanh và có thể làm chủ được các tham số kỹ thuật trong quá trình tổng hợp Thuỷ tinh nung nóng chảy bao gồm nén khuôn rồi nung kết khối thường có đặc tính phù hợp với xương tự nhiên và có chức năng cấu trúc định hương như xương tự nhiên hơn.Chi tiết của phương pháp này được trình bày trong chương tiếp theo

Với mục đích chế tạo và sử dụng thành công các vật liệu xương nhân tạo tại Việt nam trong tương lai nhằm thay thế sản phẩm nhập ngoại Từng bước tiếp cận và nghiên cứu để tìm ra những quy trình tổng hợp phù hợp Đề tài rất quan tâm tới nhóm các thủy tinh hoạt tính sinh học (Bioglasses) vì những tính chất đặc biệt của chúng cũng như khả năng có thể tổng hợp được các vật liệu này trong nước

Trong đề tài nghiên cứu này, chế tạo vật liệu thủy tinh hoạt tính sinh học từ các nguồn nguyên liệu phổ biến trong đó có cát trắng chứa hàm lượng SiO2 95% là mục tiêu cần đạt đến

11

2.1 Quy trình tổng hợp thủy tinh hoạt tính sinh học 45SiO2 - 24,5CaO - 24,5Na2O - 6P2O5

2.1.1 Nguyên liệu và hóa chất

Các hóa chất có độ tinh khiết trên 99% đƣợc mua từ hãng Sigma-Aldrich:

Na2O, Na3P3O9, CaO, (NH4)2HPO4, K2HPO4.3H2O, MgCl2.6H2O, HNO3, HCl, NaCl, KCl, NaHCO3, CaCl2, Na2SiO3, C14H11NO3, HNO3

Cát trắng Cam Ranh với hàm lƣợng SiO2 cao nhƣng cũng có lẫn nhiều tạp chất không cần thiết là nguyên liệu phổ biến và rẻ tiền đƣợc sử dụng để cung cấp SiO2trong thành phần của thủy tinh Cát trắng đƣợc xử lý bằng các quy trình hóa học nhằm loại bỏ các thành phần tạp chất

Hình 2.1: Hóa chất dùng trong thực nghiệm Hình 2.2: Cát trắng nguyên liệu Cam Ranh

12

2.1.3 Quy trình thực nghiệm

a Xử lý loại bỏ tạp chất từ cát trắng bằng phương pháp hóa học

Cát trắng Cam Ranh là nguồn cung cấp SiO2 cho thủy tinh, tuy vậy cát có lẫn nhiều tạp chất như các oxit kim loại, các kim loại nặng như Cu, Pb, Mn Vì tính chất hóa học đặc biệt của SiO2 là chỉ phản ứng hóa học với axit HF nên để loại các tạp chất từ cát nên phương pháp sử dụng là các axit có tính oxy hóa mạnh

Cát trắng được rửa sạch bằng nước, nghiền nhỏ mịn và rửa lại bằng nước cất Bột cát nghiền mịn được phơi khô cho hết hơi nước Tiếp theo đó bột cát được xử

lý hóa chất để loại bỏ tạp chất theo ba quy trình sau:

Quy trình 1: Xử lý sơ loại bằng axit HCl 1,2M (nhiệt độ thường, ngâm cát

vào hổn hợp axit, thường xuyên khấy trộn trong 24 giờ), sau đó xử lý tiếp bằng bằng axit HCl 6M có đun sôi trong 24 giờ để tăng hiệu quả loại bỏ tạp chất do hiệu ứng của nhiệt độ Kết quả phân tích thành phần cát sau xử lý được xuất ra từ máy phân tích tán

xạ huỳnh quang tia X (XRF) như sau, kèm theo phụ lục 1:

Quy trình 2: Xử lý sơ loại bằng HCl 1,2M (nhiệt độ thường , ngâm cát vào

hổn hợp axit, thường xuyên khấy trộn trong 24 giờ), sau đó ngâm trong hỗn hợp axit cực mạnh là „„nước cường thủy 3HCl + 1HNO3‟‟ (đun nóng cách thuỷ ) trong 8 giờ nhằm loại bỏ tối đa tạp chất Kết quả phân tích thành phần cát sau xử lý được xuất ra

từ máy phân tích tán xạ huỳnh quang tia X (XRF) như sau, kèm theo phụ lục 2:

Quy trình 3: Dùng nam châm hút bớt tạp chất kim loại nặng nhƣ tạp chất

của Fe, sau đó ngâm trong axit mạnh HNO3 đậm đặc, nóng để khử hết các tạp chất kim loại Kết quả phân tích thành phần cát sau xử lý đƣợc xuất ra từ máy phân tích tán xạ huỳnh quang tia X (XRF) nhƣ sau, kèm theo phụ lục 3:

14

Từ các kết quả phân tích bên trên, việc chọn mẫu cát đã xử lý bằng quy trình 2 vì hàm lượng SiO2 là cao nhất 98,22% là lựa chọn tốt nhất Hàm lượng này có thể kết luận vật liệu là tinh khiết SiO2 tương tự như các hóa chất chuẩn khác

b Tính toán phối liệu nấu thủy tinh

Cát (xử lý hóa chất theo quy trình 2): cung cấp SiO2

CaO (hóa chất tinh khiết)

Na2SiO3 ( hóa chất tinh khiết): cung cấp Na2O và SiO2

Na3P3O9 (hóa chất tinh khiết): cung cấp Na2O và P2O5

Tính phối liệu để tổng hợp 100g thủy tinh:

c Quy trình nấu thủy tinh

Cân phối liệu và đồng nhất sơ bộ:

Các chất dùng tổng hợp thủy tinh: Cát, CaO, Na2SiO3, Na3P3O9 được cân theo đúng khối lượng đã tính ở trên Sau đó được cho vào chai nhựa, lắc đều để đồng nhất sơ bộ phối liệu trước khi nấu

Nấu thủy tinh

Phối liệu được cho vào trong chén Pt và nung trong lò ở nhiệt độ 1450oC trong thời gian 120 phút

Dưới đây là một số hình ảnh mô tả các thao tác tổng hợp thủy tinh y sinh tại Phòng thí nghiệm Vật Liệu Silicat, Đại học Bách Khoa Tp HCM

16 Hình 2.3: Cân phối liệu Hình 2.4: Chén Pt đựng phối liệu nấu thủy tinh

Hình 2.5: Lò nấu thủy tinh có thể đạt nhiệt độ 1600°C

17 Hình 2.6: Nấu thủy tinh ở nhiệt độ 1450°C

Hình 2.7: Gắp chén Pt chứa thủy tinh nóng chảy

18

Hình 2.8: Rót thủy tinh nóng chảy vào nước

Hình 2.9: Sản phẩm thủy tinh hoạt tính sinh học thu được

Hình 2.10: Nghiền thủy tinh thành bột mịn

Đây là một thực nghịêm nhanh và đơn giản, nhằm thực hiện quá trình hoặc một phản ứng trong ống nghiệm, trong đĩa nuôi cấy ở bên ngoài cơ thể sống Thực nghiệm „„in vitro‟‟ được tiến hành bằng cách ngâm bột vật liệu trong dung dịch mô phỏng dịch thể người SBF (Simulated Body Fluid) để khảo sát khả năng hình thành khoáng xương mới sau ngâm

2.2.1 Dung dịch SBF

Dung dịch SBF (Simulated Body Fluid) là dung dịch giả dịch thể người có thành phần các ion tương tự như máu trong cơ thể con người Dung dịch này được tổng hợp trong phòng thí nghiệm theo tài liệu tham khảo [16]

Thành phần ion trong dung dịch được thể hiện trong bảng sau [16]:

Bảng 2.4: Nồng độ các ion trong dd SBF (10-3 mol/l) Ions Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl- HCO3- HPO42-

Đối với mỗi dung dịch Ca-SBF hoặc P-SBF, đong 990 ml nước cất, gia nhiệt trong 1 bể điều nhiệt và giữ ổn định ở 37°C (Body Temperature) trong suốt quá

21

Hình 2.12: Tổng hợp dung dịch SBF

Hình 2.13: Điều chỉnh pH = 7,4 và nhiệt độ là 37 oC trong quá trình tổng

hợp SBF

2.2.3 Thực nghiệm ‘‘In vitro’’ ngâm bột thủy tinh trong dung dịch SBF

Các mẫu bột thủy tinh được ngâm trong dung dịch SBF theo tỷ lệ 1/2 (mg/ml) theo các khoảng thời gian 0, 3, 7 ngày Nhiệt độ các mẫu ngâm được giữ ở 37

oC tương tự như nhiệt độ cơ thể người Tốc độ lắc các mẫu ngâm là 50 (vòng/phút) Sau các khoảng thời gian ngâm, bột vật liệu thủy tinh được tách ra và rửa bằng nước cất để loại bỏ các ion dư thừa sau đó rửa lại bằng cồn nguyên chất để loại bỏ hoàn toàn

22

các ion tự do Mẫu bột được sấy khô và đem đặc trưng lý hóa bằng các phương pháp phân tích hiện đại như nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction XRD), phân tích quang phổ hồng ngoại (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) và hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope SEM)

Hình 2.14: Thực nghiệm „„in vitro‟‟ ngâm bột vật liệu thủy tinh trong dung dịch SBF

2.3 Thực nghiệm kiểm tra tính độc của vật liệu trên tế bào

Vật liệu sau khi được thử nghiệm bằng dung dịch SBF đạt yêu cầu chuyển sang tạo hình và thử nghiệm độc tính trên tế bào Đây là phương pháp nhằm xác định vật liệu có bị độc với tế bào hay không theo tiêu chuẩn ISO 10993-5, vật liệu chỉ ngâm 24 giờ trong dung dịch môi trường nuôi cấy tế bào Chưa phải là tham khảo tính tăng sinh của tế bào trong môi trường vật liệu, việc tham khảo tính tăng sinh của tế bào sẽ nằm trong bước tiếp theo sau khi biết chắc chắn vật liệu không gây độc với tế bào

Quy trình: