Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp và những đặc trưng hóa lý vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp, định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp và những đặc trưng hóa lý vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp, định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- VŨ THỊ MY TỔNG HỢP VÀ NHỮNG ĐẶC TRƢNG HÓA LÝ VẬT LIỆU TỔ HỢP PLA/NANOHAp, ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẤY GHÉP XƢƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- VŨ THỊ MY TỔNG HỢP VÀ NHỮNG ĐẶC TRƢNG HÓA LÝ VẬT LIỆU TỔ HỢP PLA/NANOHAp, ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẤY GHÉP XƢƠNG 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 Vũ Thị My
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 CHƢƠNG 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 CHƢƠNG 2: ĐIỀU KIỆN VÀ PHƢƠNG 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 phƣơng 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 CHƢƠNG 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 phƣơng 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 phƣơng pháp
nhũ tƣơng 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 tƣơng thích sinh học của vật liệu PLA và nanocompozit PLA/HAp trong môi trƣờng dung dịch mô phỏng dịch cơ thể ngƣời SBF………………………………………………… 64 3.4.1. Sự biến đổi pH của dung dịch ngâm và khối lượng mẫu…... 64 3.4.2. Hình thái bề mặt của vật liệu sau khi ngâm trong dung dịch SBF…………………….…………………….…………………………. 66 3.4.3. Thành phần pha của mẫu D trước và sau khi ngâm trong SBF…………………….…………………….…………………………. 68 KẾT LUẬN…………………………………………………………….. 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………… 71
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 HAp, LA và HAp biến tính…………………………………… 32 Bảng 3.2: Kích thước trung bình của HAp và HAp biến tính tổng hợp ở tỷ lệ khác nhau………………………………………………… 33 Bảng 3.3: Mất khối lượng (%) của các mẫu biến tính ở 800oC…….......... 34 Bảng 3.4: Kích thước tinh thể của HAp và HAp biến tính ở thời gian phản ứng khác nhau…………………........................................ 37 Bảng 3.5: Kích thước trung bình của HAp biến tính ở nhiệt độ khác nhau……………………………………………………………. 39 Bảng 3.6: Kích thước trung bình của HAp biến tính với tốc độ khuấy khác nhau …………………....................................................... 42 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 ngâm trong dung dịch SBF……………………………………. 69
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 32 nhau............................................................................................. 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 nhau..... ....................................................................................... 40 Hình 3.11: Giản đồ TGA của các mẫu biến tính tại các tốc độ khuấy khác nhau. ........................................................................................... 41 Hình 3.12: Hình ảnh EM của mẫu HAp biến tính ở các tốc độ khuấy khác nhau.................................................................................... 41 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 khác nhau........... ........................................................................ 47 Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn độ bền kéo và modun đàn hồi của các mẫu nanocompozit tổng hợp ở các tỷ lệ khác nhau............................ 48 Hình 3.21: Phổ IR của mẫu tổng hợp trong thời gian phản ứng khác 49 nhau.......... .................................................................................. 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 nhau............................................................................................ 54 Hình 3.27: Ảnh EM của mẫu PLA/HAp: 80/20 (a), PLA/HAp – bt: 70/30 (b)và PLA/HAp – bt: 60/40 (c)......................................... 54 Hình 3.28: Đồ thị biểu diễn độ bền kéo của mẫu PLA/HAp: 80/20, PLA/HAp- bt: 70/30 và PLA/HAp – bt: 60/40........................... 55 Hình 3.29: Phổ hồng ngoại của HAp, PLA và vật liệu nanocompozit PLA/HAp tổng hợp các tỷ lệ khác nhau.…………………….... 56 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 độ nhỏ giọt khác nhau…………………………………………. 60 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
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CS Chitosan DCM Điclorometan DMF Đimethyl formamide HAp Hydroxyapatit HAp-bt Hydroxyapatit biến tính HIMPA 2-hydroxyethyl iminobis methylphosphonic IR Phổ hồng ngoại KLPT Khối lượng phân tử LA Axit lactic n-HAp Nano hydroxyapatit PCL Poly caprolacton PE Poly etylen PEG Poly etylen glycon PEO Poly etylen oxit PLA Poly axit latic PP Poly propylen 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. Phƣơng 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.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Hydroxyapatit (HAp) 1.1.1. Tính chất vật lý Hydroxyapatit (HAp) với công thức Ca10(PO4)6(OH)2 tồn tại ở trạng thái tinh thể, có màu trắng, trắng ngà, vàng, nâu hoặc xanh lơ... [67], nóng chảy ở nhiệt độ 1760oC và sôi ở nhiệt độ 2850 oC. Ở 25oC, khả năng hoà tan trong 100g nước của HAp là 7g (0,7g/l), trọng lượng phân tử là 1004,6 và trọng lượng riêng là 3,156g/ml, độ cứng theo thang Mohs bằng 5. Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HAp bao gồm các ion Ca 2+, PO43- và OH-. Ô mạng này có dạng hình lục phương (hecxagonal), 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 = 90 o và γ = 120o [43]. Đây là cấu trúc thường gặp của HAp nhân tạo và HAp tự nhiên trong xương và răng [53]. Hình 1.1. Cấu trúc của HAp
Tuỳ theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp siêu âm hoá học...) cũng như các điều kiện khác nhau trong quá trình tổng hợp (như thay đổi nhiệt độ phản ứng, pH, tốc độ nạp liệu, thời gian già hoá sản phẩm...) mà các tinh thể HAp tồn tại ở các hình dạng khác nhau như hình que, hình kim, hình sợi, hình vảy, hình trụ hoặc hình cầu [30, 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]. a) Hình vảy b) Hình cầu c) Hình sợi d) Hình que e) Hình trụ g) Hình kim Hình 1.2. Một số hình dạng khác nhau của HAp 1.1.2. Tính chất hóa học Công thức cấu tạo của phân tử HAp được thể hiện như trong hình 1.3, có thể nhận thấy phân tử HAp có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca-O là liên kết cộng hoá trị. Hai nhóm -OH được gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch.
Hình 1.3. Công thức cấu tạo của phân tử HAp [25] Về mặt hoá học, HAp có một số tính chất sau đây: - HAp không phản ứng với kiềm, phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl → 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1.1) - HAp tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800oC đến 1200oC 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 1000 oC.
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