Khóa luận: Chế tạo giá thể composite rỗng tinh bột/PVA/HA tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu chế tạo giá thể composite rỗng tinh bột/PVA/HA ứng dụng trong kỹ thuật mô xương, đánh giá cấu trúc lỗ rỗng và đặc tính cơ lý tại ĐH SPKT TP.HCM.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Duy Khải
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thị Duy Hạnh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Chế tạo giá thể composite rỗng trên nền tinh bột/polyvinyl ancol/hydroxyapatite
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về giá thể composite rỗng tinh bột PVA HA

Kỹ thuật mô xương đòi hỏi vật liệu có khả năng tương thích sinh học cao. Đề tài tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung giải quyết bài toán này. Nghiên cứu chế tạo thành công giá thể composite rỗng dựa trên ba thành phần chính: tinh bột, polyvinyl alcol (PVA) và hydroxyapatite (HA). Tinh bột là nguồn polyme tự nhiên dồi dào, thân thiện với môi trường. Thành phần này có giá thành thấp và khả năng phân hủy sinh học vượt trội. PVA đóng vai trò chất tạo màng dẻo dai. Hợp chất gia tăng độ bền cơ học cho hệ liên kết. Thành phần vô cơ then chốt là hydroxyapatite. Nhóm nghiên cứu chiết xuất HA trực tiếp từ phụ phẩm xương gà. Bột HA thu được sở hữu thành phần hóa học tương đồng với khoáng xương tự nhiên. Sự kết hợp giữa pha hữu cơ và pha vô cơ tái lập cấu trúc vi mô của mô xương sống. Vật liệu xốp rỗng giúp lưu thông chất dinh dưỡng. Khí oxy dễ dàng khuếch tán qua các lỗ xốp liên thông. Nhờ đó, tế bào xương bám dính tốt và nhanh chóng phân chia.

1.1. Bản chất và vai trò của vật liệu scaffold y sinh

Scaffold y sinh đóng vai trò khung đỡ không gian ba chiều tạm thời. Bộ khung định hướng tế bào phát triển thành tổ chức mô mới. Cấu trúc rỗng tạo không gian tiếp nhận mạch máu xâm nhập. Quá trình trao đổi chất diễn ra liên tục nhờ hệ thống mao quản mở. Khi tế bào tăng sinh, giá thể dần tiêu biến theo thời gian. Tốc độ suy thoái của vật liệu cần đồng nhịp với chu kỳ hình thành mô. Khung đỡ nhân tạo phải đảm bảo tính tương thích mô học nghiêm ngặt. Phản ứng viêm hoặc hiện tượng đào thải độc tính tuyệt đối không được xảy ra. Sự kết hợp giữa polymer nền và cốt khoáng tạo nên nền tảng chịu lực vững chắc.

1.2. Xu hướng khai thác nguồn phụ phẩm tự nhiên tái tạo

Nghiên cứu vật liệu xanh đang thúc đẩy việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp. Tinh bột cung cấp chuỗi amylose và amylopectin tạo màng dẻo dai. Nguồn nguyên liệu này có giá thành cạnh tranh và độ an toàn cao. Bên cạnh đó, chất thải xương động vật từ ngành chế biến thực phẩm là nguồn canxi photphat dồi dào. Tách chiết hydroxyapatite từ xương gà loại trừ các hóa chất tổng hợp độc hại. Giải pháp này giúp cắt giảm chi phí sản xuất đáng kể. Đồng thời, mô hình xử lý phụ phẩm góp phần bảo vệ môi trường sống. Xu hướng kinh tế tuần hoàn được hiện thực hóa qua từng công đoạn tổng hợp vật liệu.

II. Thách thức cơ lý của giá thể composite rỗng tinh bột PVA HA

Tinh bột nguyên bản sở hữu cơ tính kém và tính tan nhạy với nước. Khi tiếp xúc môi trường dịch thể, tinh bột trương nở mất kiểm soát. Độ bền kéo của mạng tinh bột đơn thuần không đáp ứng lực tải xương. Nếu sử dụng riêng lẻ, hydroxyapatite lại có độ giòn rất lớn. Hạt gốm HA thiếu tính đàn hồi cần thiết dưới áp lực nén sinh lý. Ngược lại, polyvinyl alcol có độ kết tinh cao nhưng phân hủy sinh học chậm. Sự kết hợp ba pha này phát sinh vấn đề tương thích pha nghiêm trọng. Các hạt HA vô cơ dễ bị vón cục trên nền polymer hữu cơ. Hiện tượng phân tán không đồng đều làm xuất hiện các điểm tập trung ứng suất phá hủy. Độ xốp của giá thể cũng tạo ra mâu thuẫn kỹ thuật lớn. Độ xốp càng cao thì khả năng chịu nén của vật liệu càng suy giảm. Do đó, việc cân bằng giữa kích thước mao quản và cường độ cơ học là bài toán trọng tâm. Xử lý bề mặt hạt HA và điều chỉnh tỷ lệ pha cần tiến hành chính xác.

2.1. Rào cản phân tán hạt gốm trong nền polymer

Năng lượng bề mặt cao khiến các vi hạt HA có xu hướng tụ tập thành đám. Hiện tượng này làm giảm diện tích tiếp xúc giữa pha khoáng và chất nền. Khả năng truyền ứng suất qua bề mặt phân chia pha bị suy yếu nghiêm trọng. Khi chịu lực uốn nén, các khe nứt tế vi dễ xuất hiện tại vị trí vón cục. Mạng lưới polymer của PVA và tinh bột khó bao bọc trọn vẹn hạt khoáng kích thước lớn. Thêm vào đó, liên kết hydro nội phân tử cản trở sự trộn lẫn đồng nhất. Sự thiếu ổn định pha dẫn đến cơ tính vật liệu biến thiên thất thường. Việc phân tán đòi hỏi kỹ thuật khuấy siêu âm và gia nhiệt có kiểm soát.

2.2. Vấn đề kiểm soát độ rỗng và kích thước lỗ xốp

Cấu trúc xốp đóng vai trò cốt tử trong nuôi dưỡng tế bào xương. Lỗ xốp quá nhỏ dưới một trăm micromet gây nghẽn mao mạch dẫn truyền. Tế bào không thể di chuyển sâu vào bên trong lõi giá thể. Ngược lại, kích thước lỗ rỗng quá lớn làm sụp đổ liên kết cơ học. Vật liệu không thể chống đỡ tải trọng trong giai đoạn đầu cấy ghép. Kiểm soát kích thước lỗ xốp phân bố đồng đều là thử thách kỹ thuật lớn. Các phương pháp tạo xốp thông thường khó duy trì tính liên thông giữa các khoang rỗng. Nếu các khoang bị bít kín, tế bào sẽ hoại tử do thiếu dưỡng chất và oxy. Giải pháp công nghệ cần tạo ra mạng mao quản thông suốt.

III. Quy trình chế tạo giá thể composite rỗng tinh bột PVA HA

Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM đã thiết lập quy trình chế tạo tối ưu. Bước đầu tiên là xử lý nguyên liệu xương gà phế phẩm. Xương gà được làm sạch dầu mỡ và sấy khô hoàn toàn. Tiếp theo, mẫu xương trải qua quá trình nung ở nhiệt độ bảy trăm độ C trong hai giờ. Quá trình nung loại bỏ toàn bộ protein và lipid hữu cơ. Sản phẩm thu được là bột hydroxyapatite màu trắng tinh khiết với độ kết tinh cao. Thời gian nung hai giờ ngắn hơn nhiều so với các nghiên cứu trước đây. Cải tiến này giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí chế tạo. Song song đó, dung dịch nền được chuẩn bị từ tinh bột sắn và PVA qua quá trình hồ hóa nhiệt. Hạt HA được phối trộn phân tán đều vào hỗn hợp polymer. Kỹ thuật tạo xốp đông khô hoặc bốc hơi dung môi được ứng dụng để tạo hệ lỗ rỗng liên thông. Các thông số nhiệt độ và tỷ lệ thành phần được kiểm soát chặt chẽ nhằm tối ưu hóa độ bền nén.

3.1. Phương pháp chiết tách HA tự nhiên từ xương gà

Nhiệt phân xương gà ở bảy trăm độ C đánh dấu bước đột phá quan trọng. Trước nhiệt phân, xương gà có màu vàng sẫm do chứa nhiều chất béo và protein. Sau hai giờ lưu nhiệt, mẫu bột chuyển sang màu trắng sáng tinh khiết. Kết quả này chứng minh toàn bộ hợp chất hữu cơ đã bị triệt tiêu hoàn toàn. Cấu trúc tinh thể hydroxyapatite được bảo toàn nguyên vẹn mà không bị phân hủy thành tricanxi photphat. So với quy trình truyền thống cần lưu nhiệt đến hai mươi giờ, phương pháp này rút ngắn chín mươi phần trăm thời gian. Năng lượng tiêu thụ lò nung giảm mạnh giúp hạ giá thành sản phẩm y sinh.

3.2. Kỹ thuật phối trộn composite và đo đạc cơ tính

Pha trộn tinh bột và PVA tạo thành chất nền polyme đồng nhất. Bột HA tự nhiên được đưa vào dịch phân tán dưới tác động cơ học. Liên kết hydro giữa nhóm hydroxyl của polymer và ion bề mặt HA giữ vai trò khóa cấu trúc. Hỗn hợp sau tạo hình được định hình và sấy khô kiểm soát độ ẩm. Đặc tính cơ lý của khối composite được đánh giá bằng thiết bị TexturePro CT chuyên dụng. Đầu đo nén hình trụ ghi nhận độ biến dạng nén của vật liệu theo lực tác động. Kết quả xác định mẫu đạt độ đàn hồi tốt và khả năng chịu tải phù hợp với mô xốp xương người. Mạng lưới liên kết ba pha ngăn ngừa gãy vỡ đột ngột.

IV. Tiềm năng ứng dụng giá thể composite rỗng tinh bột PVA HA

Nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra triển vọng lớn cho kỹ thuật mô. Vật liệu composite rỗng tinh bột/PVA/HA đáp ứng đầy đủ tiêu chí y sinh hiện đại. Cấu trúc mao quản rỗng hỗ trợ dẫn truyền xương và cảm ứng xương hiệu quả. Các tế bào sinh xương dễ dàng bám dính, sinh sôi và khoáng hóa. Khi cấy vào khiếm khuyết xương, giá thể đóng vai trò khung đỡ chuyển tiếp. Vật liệu phân hủy sinh học dần để nhường chỗ cho mô xương tự thân phát triển. Thành công của đề tài chứng minh tính khả thi trong việc biến phế phẩm xương gà thành vật liệu giá trị cao. Quá trình sản xuất tận dụng nguyên liệu tự nhiên giá rẻ và thân thiện môi trường. Điều này giúp giảm áp lực nhập khẩu vật liệu y sinh đắt đỏ từ nước ngoài. Trong tương lai, vật liệu hứa hẹn ứng dụng rộng rãi trong phẫu thuật chỉnh hình và nha khoa.

4.1. Ứng dụng trong cấy ghép và phục hồi mô xương

Giá thể sinh học composite mở ra hướng điều trị mới cho các ca tổn thương xương phức tạp. Khuyết tật xương do chấn thương hoặc u bướu cần giải pháp lấp đầy tức thì. Vật liệu composite tinh bột/PVA/HA đáp ứng việc cắt gọt linh hoạt theo hình dáng tổn khuyết. Cấu trúc mao quản liên thông thúc đẩy quá trình tân tạo mạch máu nuôi dưỡng mô. Các ion canxi và photphat giải phóng từ bề mặt HA kích thích tái tạo nguyên bào xương. Khả năng tự tiêu biến giúp bệnh nhân tránh được ca phẫu thuật tháo dỡ thứ hai. Tốc độ hồi phục vết thương được rút ngắn đáng kể so với ghép xương kim loại truyền thống.

4.2. Định hướng phát triển và tối ưu hóa sản phẩm

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung khảo sát độ bền sinh học in vitro và in vivo. Việc thử nghiệm tế bào sống giúp đánh giá chính xác mức độ độc tế bào. Bên cạnh đó, tốc độ giải phóng ion canxi cần được hiệu chuẩn theo từng loại mô xương. Ứng dụng công nghệ in 3D sinh học sẽ nâng cao độ chính xác hình học của giá thể. Tỷ lệ phối trộn giữa tinh bột và PVA có thể điều chỉnh để kiểm soát thời gian phân hủy. Đổi mới quy trình sấy và tạo xốp giúp gia tăng cơ tính chịu nén cho khung xương xốp. Đây là tiền đề chuyển giao công nghệ vật liệu y tế tự chủ tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về Hydroxyapatite Hydroxyapatite hay HA là khoáng thuộc họ Calcium Phosphate, có công thức phân tử Ca10(PO4)6(OH)2. Tinh thể HA tinh khiết tồn tại ở dạng cấu trúc không gian đơn tà P21/b [1]. Tuy nhiên ở nhiệt độ trên 250oC, thì cấu trúc đơn tà sẽ chuyển sang dạng lục giác (cấu trúc không gian nhóm P63/m) [2]. Thuật ngữ hydroxy dùng để chỉ anion OH-.

HA nguyên chất chứa 39,68% khối lượng canxi và 18% khối lượng phốt pho dẫn đến tỷ lệ số mol Ca / P là 1,67. Trên thực tế, có những sản phẩm HA thương mại có tỷ lệ Ca / P lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1,67. Sự đa dạng về tỷ lệ Ca / P ở bảng 1.1 cho thấy sự chuyển pha giữa tricalcium phosphate (TCP) và calcium oxide (CaO). HA với tỷ lệ Ca / P lớn hơn 1,67 bao gồm nhiều CaO hơn TCP và ngược lại [3].

Với tỷ lệ Ca/P là 1,67 đúng bằng với tỷ lệ Ca/P trong xương và răng của con người [4]. Do có cùng bản chất hoá học và cấu trúc, HA là canxi hydroxyapatit dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con người. Ngoài ra với đặc tính không sinh miễn dịch, tương hợp sinh học, hoạt tính sinh học và tính dẫn truyền xương tốt [5], HA đóng vai trò quan trọng trong việc sửa chữa và phát triển xương, thay thế các mô xương, tái tạo các khiếm khuyết sọ, tổng hợp xương nhân tạo. Ngoài ra, HA còn được sử dụng trong các lĩnh vực khác như chế tạo cảm biến sinh học, loại bỏ các kim loại nặng tích lũy trong môi trường nước và tạo chế phẩm bổ sung canxi [6].1 Các muối photphat chính Khoáng Công thức phân tử Ký hiệu Tỷ lệ Ca/P Hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 HA 1,67 Amorphous calcium phosphate Cax(PO4)y.nH2O ACP 1,2 – 2,2 β-Tricalcium phosphate Ca3(PO4)2 (β-TCP) 1,5 α-Tricalcium phosphate Ca3(PO4)2 (α-TCP) 1,5 Octacalcium phosphate Ca8(HPO4)2(PO)4.5H2O OCP 1,33 Dicalcium phosphate anhydrous CaHPO4 DCPA 1 Monocalcium phosphate Ca(H2PO4)2 MCPA 0,5 anhydrous 1.2 Vật liệu hydroxyapatite trong y sinh Với những đặc tính thuận lợi như tính tương hợp sinh học, hoạt tính sinh học, tính dẫn truyền xương và không độc tính, HA từ lâu đã được sử dụng rộng rãi trong y học.

Tính tương thích sinh học (biocompatibility) là khả năng không bị đào thải khi được cấy ghép trong cơ thể con người. Hoạt tính sinh học của HA thể hiện ở chỗ sau khi cấy ghép trong cơ thể người, vật liệu sẽ tương tác với môi trường và giải phóng các ion Ca2+, PO43- và OH- trong môi trường sẽ kết hợp với các protein sinh ra do các quá trình trao đổi chất của tế bào và dần dần tạo lớp kết tủa trên bề mặt vật liệu để hình thành một lớp khoáng HA mới làm cầu nối cho sự gắn kết miếng ghép nhân tạo và xương tự nhiên, qua đó xương hỏng được tu sửa và làm đầy [7]. Từ những năm 1950, HA đã được sử dụng để trong lĩnh vực khoa học tái tạo để lắp đầy và khôi phục các khuyết tật của xương. Tuy nhiên, sau hơn 6 thập kỷ đổi mới khoa học thông qua nghiên cứu và phát triển, HA đã tái cấu trúc triết lý truyền thống của việc sử dụng gốm 4 sứ trong khoa học y tế thông qua một loạt các ứng dụng của nó trong nha khoa và truyền dẫn thuốc [8].

Ứng dụng của HA trong chỉnh hình rất đa dạng, từ sửa chữa những khuyết tật, phát triển xương, cho đến lớp phủ cho kim loại cấy ghép trên cơ thể người. Onishi và các cộng sự đã sử dụng vật liệu tổng hợp HA trong chỉnh hình lâm sàng để lắp các khoảng trống và xương khuyết tật dựa vào các đặc tính sinh học của chúng như không xuất hiện các biến đổi hình thái sau phẫu thuật hoặc giảm thể tích và thiếu đáp ứng miễn dịch [9].