Tổng quan nghiên cứu

Xi măng thủy tinh ionomer (Glass Ionomer Cement - GIC) là vật liệu polymer nhiệt dẻo được sử dụng rộng rãi trong nha khoa nhờ khả năng bám dính tốt và giải phóng fluoride giúp bảo vệ răng khỏi sâu răng. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây cho thấy GIC truyền thống có độ bền nén thấp, dao động trong khoảng 18,1-40,9 MPa, cùng với thời gian đóng rắn kéo dài, gây khó khăn trong thao tác và giảm hiệu quả sử dụng. Luận văn này tập trung nghiên cứu cải thiện độ bền cơ và khả năng giải phóng fluoride của GIC thông qua việc điều chỉnh thành phần bột thủy tinh và dung dịch lỏng, đồng thời khảo sát khả năng tái hấp thu fluoride trong môi trường mô phỏng.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là: (1) tạo ra vật liệu GIC với độ mịn bột thủy tinh tối ưu, xử lý bề mặt bột bằng tác nhân ghép nối Silane, bổ sung bột Hydroxyapatite (HA) để tăng cường cơ tính; (2) điều chỉnh thành phần dung dịch lỏng gồm polyacrylic acid (PAA) với các phụ gia maleic acid và tartaric acid nhằm cải thiện thời gian đóng rắn và độ bền; (3) khảo sát khả năng giải phóng và tái hấp thu fluoride trong các môi trường nước deion, nước bọt nhân tạo và dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Silicate, Khoa Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh và Trung tâm Phân tích Kiểm nghiệm TVU, Đại học Trà Vinh, trong khoảng thời gian từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu trám răng có độ bền cơ cao, thời gian làm việc hợp lý và khả năng bảo vệ răng hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng điều trị nha khoa tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: (1) Phản ứng acid-base trong GIC, trong đó bột thủy tinh alumo-silicate phản ứng với dung dịch polyacid tạo thành mạng lưới polymer liên kết ion, quyết định tính chất cơ học và khả năng giải phóng fluoride; (2) Cơ chế ghép nối bề mặt bột thủy tinh bằng hợp chất Silane nhằm tăng cường liên kết giữa pha vô cơ và hữu cơ, cải thiện độ bền cơ và thời gian đóng rắn.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • Độ mịn bột thủy tinh: ảnh hưởng đến diện tích bề mặt tiếp xúc và tốc độ phản ứng đóng rắn.
  • Polyacrylic acid (PAA): polymer chính trong dung dịch lỏng, với khối lượng phân tử và nồng độ ảnh hưởng đến độ nhớt và thời gian làm việc của GIC.
  • Hydroxyapatite (HA): chất phụ gia cải thiện tính tương thích sinh học và cơ tính của GIC.
  • Khả năng giải phóng và tái hấp thu fluoride: yếu tố quan trọng giúp ngăn ngừa sâu răng và tăng hiệu quả bảo vệ răng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu GIC được tổng hợp trong phòng thí nghiệm với các biến đổi về độ mịn bột thủy tinh (nghiền 30, 50, 100 phút), xử lý bề mặt bằng silane JH-S69 ở nồng độ 1%, 5%, 10%, và bổ sung HA với tỷ lệ 0%, 5%, 10%, 15%. Dung dịch lỏng được điều chế từ PAA với khối lượng phân tử 3.000-5.000 (L1) và 100.000 (L2), kết hợp phụ gia maleic acid và tartaric acid nhằm điều chỉnh thời gian đóng rắn và độ nhớt.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích thành phần hóa học bằng XRF và pha bằng XRD.
  • Đo kích thước hạt và diện tích bề mặt bằng tán xạ laser.
  • Phân tích cấu trúc và nhóm chức bằng phổ hồng ngoại FTIR.
  • Đánh giá độ bền nén theo tiêu chuẩn ISO 9917-1:2007 ở các thời điểm 1, 7, 28 ngày trong môi trường nước deion, nước bọt nhân tạo (AS) và dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF).
  • Khảo sát khả năng giải phóng fluoride bằng phương pháp quang phổ UV và tái hấp thu fluoride trong dung dịch NaF 1000 ppm.
  • Đánh giá tương thích sinh học bằng SEM-EDX.

Cỡ mẫu gồm nhiều nhóm mẫu GIC với các biến thể thành phần, mỗi nhóm được bảo dưỡng và thử nghiệm theo timeline 1, 7, 28 ngày nhằm đánh giá sự ổn định và phát triển tính chất cơ học cũng như khả năng giải phóng fluoride.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng độ mịn bột thủy tinh: Bột thủy tinh nghiền 50 phút (kích thước trung bình khoảng 14,3 µm, diện tích bề mặt 10,358 cm²/g) cho kết quả độ bền nén mẫu GIC cao nhất, đạt từ 60,5 đến 86,2 MPa sau 28 ngày, tăng gấp đôi so với nghiên cứu trước (18,1-40,9 MPa). Thời gian đóng rắn giảm đáng kể, phù hợp tiêu chuẩn ISO 9917-1:2007.

  2. Tác động của xử lý bề mặt bằng Silane JH-S69: Xử lý bột thủy tinh với 1% silane làm tăng độ bền nén trung bình lên khoảng 15-20% so với mẫu không xử lý, đồng thời cải thiện khả năng làm việc và giảm độ nhớt hồ trộn, giúp thao tác dễ dàng hơn.

  3. Bổ sung Hydroxyapatite (HA): Thêm 5% HA vào bột thủy tinh làm tăng độ bền nén lên khoảng 10% so với mẫu không có HA, đồng thời tăng khả năng tương thích sinh học khi ngâm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người. Tuy nhiên, tỷ lệ HA vượt quá 10% làm giảm độ bền do ảnh hưởng đến cấu trúc mạng lưới xi măng.

  4. Khả năng giải phóng và tái hấp thu fluoride: Mẫu GIC giải phóng fluoride liên tục trong 28 ngày, với lượng fluoride trong môi trường nước deion cao hơn so với môi trường nước bọt nhân tạo. Khả năng tái hấp thu fluoride từ dung dịch NaF 1000 ppm được xác nhận, cho thấy vật liệu có thể nạp lại fluoride trong môi trường miệng, tăng hiệu quả bảo vệ răng.

Thảo luận kết quả

Độ mịn bột thủy tinh ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích bề mặt phản ứng, từ đó tăng tốc độ phản ứng acid-base và cải thiện độ bền nén. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế cho thấy kích thước hạt nhỏ giúp tăng điện tích bề mặt, thúc đẩy phản ứng nhanh và tạo liên kết chắc chắn hơn.

Việc xử lý bề mặt bằng silane JH-S69 tạo ra liên kết hóa học giữa bột thủy tinh và polymer trong dung dịch lỏng, làm tăng tính liên kết pha và giảm hiện tượng tách pha, từ đó nâng cao cơ tính và thời gian làm việc của GIC. Điều này đồng nhất với cơ chế đâm xuyên vào mạng lưới polymer (IPN) được mô tả trong lý thuyết.

Bổ sung HA không chỉ cải thiện cơ tính mà còn tăng khả năng tương thích sinh học, do HA là thành phần tự nhiên trong men răng và xương, giúp kích thích sự phát triển mô và tăng cường liên kết vật liệu với mô răng. Tuy nhiên, tỷ lệ HA cần được kiểm soát để tránh làm suy giảm cấu trúc xi măng.

Khả năng giải phóng fluoride kéo dài và tái hấp thu fluoride là điểm mạnh của GIC, giúp ngăn ngừa sâu răng hiệu quả. Sự khác biệt về lượng fluoride giải phóng trong các môi trường khác nhau phản ánh ảnh hưởng của thành phần môi trường lên quá trình khuếch tán ion, điều này có thể được minh họa qua biểu đồ hàm lượng fluoride theo thời gian trong các môi trường thử nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình nghiền bột thủy tinh: Áp dụng thời gian nghiền khoảng 50 phút để đạt kích thước hạt trung bình 14,3 µm, đảm bảo độ bền nén và thời gian đóng rắn phù hợp. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể: Phòng thí nghiệm vật liệu nha khoa.

  2. Ứng dụng xử lý bề mặt bằng silane JH-S69 1%: Triển khai xử lý bột thủy tinh trước khi trộn để tăng cường liên kết pha, cải thiện tính chất cơ học và thao tác. Thời gian thực hiện: 1-2 tháng. Chủ thể: Nhà sản xuất vật liệu nha khoa.

  3. Bổ sung Hydroxyapatite với tỷ lệ 5%: Khuyến nghị sử dụng HA để nâng cao tính tương thích sinh học và cơ tính, đồng thời tránh vượt quá 10% để không làm giảm độ bền. Thời gian thực hiện: 2-3 tháng. Chủ thể: Các trung tâm nghiên cứu và sản xuất vật liệu y sinh.

  4. Phát triển công nghệ tái hấp thu fluoride: Nghiên cứu thêm về khả năng nạp lại fluoride trong môi trường miệng thực tế, nhằm tăng hiệu quả bảo vệ răng lâu dài. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: Các viện nghiên cứu nha khoa và y sinh.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ thuật viên và nha sĩ về quy trình sản xuất và ứng dụng GIC cải tiến, đảm bảo hiệu quả sử dụng trong thực tế. Thời gian: liên tục. Chủ thể: Trường đại học, bệnh viện nha khoa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu y sinh: Có thể áp dụng kết quả để phát triển các vật liệu nha khoa mới với tính năng cải tiến về cơ học và sinh học, phục vụ nghiên cứu sâu hơn về vật liệu GIC.

  2. Nhà sản xuất vật liệu nha khoa: Tham khảo để cải tiến quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm GIC, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế và nhu cầu thị trường.

  3. Bác sĩ nha khoa và kỹ thuật viên: Hiểu rõ tính chất và ưu nhược điểm của vật liệu GIC cải tiến, từ đó lựa chọn và sử dụng hiệu quả trong điều trị sâu răng và phục hình.

  4. Sinh viên và giảng viên ngành kỹ thuật vật liệu, nha khoa: Tài liệu tham khảo học thuật, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về vật liệu nha khoa và kỹ thuật vật liệu.

Câu hỏi thường gặp

  1. GIC cải tiến có độ bền nén như thế nào so với GIC truyền thống?
    GIC nghiên cứu đạt độ bền nén từ 60,5 đến 86,2 MPa sau 28 ngày, cao gấp đôi so với GIC truyền thống (18,1-40,9 MPa), nhờ tối ưu độ mịn bột thủy tinh và xử lý bề mặt silane.

  2. Tại sao cần xử lý bề mặt bột thủy tinh bằng silane?
    Silane tạo liên kết hóa học giữa bột thủy tinh và polymer, tăng cường độ bền cơ và cải thiện thời gian làm việc của GIC, giúp thao tác dễ dàng hơn và vật liệu bền vững hơn.

  3. Hydroxyapatite có vai trò gì trong GIC?
    HA cải thiện tính tương thích sinh học và cơ tính của GIC, giúp vật liệu gần gũi với mô răng tự nhiên, tuy nhiên tỷ lệ HA cần kiểm soát để tránh giảm độ bền.

  4. Khả năng giải phóng fluoride của GIC có ý nghĩa gì?
    Fluoride giúp ngăn ngừa sâu răng bằng cách ức chế sự phát triển vi khuẩn và tăng cường tái khoáng men răng. GIC cải tiến có khả năng giải phóng fluoride kéo dài và tái hấp thu fluoride từ môi trường.

  5. Môi trường bảo dưỡng ảnh hưởng thế nào đến tính chất GIC?
    Môi trường nước deion cho lượng fluoride giải phóng cao hơn so với nước bọt nhân tạo và dung dịch mô phỏng, do sự khác biệt về thành phần ion và pH ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán và phản ứng hóa học.

Kết luận

  • Đã tạo thành công vật liệu GIC với độ bền nén cải thiện đáng kể, đạt 60,5-86,2 MPa sau 28 ngày, vượt tiêu chuẩn ISO 9917-1:2007.
  • Xử lý bề mặt bột thủy tinh bằng silane JH-S69 1% giúp tăng cường liên kết pha và cải thiện tính chất cơ học.
  • Bổ sung 5% Hydroxyapatite nâng cao khả năng tương thích sinh học và cơ tính, tuy nhiên cần kiểm soát tỷ lệ để tránh giảm độ bền.
  • Vật liệu GIC có khả năng giải phóng fluoride liên tục trong 28 ngày và tái hấp thu fluoride từ môi trường, tăng hiệu quả bảo vệ răng.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng về khả năng tái hấp thu fluoride và ứng dụng thực tế trong nha khoa, đồng thời chuyển giao công nghệ sản xuất GIC cải tiến.

Hành động tiếp theo: Triển khai quy trình sản xuất thử nghiệm, đánh giá lâm sàng và đào tạo ứng dụng tại các cơ sở nha khoa nhằm nâng cao chất lượng điều trị sâu răng và phục hình răng.