CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu composite 1.1 Tổng quan về vật liệu composite Vật liệu composite được tạo thành từ hai hay nhiều thành phần khác nhau với những tính chất và cấu trúc riêng biệt. Thông thường, vật liệu composite được cấu tạo gồm một ma trận và các vật liệu gia cố. Ma trận là thành phần chính của vật liệu composite, thông thường là polymer có tính chất linh hoạt và khả năng chịu lực tốt, với vai trò liên kết và bảo vệ các vật liệu gia để cung cấp tính chất cơ học và bề mặt đảm bảo thực hiện chức năng bảo vệ cho vật liệu gia cố khỏi các yếu tố môi trường như độ ẩm, nhiệt độ.Vật liệu gia cố được sử dụng để tăng độ bền, độ cứng và khả năng chịu lực của các vật liệu khác, các vật liệu gia cố được sử dụng rộng rãi và phổ biến: sợi thủy tinh gia cố (GFRP), sợi carbon gia cố (CFRP), sợi bột mạch gia cố (CFRP). [1] Trong lĩnh vực kỹ thuật và khoa học, vật liệu composite phát triển nhanh chóng và được sử dụng rộng rãi, cung cấp sự kết hợp về độ cứng, độ bền, trọng lượng nhẹ và một số tính chất chuyên biệt khác theo yêu cầu.
Vật liệu composite được phân loại bao gồm: dựa vào ma trận, dựa vào vật liệu gia cố và dựa vào quy mô. Dựa vào ma trận gồm các vật liệu tổng hợp dựa vào polymer, vật liệu tổng hợp dựa vào kim loại và vật liệu tổng hợp. Dựa vào vật liệu gia cố gồm dạng sợi, hạt và tấm. Dựa vào quy mô gồm vật liệu nanocomposite, vật liệu sinh học.2 Vật liệu composite trên nền PVA/TB 1.
Poly(vinyl alcohol) có công thức hóa học (-CH2-CHOH-)n và phân tử lượng dao động khoảng 20.000 g/mol, có tính ưa nước của ( nhóm OH-) cùng với đó khả năng phân hủy sinh học và tương thích sinh học nổi trội. Poly(vinyl alcohol) được tổng hợp bằng 2 phương pháp: trùng hợp gốc tự do của vinyl axetat và thủy phân poly(vinyl axetat) với những phương pháp khác nhau sẽ ảnh hưởng đến vật liệu, độ hòa tan, độ kết tinh và tính chất hóa học. [4] Poly(vinyl alcohol) có độc tính thấp và không gây kích ứng cho con người, với tính kết dính của poly(vinyl alcohol) có khả năng tạo một liên kết dính mạnh với nhiều bề mặt khác nhau. Poly(vinyl alcohol) khả năng hòa tan trong nước ở nhiệt độ cao tạo ra những vật liệu hữu ích như keo dán, chất bảo vệ bề mặt.; khả năng phân hủy sinh học để phân giải và 3 chuyển hóa, có tiềm năng và thân thiện với môi trường; và khả năng tương thích sinh học tốt có thể tương tác, tương thích với môi trường sinh học được dùng để làm màng bảo vệ, giá thể cho xương…[5] Hình 1- 1: Hình ảnh cấu tạo Polyvinyl alcohol [4] Poly(vinyl alcohol) tổng hợp được sử dụng đầu tiên ở nửa đầu thế kỷ 20 trên toàn thế giới, ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, thương mại, y tế và thực phẩm.
PVA dùng làm chất phân phối thuốc, thiết bị y tế, làm màng chống ẩm cho viên thực phẩm bổ sung [6, 7], PVA được ứng dụng trong kỹ thuật mô xương về độ bền cơ học, khả năng chịu tải, khả năng bám dính của vật liệu [8]… Hình 1- 2: Hình ảnh về ứng dụng của Polyvinyl alcohol [5] 4 1.2 Tinh bột Tinh bột thuộc polymer tự nhiên, một trong những nguồn thực phẩm quan trọng được dùng phổ biến trong cuộc sống, có nguồn cung cấp trong tự nhiên…Tinh bột thuộc polysaccarit của glucose có công thức hóa học (C6H10O5. Hiện nay, tinh bột còn được sử dụng trong tiến bộ của khoa học – kỹ thuật và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp giấy, bao bì, y tế, màng phân hủy, nông nghiệp. [9] Hình 1- 3: Hình ảnh về tinh bột [9] Tinh bột không tan trong nước lạnh, các tính chất của tinh bột gồm sự trương nở, sự hồ hóa, và sự thoái hóa. Khi tinh bột hòa tan với nước ở nhiệt độ cao các hạt tinh bột bắt đầu phá vỡ cấu trúc gọi là sự hồ hóa, sự trương nở khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của hồ hóa cũng đi kèm với hiện tượng rửa trôi phân tử tinh bột ra khỏi các hạt…Các đặc tính quan trọng là độ nhớt, kết cấu, khả năng chống cắt và xu hướng thoái hóa.
[10] Xét về mặt cấu trúc của tinh bột là hỗn hợp của 2 loại amylose và amylopectin, hầu hết các loại tinh bột đều chứa 10 -20% amylose được tan trong nước và 80 – 90% amylopectin không tan trong nước. Amylose là các polysaccharides chuỗi thẳng với các đơn vị α-D- glucose được nối với nhau từ 1 đến 4, và độ dài của chuỗi thay đổi từ 250 đến 350 đơn vị glucose, và các phân tử được cuộn xoắn, amylose cũng góp phần tạo nên đặc tính gel của tinh bột được nấu chín và làm nguội. Amylopectin cũng có khung liên kết α – (1 - 4) phân tử được phân nhánh thông qua các liên kết α – (1 – 6), với tỷ lệ khoảng 4 – 5% và có độ dài của đơn vị tuyến tính khoảng 20 đến 25% đơn vị glucose, amylopectin góp phần tạo đặc tính làm đặc các chế phẩm tinh bột nhưng không góp phần hình thành gel. Ngoài ra, trong cấu trúc của tinh bột không chỉ có amylose và amylopectin, mà vẫn còn một lượng nhỏ protein và lipid cũng có trong tinh bột.3 Tinh bột biến tính Tinh bột tự nhiên trong công nghiệp bị hạn chế vì tốc độ thoái hóa cao, khó hòa tan trong nước, độ nhớt biến động trong khoảng rộng nên được xử lí nhiệt để đáp ứng được nhu cầu về công nghệ ngày càng khắt khe.
Hiện nay, tinh bột đã được biến đổi bởi nhiều phương pháp khác nhau, tinh bột biến tính với mục đích nâng cao tính linh hoạt, làm giảm các mắc xích trong cấu tạo và đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng. [9] Thông thường có 2 phương pháp thường được sử dụng để biến đổi tinh bột gồm sự biến đổi vật lý và sự biến đổi hóa học. Sự biến đổi vật lý của tinh bột sẽ không gây ra hư hỏng các phản ứng hóa học đơn vị D-glucopyranosyl của phân tử tinh bột, thủy nhiệt xử lý vật lý và các phương pháp xử lý khác là 3 cách được dùng biến đổi vật lý. Sự biến đổi hóa học thay đổi về mặt hóa học, chức năng và sự thay thế hóa học của tinh bột, bao gồm các phương pháp như ether hóa, este hóa, oxy hóa và thủy phân acid.
[12] Tinh bột có nhiều ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau phục vụ nhu cầu đa dạng của con người. Màng tinh bột có thể ăn được là vật liệu không màu, không mùi, không độc hại, có thể phân hủy sinh học và được đề xuất sử dụng để bảo vệ các loại thực phẩm nhầm nâng cao chất lượng và hạn sử dụng của sản phẩm. Tinh bột cũng đang được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực làm giá thể cho kỹ thuật mô xương để không loại bỏ các thiết bị sau khi đã phẫu thuật, sử dụng phân phối thuốc để giải phóng có tính kiểm soát các loại thuốc hòa tan được trong nước.3 Ứng dụng nghiên cứu của vật liệu composite trên nền PVA/TB Poly(vinyl alcohol) và tinh bột trộn lại đồng nhất tạo ra vật liệu composite được ứng dụng làm vật liệu đóng gói mới, làm giảm tính chất cơ học và cũng làm giảm chống độ thấm nước của PVA nguyên chất. [13, 14] Tinh bột là hỗn hợp của amylose và amylopectin có khả năng phân hủy sinh học và giá thành thấp nhưng không có đặc tính cơ lí tốt.
Tinh bột được kết hợp poly(vinyl alcohol) trong nghiên cứu để cải thiện tính cơ cũng như phản ứng nhiệt của vật liệu có khả năng phân hủy sinh học. [15] Vật liệu composite poly(vinyl alcohol) và tinh bột khi được kết hợp làm thay đổi tính chất cơ nhiệt của vật liệu, do đó làm thay đổi cấu trúc của polymer ở cấp độ phân tử và hình thái theo báo cáo của Nadras Othman và cộng sự. Hosney Ara Begum và cộng sự, đã nghiên cứu vật liệu composite poly(vinyl alcohol) và tinh bột được ứng dụng làm vật liệu có thể cải thiện tính chất cơ học và khả năng sinh học [17]. Vật liệu composite được tổng hợp từ poly(vinyl alcohol) và tinh bột được gia cố bằng các mẫu giấy bột, với khả năng hấp thụ nước của vật liệu khi tăng mẫu giấy bột, modul young của vật liệu tăng lên, ứng suất được tăng theo biến dạng đạt cực đại rồi bắt đầu giảm xuống, vì vậy, vật liệu composite từ poly(vinyl alcohol) có tính chất cơ tốt để tổng hợp vật liệu để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.2 Vật liệu composite dùng cho kỹ thuật mô xương 1.1 Cấu trúc của xương Xương là sự kết hợp của các thành phần hữu cơ và vô cơ, thành phần chủ yếu là collagen (21%) và phần vô cơ chủ yếu là calcium phosphate (69%) ở dạng hydroxyapaptite (HA), nước (9%) và 1% thành phần khác được chịu trách nhiệm tạo ra độ bền cơ học và độ bền đặc trưng cho xương.
[19] Xương có khả năng thực hiện nhiều chức năng khác nhau, xương cung cấp khả năng chịu lực của khung xương và bảo vệ các cơ quan nội tại của cơ thể, chứa các yếu tố sinh học cho quá trình tạo máu, duy trì cân bằng thông qua việc lưu trữ calcium và phosphate. Do tình trạng mắc các bệnh về xương trên toàn thế giới ngày càng tăng nên nhu cầu cần cấy ghép xương của con người ngày càng cao, nhưng chi phí lớn, tốn kém và tổn thương đáng kể ở vị trí hiến tặng, bệnh tật, biến dạng gây ra sẹo và những rủi ro liên quan đến trong phẫu thuật: chảy máu, viêm, nhiễm trùng và đau đớn. Các nhà nghiên cứu đã đặc biệt quan tâm và tiến bộ đến việc phát triển kỹ thuật mô xương của con người, để phục hồi và tái tạo xương bị tổn thương. Collagen được sắp xếp thành các mảng đa chiều phức tạp bao gồm chuỗi xoắn dài 300 nm và đường kính 1,5 nm, collagen loại I phổ biến được sử dụng rộng rãi nhất gồm 95% collagen và 80% trong xương người, có xu hướng cùng hướng với hydroxyapatite được tìm thấy ở tinh thể hydroxyapatite ở dạng hình trục, hình tấm và đặc biệt, đặc tính của collagen yếu tố quyết định độ bền của xương góp phần tạo nên đặc tính cơ học cho xương [21] Kỹ thuật mô xương (BTE) dựa trên sự kiến thức về cấu trúc xương, khả năng chịu lực và sự hình thành mô với nhằm mục đích tạo ra các mô xương có chức năng mới.