Đồ án tốt nghiệp: Chế tạo composite Mg hydroxyapatite trong công nghệ kỹ thuật hóa học

Nghiên cứu chế tạo composite từ Mg và hydroxyapatite ứng dụng trong công nghệ hóa học, hướng đến phát triển vật liệu tiên tiến, bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Trần Tín
• 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 composite Mg – Hydroxyapatite/Chitosan/Tinh bột biến tính làm giá thể cho kỹ thuật mô xương
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hệ composite giữa chitosan và tinh bột
• 1.2. Tổng quan về chitosan
• 1.3. Tính chất hoá lý của chitosan
• 1.4. Tổng quan về tinh bột
• 1.5. Tính chất hoá lý của tinh bột
• 1.6. Tổng quan về tinh bột biến tính oxy hoá
• 1.7. Hệ composite chitosan/tinh bột
• 1.8. Ứng dụng của hệ composite chitosan/tinh bột
• 1.9. Composite ứng dụng cho kỹ thuật mô xương
• 1.10. Cấu trúc và vai trò của mô xương
• 1.11. Tổng quan về giá thể cho kỹ thuật mô xương
• 1.12. Các phương pháp chế tạo giá thể cho kỹ thuật mô xương
• 1.13. Các hệ vật liệu composite dùng để chế tạo giá thể cho kỹ thuật mô xương
• 1.14. Tổng quan về hydroxyapatite và Mg – hydroxyapatite
• 1.15. Vai trò của hydroxyapatite (HA) trong xương và trong y tế
• 1.16. Một số nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hoá chất và vật liệu
• 2.2. Tinh bột biến tính
• 2.3. Quy trình chế tạo giá thể
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.5. Xác định thành phần pha và thành phần hoá của Mg – HA và giá thể composite
• 2.6. Xác định kích thước hạt và thành phần nguyên tố trong mẫu Mg – HA
• 2.7. Xác định hình thái và thành phần của giá thể composite
• 2.8. Phương pháp đo độ rỗng của giá thể
• 2.9. Xác định cơ tính của giá thể
• 2.10. Xác định độ phân huỷ của giá thể composite khi ngâm SBF và PBS
• 2.11. Xác định khả năng hình thành xương của giá thể composite
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Kết quả phân tích XRD
• 3.2. Kết quả phân tích FTIR
• 3.3. Kết quả phân tích SEM/EDS
• 3.4. Giá thể Mg – HA/chitosan/tinh bột biến tính
• 3.4.1. Kết quả phân tích XRD
• 3.4.2. Kết quả phân tích FTIR
• 3.4.3. Kết quả phân tích cấu trúc của giá thể
• 3.4.4. Kết quả đo độ xốp
• 3.4.5. Kết quả đo cơ tính
• 3.4.6. Kết quả phân tích XRD của giá thể sau khi ngâm SBF
• 3.4.7. Sự hình thành pha apatite khi ngâm giá thể trong dung dịch SBF
• 3.4.8. Kết quả đo độ phân huỷ giá thể sau khi ngâm PBS và SBF
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về composite materials và ứng dụng trong công nghệ hóa học

Composite materials là vật liệu kết hợp từ hai hoặc nhiều thành phần khác nhau, mang lại tính chất vượt trội so với vật liệu đơn lẻ. Trong nghiên cứu này, magnesium (Mg) và hydroxyapatite (HA) được sử dụng để tạo ra composite materials phục vụ cho chemical technology, đặc biệt là trong lĩnh vực biomaterials và tissue engineering. Mg và HA là hai thành phần quan trọng trong material science, với Mg cải thiện mechanical properties và HA đảm bảo biocompatibility. Nghiên cứu này tập trung vào synthesis of composites từ Mg và HA, kết hợp với chitosan và tinh bột biến tính, nhằm tạo ra bioactive materials hỗ trợ quá trình tái tạo xương.

1.1. Vai trò của magnesium và hydroxyapatite trong composite materials

Magnesium là kim loại nhẹ, có khả năng phân hủy sinh học và tương thích với cơ thể người. Khi kết hợp với hydroxyapatite, một thành phần chính của xương, Mg giúp cải thiện mechanical properties của composite materials, đồng thời thúc đẩy quá trình hình thành xương. HA đóng vai trò quan trọng trong tissue engineering nhờ khả năng kích thích sự phát triển của tế bào xương. Sự kết hợp giữa Mg và HA tạo ra nanocomposites có cấu trúc vi mô tương tự xương tự nhiên, phù hợp cho ứng dụng trong sustainable materials và advanced materials.

1.2. Ứng dụng của composite materials trong kỹ thuật mô xương

Composite materials từ Mg và HA được ứng dụng rộng rãi trong tissue engineering, đặc biệt là làm giá thể hỗ trợ quá trình tái tạo xương. Material characterization cho thấy, composite materials này có độ xốp và kích thước lỗ phù hợp cho sự xâm nhập và phát triển của tế bào. Ngoài ra, biocompatibility và bioactivity của HA giúp giá thể tương thích tốt với mô cơ thể, trong khi Mg cải thiện độ bền và khả năng phân hủy của vật liệu. Điều này mở ra tiềm năng lớn cho việc sử dụng composite materials trong các ứng dụng y sinh.

II. Phương pháp tổng hợp và đặc tính của composite Mg HA

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp kết tủa ướt để tổng hợp Mg-HA, với sự thay thế Mg2+ theo tỷ lệ mol từ 0% đến 20%. Quá trình tổng hợp được thực hiện ở nhiệt độ 600°C, với sự hỗ trợ của sucrose để giảm độ kết tụ giữa các hạt. Material characterization được thực hiện thông qua FE-SEM, EDS, XRD, và FTIR để đánh giá cấu trúc và thành phần của composite materials. Kết quả cho thấy, Mg phân bố đều trong mẫu và hình thành pha whitlockite, một dạng calcium phosphate chứa Mg2+. Điều này khẳng định tính hiệu quả của phương pháp tổng hợp trong việc tạo ra nanocomposites có cấu trúc vi mô phù hợp.

2.1. Phương pháp kết tủa ướt và quy trình tổng hợp

Phương pháp kết tủa ướt được sử dụng để tổng hợp Mg-HA từ các nguyên liệu ban đầu như Ca(OH)2, Mg(OH)2, và H3PO4. Quá trình này bao gồm việc kết tủa các ion Ca2+, Mg2+, và PO43- trong dung dịch, sau đó nung ở nhiệt độ cao để hình thành HA. Sucrose được thêm vào như một tác nhân giảm độ kết tụ, giúp cải thiện sự phân bố của các hạt. Kết quả FE-SEM cho thấy kích thước hạt Mg-HA nằm trong khoảng 15-45 nm, phù hợp cho ứng dụng trong tissue engineering.

2.2. Đặc tính cơ học và khả năng phân hủy của composite

Mechanical properties của composite materials được đánh giá thông qua độ bền nén và module đàn hồi. Kết quả cho thấy, sự có mặt của Mg2+ cải thiện đáng kể độ bền và độ đàn hồi của giá thể. Degradation rate của composite materials được xác định bằng cách ngâm mẫu trong SBF và PBS. Trong 7 ngày đầu, tốc độ phân hủy thấp, nhưng sau 14 và 28 ngày, tốc độ này tăng lên do sự hòa tan của pha chứa Mg2+. Điều này cho thấy composite materials có khả năng phân hủy phù hợp với quá trình tái tạo xương.

III. Ứng dụng và triển vọng của composite Mg HA trong y sinh

Composite materials từ Mg và HA có tiềm năng lớn trong lĩnh vực tissue engineering, đặc biệt là làm giá thể hỗ trợ quá trình tái tạo xương. Material characterization cho thấy, giá thể có độ xốp và kích thước lỗ phù hợp cho sự xâm nhập và phát triển của tế bào. Ngoài ra, biocompatibility và bioactivity của HA giúp giá thể tương thích tốt với mô cơ thể, trong khi Mg cải thiện độ bền và khả năng phân hủy của vật liệu. Điều này mở ra tiềm năng lớn cho việc sử dụng composite materials trong các ứng dụng y sinh.

3.1. Khả năng hình thành xương của composite Mg HA

Khả năng hình thành xương của composite materials được đánh giá bằng cách ngâm mẫu trong SBF trong 7, 14, và 28 ngày. Kết quả SEM cho thấy sự hình thành apatite trên bề mặt giá thể, đặc biệt là ở các mẫu có hàm lượng Mg2+ cao. Điều này chứng tỏ composite materials có khả năng kích thích sự phát triển của xương, phù hợp cho ứng dụng trong tissue engineering.

3.2. Triển vọng ứng dụng trong y sinh và công nghệ vật liệu

Composite materials từ Mg và HA không chỉ có tiềm năng trong tissue engineering mà còn có thể ứng dụng trong các lĩnh vực khác của material science, như sustainable materials và advanced materials. Khả năng phân hủy sinh học và biocompatibility của vật liệu mở ra cơ hội phát triển các sản phẩm y sinh thân thiện với môi trường. Ngoài ra, phương pháp tổng hợp đơn giản và hiệu quả giúp composite materials này trở thành một lựa chọn hấp dẫn trong chemical technology.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hệ xương người đảm nhận các chức năng nâng đỡ cơ thể, bảo vệ cơ quan nội tạng, vận động, sản sinh tế bào máu và dự trữ khoáng chất. Mặc dù mô xương có khả năng tự phục hồi đối với các tổn thương nhỏ, các khiếm khuyết xương có kích thước lớn phát sinh từ chấn thương thể thao, tai nạn lao động hoặc bệnh lý thoái hóa xương do tuổi tác thường không thể tự hồi phục hoàn toàn nếu thiếu sự can thiệp phẫu thuật ghép xương.

Trong thực tiễn lâm sàng, mảnh ghép xương tự thân (lấy từ mào chậu, xương cằm, xương mác hoặc góc hàm) được coi là tiêu chuẩn tham chiếu nhờ khả năng kích tạo xương, dẫn truyền xương, tích hợp mô tốt, không bị đào thải miễn dịch và không có nguy cơ lây truyền bệnh. Tuy nhiên, phương pháp này tồn tại nhược điểm lớn về số lượng mô xương có thể thu nhận bị giới hạn và nguy cơ biến chứng tại vị trí phẫu thuật lấy xương. Các nguồn vật liệu sinh học thay thế khác như xương đồng loại hoặc xương dị loại (sụn bò, ngà voi) lại có hoạt tính sinh học kém hơn, đồng thời đối mặt với nguy cơ đào thải miễn dịch và truyền nhiễm mầm bệnh.

Do đó, phát triển vật liệu sinh học nhân tạo có khả năng mô phỏng cấu trúc vi mô và chức năng của chất nền ngoại bào xương tự nhiên là hướng nghiên cứu cấp thiết trong kỹ thuật mô xương. Mô xương tự nhiên là một cấu trúc composite gồm 70% khoáng vô cơ (chủ yếu là hydroxyapatite kết hợp với các ion vi lượng như Mg²⁺), 20% chất nền hữu cơ (chủ yếu là sợi collagen) và 10% nước. Hydroxyapatite (HA) tổng hợp có hoạt tính sinh học cao nhưng giòn và khó gia công dạng xốp chịu tải, trong khi các polymer sinh học như chitosan cần tác nhân nối ngang (glutaraldehyde, glycerol) vốn có nguy cơ gây độc tế bào. Việc kết hợp chitosan với tinh bột biến tính oxy hóa giúp tạo liên kết hydro và tương tác tĩnh điện giữa các chuỗi polymer, đóng vai trò như chất liên kết ngang tự nhiên mà không cần hóa chất độc hại, đồng thời cho phép điều chỉnh độ xốp và tốc độ phân hủy sinh học. Bổ sung ion Mg²⁺ vào mạng tinh thể HA nhằm mô phỏng thành phần vô cơ tự nhiên của xương, hỗ trợ quá trình khoáng hóa và kích thích nguyên bào xương.

Đề tài đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Chế tạo thành công vật liệu composite Mg – hydroxyapatite/chitosan/tinh bột biến tính có cấu trúc xốp 3D và cơ tính phù hợp làm giá thể cho kỹ thuật mô xương.
2. Khảo sát ảnh hưởng của các tỷ lệ mol thay thế Mg²⁺/(Ca²⁺ + Mg²⁺) ở các mức 0%, 5%, 10%, 15% và 20% đến đặc tính hóa lý của bột nano Mg – HA và tính chất của giá thể composite.
3. Đánh giá cấu trúc lỗ xốp, độ xốp, độ bền cơ học nén của giá thể composite.
4. Đánh giá khả năng hình thành khoáng apatite và tốc độ phân hủy sinh học của giá thể khi ngâm trong dung dịch mô phỏng dịch thể người (SBF) và dung dịch đệm phosphate (PBS) tại các mốc thời gian 7, 14 và 28 ngày.

Đối tượng nghiên cứu là hệ vật liệu composite ba cấu tử gồm Mg – hydroxyapatite, chitosan và tinh bột sắn biến tính oxy hóa bằng phương pháp điện hóa. Phạm vi nghiên cứu thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm, tập trung vào chế tạo thực nghiệm và đánh giá tính chất hóa lý, cơ tính và hoạt tính sinh học in vitro (không thực hiện thử nghiệm trên tế bào sống hoặc cơ thể động vật).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu dựa trên các cơ sở lý thuyết về khoa học vật liệu vô cơ, hóa học polymer sinh học và sinh học mô xương:

• Cấu trúc mô xương: Xương gồm xương đặc (các lá xương xếp đồng tâm quanh ống Havers) và xương xốp (các bè xương đan xen tạo hốc chứa tủy). Thành phần gồm khung hữu cơ collagen và khoáng vô cơ hydroxyapatite (HA, công thức $Ca_{10}(PO_4)6(OH)2$ với tỷ lệ mol Ca/P lý thuyết là 1.67). Khi một phần ion $Ca^{2+}$ được thay thế bởi $Mg^{2+}$, pha whitlockite ($Ca{18}Mg_2H_2(PO_4){14}$) có thể hình thành, tăng cường khả năng giải phóng ion có lợi cho quá trình tạo xương.
• Polymer sinh học: Chitosan là polysaccharide mạch thẳng cấu tạo từ các mắt xích D-glucosamine nối qua liên kết $\beta$-(1,4)-glycoside thu được từ phản ứng khử acetyl của chitin. Chitosan tan trong dung dịch acid loãng do các nhóm amino ($-NH_2$) bị proton hóa thành cation. Tinh bột sắn gồm amylose (mạch thẳng liên kết $\alpha$-(1,4)-glycoside) và amylopectin (mạch nhánh liên kết $\alpha$-(1,6)-glycoside). Biến tính oxy hóa tạo thêm các nhóm carbonyl ($C=O$) và carboxyl ($-COOH$), giúp tăng khả năng tương tác tĩnh điện và liên kết hydro với nhóm amino của chitosan.
• Yêu cầu kỹ thuật đối với giá thể mô xương: Độ xốp cao (>60-70%), kích thước lỗ xốp lớn hơn kích thước tế bào xương (thông thường >100 $\mu m$ và tối ưu trong khoảng vài trăm $\mu m$) để tế bào xâm nhập, tăng sinh và vận chuyển dưỡng chất; bề mặt gồ ghề; có độ bền cơ học tương thích xương xốp; tốc độ phân hủy tương ứng với tốc độ tái tạo mô.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai theo các quy trình tiêu chuẩn:

• Biến tính tinh bột sắn: 200 g tinh bột sắn phân tán trong 2 L dung dịch NaCl 5%, sử dụng hai điện cực graphite (khoảng cách 10 cm), đặt hiệu điện thế 5–6 V, cường độ dòng điện 3 A trong 2 giờ ở 30 °C. Hỗn hợp được chỉnh về pH 7 bằng HCl 1M, rửa nước cất đến khi không còn ion $Cl^-$ (kiểm tra bằng $AgNO_3$ 0.1M) và sấy ở 50 °C trong 10 giờ.
• Tổng hợp Mg – HA: Phương pháp kết tủa hóa học ướt từ dung dịch $Ca(OH)_2$, $Mg(OH)_2$ và $H_3PO_4$ 0.3M với tỷ lệ mol $(Ca+Mg)/P = 1.67$. Sử dụng 2 g sucrose làm chất phân tán chống kết tụ hạt. Dung dịch được duy trì ở pH 10 bằng $NH_3$, khuấy 2 giờ, ủ 48 giờ, ly tâm rửa sạch, sấy ở 80 °C trong 24 giờ, nghiền mịn và nung ở 600 °C trong 2 giờ với tốc độ gia nhiệt 5 °C/phút.
• Chế tạo giá thể composite: Tỷ lệ Mg – HA được cố định ở 10% (w/w) so với tổng khối lượng chitosan và tinh bột. 0.750 g chitosan được hòa tan trong 25 mL acid acetic 1% chứa bột Mg – HA đã siêu âm 30 phút. Bổ sung 0.750 g tinh bột biến tính, gia nhiệt ở 90–100 °C để hồ hóa hoàn toàn, sau đó khuấy tiếp 8 giờ ở 40 °C tạo gel đồng nhất. Gel được tạo hình bằng cách kết tủa trong dung dịch NaOH 0.25M và $Na_2SO_4$ 0.375M trong 24 giờ, rửa sạch đến pH trung tính, cấp đông ở -40 °C và tiến hành sấy thăng hoa (sấy đông khô).
• Phương pháp phân tích và kiểm tra đặc tính:
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Máy Empyrean (PANalytical), bức xạ $Cu-K\alpha_1$ ($\lambda = 1.5444$ Å), góc quét $2\theta = 5 - 80^\circ$.
  • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Máy Jasco FTIR 4700, dải số sóng $4000 - 400\text{ }cm^{-1}$.
  • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS): Máy Bruker và TM4000PLUS (Hitachi) đánh giá hình thái hạt, kích thước hạt, vi cấu trúc lỗ xốp và phân bố nguyên tố.
  • Độ xốp: Phương pháp thay thế chất lỏng bằng hexane theo nguyên lý Archimedes.
  • Cơ tính: Máy đo cấu trúc Texture Pro CT V1.9 Build 35, đầu đo đường kính 6 mm, vận tốc nén 0.02 mm/s đến biến dạng 80% trên mẫu giá thể ngậm nước.
  • Độ phân hủy và khả năng tạo khoáng in vitro: Ngâm mẫu kích thước $10 \times 10 \times 10\text{ }mm$ trong 10 mL SBF (chuẩn Kokubo, pH 7.40 ở 36.5 °C) hoặc 15 mL PBS ở các mốc thời gian 7, 14 và 28 ngày (thay dịch 3 ngày/lần). Khối lượng hao hụt xác định độ phân hủy; hình thái khoáng hóa apatite trên bề mặt được kiểm tra bằng SEM-EDS và XRD.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận và tổng quan tài liệu về kỹ thuật mô xương và vật liệu composite sinh học. Tác giả trình bày cấu trúc phân lớp của xương người gồm xương đặc và xương xốp, nêu rõ tỷ lệ 70% khoáng vô cơ và 20% chất nền hữu cơ, cùng vai trò điều hòa của nguyên bào xương, cốt bào và tế bào hủy xương. Về phần nền polymer, chương này phân tích cấu trúc phân tử và tính chất hóa lý của chitosan (khả năng tạo cation trong môi trường acid) và tinh bột (tỷ lệ amylose/amylopectin của các loại thực vật, nhiệt độ hồ hóa). Quá trình biến tính oxy hóa tinh bột tạo nhóm chức carbonyl và carboxyl được phân tích như một giải pháp thay thế chất liên kết ngang hóa học độc hại khi phối trộn với chitosan.

Phần vật liệu vô cơ tập trung vào các dạng calcium phosphate, khẳng định hydroxyapatite có cấu trúc lục giác và độ ổn định hóa học cao nhất. Tác giả tổng hợp vai trò của ion $Mg^{2+}$ trong kích thích tăng sinh nguyên bào xương giai đoạn đầu và cải thiện cơ tính. Chương này cũng phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp chế tạo giá thể (sấy đông khô, rửa trôi muối, tạo bọt khí, in 3D), đồng thời điểm luận các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ vật liệu sinh học nền polymer kết hợp HA và các ion kim loại ($Sr^{2+}$, $Zn^{2+}$, $Mg^{2+}$).

CHƯƠNG 2 : THỰC NGHIỆM

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất, nguồn gốc xuất xứ, độ tinh khiết và thông số kỹ thuật của trang thiết bị. Quy trình thực nghiệm được trình bày tuần tự theo bốn khối nội dung:

1. Quy trình oxy hóa điện hóa tinh bột sắn sử dụng dung dịch điện ly NaCl 5% và điện cực than chì.
2. Quy trình kết tủa ướt tổng hợp bột nano hydroxyapatite pha tạp magie với 5 tỷ lệ mol $Mg^{2+}/(Ca^{2+} + Mg^{2+})$ (0%, 5%, 10%, 15%, 20%), kiểm soát tỷ lệ $(Ca+Mg)/P = 1.67$, nung ở 600 °C với sự hỗ trợ của đường sucrose.
3. Quy trình tạo màng gel composite chitosan/tinh bột biến tính/Mg – HA, đông tụ tạo hình trong dung dịch kiềm-muối ($NaOH/Na_2SO_4$) và tạo lỗ xốp bằng kỹ thuật sấy thăng hoa ở -40 °C.
4. Quy trình thử nghiệm và công thức tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật: phương pháp Archimedes xác định thể tích lỗ xốp và độ rỗng bằng dung môi hexane; công thức tính ứng suất nén, biến dạng và module đàn hồi Young; quy trình pha chế 1000 mL dung dịch sinh lý SBF và dung dịch đệm PBS theo trật tự hòa tan hóa chất nghiêm ngặt; phương pháp xác định tỷ lệ hao hụt khối lượng và phân tích khoáng hóa bề mặt.

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm thu được từ quá trình đặc trưng bột nano và giá thể composite:

• Đặc trưng của bột Mg – HA: Phân tích FE-SEM và đồ thị phân bố kích thước hạt cho thấy các mẫu Mg – HA có kích thước hạt đồng đều nằm trong khoảng 15–45 nm. Kết quả EDS mapping xác nhận ion $Mg^{2+}$ phân bố đồng đều trong toàn bộ cấu trúc hạt. Phân tích XRD chứng minh khi tăng hàm lượng $Mg^{2+}$, bên cạnh pha tinh thể HA chính xuất hiện thêm pha whitlockite ($Ca_{18}Mg_2H_2(PO_4)_{14}$). Phổ FTIR ghi nhận các dao động đặc trưng của nhóm phosphate ($PO_4^{3-}$) và hydroxyl ($-OH$).
• Đặc trưng của giá thể composite: Phổ XRD và FTIR của giá thể khẳng định sự hình thành liên kết tương tác giữa mạng polymer chitosan/tinh bột biến tính và các phần tử vô cơ. Cấu trúc giá thể qua ảnh chụp SEM thể hiện mạng lưới lỗ xốp 3D liên thông với kích thước lỗ xốp trung bình đạt khoảng 500 $\mu m$. Kết quả đo độ rỗng bằng hexane ghi nhận độ xốp của các mẫu đạt mức trung bình 74%.
• Cơ tính: Kết quả đo ứng suất - biến dạng chỉ ra sự có mặt của $Mg^{2+}$ giúp cải thiện độ bền cơ học của giá thể, module đàn hồi Young đạt giá trị khoảng 52 $N/mm^2$, nằm trong khoảng tương thích với mô xương xốp tự nhiên.
• Khả năng khoáng hóa và phân hủy sinh học in vitro: Sau 7, 14 và 28 ngày ngâm trong dung dịch SBF, ảnh SEM và phổ EDS cho thấy lớp hạt apatite hình thành phủ đều trên bề mặt và thành lỗ xốp của giá thể; mật độ apatite tăng dần theo thời gian ngâm và tỷ lệ thuận với hàm lượng $Mg^{2+}$ ban đầu. Về độ phân hủy, trong 7 ngày đầu tốc độ mất khối lượng trong cả SBF và PBS diễn ra chậm và có xu hướng giảm khi có mặt $Mg^{2+}$. Tuy nhiên, sau 14 và 28 ngày, tốc độ phân hủy tăng lên rõ rệt do sự hòa tan của pha chứa magie trong dung dịch đệm.

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 4 tổng kết các kết quả đạt được: đã chế tạo thành công bột nano Mg – HA (15–45 nm) và giá thể composite Mg – HA/chitosan/tinh bột biến tính bằng phương pháp sấy đông khô; giá thể có độ xốp ~74%, kích thước lỗ xốp ~500 $\mu m$, module đàn hồi ~52 $N/mm^2$, có khả năng kích thích tạo khoáng apatite và kiểm soát tốc độ phân hủy. Tác giả đưa ra các kiến nghị nghiên cứu tiếp theo bao gồm khảo sát thử nghiệm độc tính tế bào in vitro với các dòng tế bào xương và tiến hành thử nghiệm cấy ghép in vivo trên mô hình động vật.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã tổng hợp và phân tích có hệ thống các thông số thực nghiệm của hạt nano vô cơ và giá thể composite:

Chỉ tiêu khảo sát	Thông số / Kết quả ghi nhận từ thực nghiệm	Phương pháp phân tích
Tỷ lệ mol thay thế $Mg^{2+}/(Ca^{2+} + Mg^{2+})$	0%, 5%, 10%, 15%, 20%	Tính toán nồng độ mol ban đầu
Kích thước hạt bột Mg – HA	15 – 45 nm	FE-SEM
Pha tinh thể hình thành trong Mg – HA	Hydroxyapatite và Whitlockite ($Ca_{18}Mg_2H_2(PO_4)_{14}$)	XRD (bức xạ $Cu-K\alpha_1$)
Tỷ lệ Mg – HA trong composite	10% (w/w) tính trên tổng khối lượng polymer	Khối lượng cân thực nghiệm
Kích thước lỗ xốp trung bình của giá thể	Khoảng 500 $\mu m$	Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Độ xốp của giá thể composite	Khoảng 74%	Thay thế chất lỏng (Hexane / Archimedes)
Module đàn hồi Young	Khoảng 52 $N/mm^2$	Nén cơ học (Texture Pro CT)
Khả năng tạo khoáng apatite	Tạo lớp apatite dày dần sau 7, 14, 28 ngày ngâm SBF	SEM, EDS, XRD
Xu hướng phân hủy trong SBF và PBS	Chậm trong 7 ngày đầu; tăng nhanh sau 14 và 28 ngày	Đo độ hao hụt khối lượng

Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:

• Sử dụng sucrose trong giai đoạn kết tủa ướt và nung bột Mg – HA ở 600 °C nhằm hạn chế hiện tượng kết tụ giữa các hạt nano vô cơ.
• Biến tính tinh bột sắn bằng phương pháp điện hóa trong dung dịch NaCl để tạo các nhóm chức carbonyl và carboxyl, tận dụng liên kết liên phân tử giữa tinh bột biến tính và chitosan làm chất nối ngang tự nhiên thay thế các chất hóa học độc hại.
• Ổn định hình dạng gel polymer bằng phương pháp đông tụ kết tủa trong dung dịch hỗn hợp NaOH 0.25M và $Na_2SO_4$ 0.375M trước khi sấy đông khô.

Đóng góp của nghiên cứu:

• Xây dựng thành công quy trình công nghệ tích hợp chế tạo giá thể composite ba cấu tử (Mg – HA, chitosan, tinh bột biến tính oxy hóa) bằng kỹ thuật sấy thăng hoa thân thiện môi trường.
• Xác định rõ vai trò của ion $Mg^{2+}$ trong việc biến tính mạng tinh thể HA, tạo pha whitlockite, nâng cao cơ tính của khung polymer và gia tăng tốc độ kết tinh lớp khoáng apatite mô phỏng xương khi tiếp xúc với dịch thể nhân tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của khóa luận:

• Phạm vi nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở các đánh giá tính chất hóa lý, cơ tính và khả năng tạo khoáng/phân hủy vô bào (acellular in vitro) trong môi trường hóa chất mô phỏng SBF và PBS.
• Khóa luận chưa thực hiện các thử nghiệm nuôi cấy tế bào sống in vitro (như thử nghiệm độc tính tế bào, mức độ bám dính và tăng sinh của nguyên bào xương MG63 hoặc tế bào gốc trung mô).
• Chưa có các thử nghiệm cấy ghép in vivo trên mô hình động vật để đánh giá đáp ứng miễn dịch, khả năng tạo mạch máu và tái tạo mô xương thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

• Tiến hành thử nghiệm nuôi cấy tế bào in vitro để đánh giá khả năng tương thích sinh học, độ bám dính và biệt hóa của nguyên bào xương trên giá thể.
• Khảo sát các thử nghiệm tiền lâm sàng in vivo nhằm theo dõi quá trình tương tác mô và khả năng hình thành xương mới tại vị trí khuyết tật.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Hóa vô cơ - Silicate, Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Y sinh:

• Quy trình tổng hợp: Cung cấp thông số vận hành chi tiết về phản ứng oxy hóa điện hóa tinh bột sắn và quy trình kết tủa ướt chế tạo nano hydroxyapatite pha tạp kim loại có kiểm soát độ kết tụ hạt bằng phụ gia hữu cơ.
• Phương pháp thực nghiệm: Quy trình pha chế dung dịch sinh lý SBF và PBS theo tiêu chuẩn quốc tế được trình bày cụ thể theo từng bước hòa tan hóa chất và kiểm soát nhiệt độ/pH.
• Phương pháp đánh giá: Cung cấp mô hình khảo sát đồng bộ từ kiểm tra cấu trúc vi mô (SEM, FE-SEM), thành phần pha và nhóm chức (XRD, FTIR), tính toán độ xốp Archimedes đến đo đạc cơ tính nén trên vật liệu xốp ngậm nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt nano Mg – hydroxyapatite được tổng hợp bằng phương pháp nào và kích thước hạt đạt được là bao nhiêu?
Bột nano Mg – HA được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa ướt từ các tiền chất $Ca(OH)_2$, $Mg(OH)_2$ và $H_3PO_4$ 0.3M trong môi trường kiềm (pH 10 điều chỉnh bằng $NH_3$), có bổ sung 2 g sucrose làm tác nhân chống kết tụ hạt, sau đó sấy ở 80 °C và nung ở 600 °C trong 2 giờ. Kích thước hạt thu được qua phân tích FE-SEM nằm trong khoảng 15–45 nm.

2. Vai trò của việc biến tính oxy hóa tinh bột sắn bằng phương pháp điện hóa trong nghiên cứu này là gì?
Biến tính oxy hóa tinh bột sắn bằng dòng điện một chiều (5–6 V, 3 A trong 2 giờ) với dung dịch điện ly NaCl 5% tạo ra các nhóm carboxyl ($-COOH$) và carbonyl ($C=O$). Các nhóm chức này tương tác tĩnh điện và tạo liên kết hydro với nhóm amino ($-NH_2$) của chitosan, đóng vai trò như chất liên kết ngang tự nhiên giúp gia cố cơ tính của mạng lưới polymer mà không cần sử dụng các hóa chất nối ngang độc hại cho tế bào như glutaraldehyde.

3. Giá thể composite có kích thước lỗ xốp và độ xốp là bao nhiêu, các thông số này có phù hợp cho kỹ thuật mô xương không?
Kết quả phân tích SEM cho thấy giá thể composite có cấu trúc xốp 3D liên thông với kích thước lỗ xốp trung bình khoảng 500 $\mu m$. Phương pháp đo độ rỗng bằng dung môi hexane xác định độ xốp đạt mức trung bình 74%. Cấu trúc này phù hợp cho kỹ thuật mô xương vì kích thước lỗ xốp lớn hơn kích thước nguyên bào xương (10–50 $\mu m$), tạo không gian cho tế bào xâm nhập, tăng sinh và lưu thông dịch thể nuôi dưỡng.

4. Sự hiện diện của ion $Mg^{2+}$ ảnh hưởng như thế nào đến cơ tính và độ phân hủy của giá thể?
Ion $Mg^{2+}$ giúp cải thiện cơ tính của giá thể, nâng module đàn hồi Young lên mức khoảng 52 $N/mm^2$. Về độ phân hủy sinh học, sự có mặt của $Mg^{2+}$ làm giảm tốc độ mất khối lượng trong 7 ngày đầu khi ngâm SBF và PBS; tuy nhiên sau 14 và 28 ngày, tốc độ phân hủy diễn ra nhanh hơn do sự hòa tan của pha chứa magie (whitlockite) trong môi trường dung dịch.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Trần Tín đã chế tạo thành công hệ vật liệu composite ba cấu tử Mg – hydroxyapatite/chitosan/tinh bột biến tính định hướng làm giá thể xốp cho kỹ thuật mô xương. Bằng các kỹ thuật phân tích hiện đại, nghiên cứu đã chứng minh giá thể sở hữu kích thước hạt nano (15–45 nm), kích thước lỗ xốp ~500 $\mu m$, độ xốp ~74% và module đàn hồi ~52 $N/mm^2$, đáp ứng tốt các yêu cầu cấu trúc của mô xương xốp. Thử nghiệm in vitro vô bào xác nhận vật liệu có khả năng thúc đẩy kết tinh lớp apatite sinh học và kiểm soát tốc độ phân hủy phù hợp, tạo tiền đề khoa học thực nghiệm vững chắc cho các nghiên cứu nuôi cấy tế bào và thử nghiệm tiền lâm sàng tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1. Hệ composite giữa chitosan và tinh bột 1. Tổng quan về chitosan Chitosan - (C6H11O4N)n là một polysaccharide cấu tạo từ mắt xích D-glucosamine liên kết với nhau bằng liên kết 𝛽-(1,4)-glycoside [4]. Chitosan thương mại được sản xuất bằng cách deacetyl hoá chitin, thành phần chính trong vỏ của các loại giáp xác như tôm, cua.

Phương pháp chính để sản xuất chitosan là dùng NaOH khử acetyl của chitin như sơ đồ hình 1. Độ acetyl hoá hoặc deacetyl hoá, độ kết tinh và khối lượng phân tử của polymer sẽ quyết định tính chất hoá lý của chitosan [5]. Cấu trúc của chitosan [6]. Phản ứng điều chế chitosan từ chitin [7].

Tính chất hoá lý của chitosan Chitosan không tan trong môi trường pH trung tính, kiềm và hầu hết dung môi hữu cơ nhưng trong môi trường acid (pH ≤ 6.5), các nhóm amino bị ion hoá thành cation làm cho chitosan có thể tan trong các acid và hình thành dung dịch nhớt [8]. Mức độ deacetyl hoá và khối lượng phân tử sẽ quyết định độ tan trong acid cũng như độ nhớt của chitosan. Chính vì hoạt động như một cation trong môi trường pH thấp, chitosan dễ tạo liên kết và hình thành gel khi phản ứng với các polymer chứa nhóm carboxyl như alginate, pectin… Nhóm chức amino (-NH2) và hydroxyl (-OH) cho phép chitosan thực hiện nhiều phản ứng hoá học, tạo ra các dẫn xuất khác nhau của chitosan với các đặc tính được cải thiện [9]. Liên kết glycoside giữa các đơn vị 1 glucosamine có thể bị cắt đứt bởi enzyme, tác nhân oxy hoá hay acid nhằm giảm trọng lượng phân tử của chitosan [5].

Tổng quan về tinh bột Tinh bột - (C6H10O5)m là một polysaccharide cấu tạo từ hai loại polymer chính gồm amylose và amylopectin. Amylose là polymer mạch thẳng cấu thành từ các đơn vị glucose liên kết với nhau bằng liên kết 𝛼 -(1,4)-glycoside (hình 1. Với amylopectin, mạch polymer xuất hiện thêm các nhánh được liên kết bằng liên kết 𝛼- (1,6)-glycoside (hình 1. Tinh bột có nhiều trong các loại thực vật như lúa gạo, lúa mì, khoai tây, khoai mì, ngô… và là nguồn carbohydrate phổ biến nhất cho chế độ ăn của con người.

Cấu trúc của amylose [11]. Cấu trúc của amylopectin [11]. Tỷ lệ amylose/amylopectin trong tinh bột khác nhau tuỳ theo nguồn gốc của thực vật (bảng 1.1) và tỷ lệ này sẽ ảnh hưởng nhiều đến tính chất hoá lý của tinh bột. Tỷ lệ amylose/amylopectin trong các loại thực vật [12] Nguồn gốc Amylose (%) Amylopectin (%) Lúa gạo 17.3 Khoai tây 21 79 Ngô 17 – 25 75 – 83 Sắn 16 84 1.

Tính chất hoá lý của tinh bột Tinh bột có cấu trúc bán tinh thể, không tan trong nước ở nhiệt độ thường nhưng khi được gia nhiệt trong khoảng nhiệt độ hồ hoá, hạt tinh bột trương nở do hấp thụ nước gọi là trạng thái gel [13]. Cấu trúc chứa nhiều nhóm chức hydroxyl (-OH) làm cho các phân tử tinh bột có xu hướng liên kết lại với nhau tạo nên độ hoà tan kém, độ nhớt cao [14]. Liên kết này sẽ bị cắt đứt khi gia nhiệt nên hạt tinh bột sẽ liên kết với nước và trương nở. Quá trình hồ hoá tạo độ nhớt cho huyền phù tinh bột, độ nhớt tăng nhanh chóng nếu tiếp tục gia nhiệt tạo dạng sệt và sẽ giảm độ nhớt nếu tiếp tục được gia nhiệt vượt qua nhiệt độ hồ hoá quá cao do sự phân tách của amylose và amylopectin vào dung dịch [15].

Nhiệt độ hồ hoá khác nhau đối với mỗi loại tinh bột do phụ thuộc vào tỉ lệ amylose và amylopectin (bảng 1. Khi làm nguội, amylose và amylopectin sắp xếp lại tạo trạng thái gel có cấu trúc mạng ba chiều tuy nhiên khi hỗn hợp gel này không được bảo quản đúng cách thì sẽ bị tách nước gọi là trạng thái thoái hoá [15].