CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về Hydroxyapatite (HA) và vật liệu y sinh (sinh học) 1.1 Thành phần và cấu tạo Hydroxyapatite (HA) có dạng hệ tinh thể lục giác, đơn vị cấu trúc cơ bản là Ca5(PO4)3(OH) nhưng trên thực tế gồm 2 phân tử và có công thức hóa học tỷ lượng là Ca10(PO4)6(OH)2. Tuy nhiên, HA có thể tồn tại dưới dạng các công thức hóa học không tỷ lượng Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2 (0≤x≤2). Trong xương, HA cũng thường tồn tại dưới dạng không tỷ lượng hơn là dạng tỷ lượng. [6] HA tinh khiết có thành phần khối lượng lý thuyết là 39.45% P; Ca/P về khối lượng là 2.151; tỷ lệ mol của Ca/P là 1.
Dựa vào tỉ lệ Ca/P, có thể đánh giá được độ tinh khiết của HA. Nếu tỉ lệ Ca/P thấp hơn 1.667 thì trong HA có thể có β-TCP, TTCP hoặc các pha khác của calcium phosphate. Nếu tỉ lệ Ca/P cao hơn 1.667 thì trong HA có thể có sự hiện diện của CaO. Ngoài ra còn có một số nguyên tố khác với hàm lượng nhỏ do tiền chất phản ứng mang vào.
Mô phỏng cấu trúc tinh thể Hydroxyapatite Ca5(OH)(PO4)3 (University of Liverpool - http://www.com/solidstate/SShydroxyapatite.2 Tính chất – Ứng dụng: Hydroxyapatite (HA), Ca10(PO4)6(OH)2, dạng bột có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp. HA có nhiệt độ nóng chảy 1760oC và nhiệt độ sôi 2850oC, độ tan trong nước 0.7g/l, khối lượng mol phân tử 1004.60g, khối lượng riêng là 3.156g/cm3, độ cứng 5 Thực hiện: Văng Nguyễn Hoàng Vân GVHD: TS. Phạm Trung Kiên Chế tạo giá thể composite y sinh HA/Wollastonite và đánh giá khả năng tăng sinh tế bào trên giá thể theo thang Mohs bằng 5. Các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo, tùy thuộc vào điều kiện hình thành mà có thể tồn tại ở các dạng hình que, hình kim, hình vảy,… Hydroxyapatite (HA) là một loại vật liệu dựa trên calcium phosphate với mối quan tâm lớn cho các ứng dụng y sinh học.
Calcium phosphate có tính tương hợp sinh học, hoạt tính sinh học cao và khả năng chữa lành xương. Mặt khác Calcium phosphate bên trong cơ thể từ từ hòa tan để giải phóng ion Calcium phosphate có lợi trong việc hình thành xương. Sản phẩm của quá trình phân hủy calcium phosphate hình thành cacbonate apatite có thành phần và cấu trúc hóa học giống với pha khoáng trong xương hơn và có hoạt tính sinh học. Ngoài ra, nano calcium phosphate có hoạt tính sinh học cao hơn, được dùng trong cấy ghép mô với tính tương hợp sinh học được cải thiện đáng kể.
[2] Do lượng calcium hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên rất cần bổ sung calcium cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi. Calcium có trong thức ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hoà tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hoá calcium thành HA. Một phương pháp hữu hiệu là sử dụng HA ở dạng bột mịn, kích thước nano để bổ sung calcium [2].2 Minh họa một loại thuốc bổ sung calcium từ microcrystalline hydroxyapatite trên thị trường. 6 Thực hiện: Văng Nguyễn Hoàng Vân GVHD: TS.
Phạm Trung Kiên Chế tạo giá thể composite y sinh HA/Wollastonite và đánh giá khả năng tăng sinh tế bào trên giá thể Vật liệu gốm xốp HA có tính tương thích sinh học cao, có nhiều lỗ liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu, có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng. Nhờ có khả năng đặc biệt này mà ngày nay, HA dạng gốm xốp được ứng dụng đặc biệt rộng rãi trong y sinh học [14]. Sửa chữa những khuyết tật của răng: các nhà khoa học Nhật Bản đã thành công trong viêc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thước nano và polymer sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy, nghĩa là tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng cứng chắc, “bắt chước” theo đúng tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên ở dưới [15]. Tuỳ thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra các sản phẩm gốm HA có kích thước và độ xốp khác nhau.
Sau đó, gia công các sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HA ở dạng hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xương [16]. Bản chất của gốm xốp và màng HA là có độ bền cơ học thấp. Một giải pháp để tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm composite bằng cách phân tán HA bột vào các polyme sinh học như collagen, christosan, xenlulozo, đường sacarozo,. Vật liệu ở dạng này được sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc có thể làm chất truyền dẫn thuốc.
Việc sử dụng các polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn. Mặt khác, các polyme này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình. Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composite chứa HA [16]. *Vật liệu y sinh (vật liệu sinh học) là bất kỳ chất hoặc hợp chất nào (không phải là thuốc) có nguồn gốc tổng hợp hoặc tự nhiên, được dùng để điều trị, tăng cường hoặc thay thế mô, cơ quan hoặc chức năng của cơ thể.
[36] Các vật liệu sinh học phải có các đặc tính đặc biệt như: tính tương hợp sinh học, không sinh khối u, kháng xói mòn, có độc tính thấp. Tuy nhiên, tùy thuộc vào ứng dụng, các vật liệu cần đạt các yêu cầu khác nhau. Nói chung, các yêu cầu của vật liệu sinh học có thể được phân thành 4 nhóm: 7 Thực hiện: Văng Nguyễn Hoàng Vân GVHD: TS. Phạm Trung Kiên Chế tạo giá thể composite y sinh HA/Wollastonite và đánh giá khả năng tăng sinh tế bào trên giá thể 1) Tính tương hợp sinh học: vật liệu phải không được gây ra phản ứng không tốt cho vật chủ nhưng lại có thể kích thích sự hòa hợp mô - vật ghép tốt.
2) Có thể khử trùng: vật liệu có thể chịu được sự khử trùng. Các kỹ thuật khử trùng gồm: tia gamma, khí hay hấp hơi nước… 3) Có tính chức năng: Tính có chức năng của một bộ phận giả tùy thuộc vào khả năng tạo được hình dáng phù hợp với một chức năng đặc biệt. Do đó,vật liệu phải được tạo hình dáng bằng các quy trình chế tạo công nghệ. 4) Có thể chế tạo: Nhiều vật liệu có tính tương hợp sinh học nhưng trong khâu cuối cùng (khâu chế tạo thành công cụ) không thực hiện được.
*Giá thể y sinh (scaffold) thường được gọi là vật liệu tạo khung, là bộ khung có hình dạng, kích thước giống với bộ phận thay thế để tạo điều kiện cho mô, xương hay tế bào tiếp tục phát triển hoặc dùng để nuôi cấy tế bào ứng dụng trong lĩnh vực kỹ nghệ mô. [36] Đặc tính lý tưởng của scaffold là: - Có cấu trúc lỗ xốp bên trong: tăng trưởng mô, phân bố mạch, cung cấp dưỡng chất. - Được chế tạo từ vật liệu có khả năng phân hủy sinh học hoặc khả năng hấp thu sinh học được kiểm soát để mô sẽ thay thế scaffold. - Có hóa học bề mặt thích hợp để giúp các tế bào bám, biệt hóa và tăng sinh.
- Có các đặc tính cơ học thích hợp để tương xứng với vùng ghép. - Không kích thích bất kỳ phản ứng có hại nào. - Dễ tạo theo hình dáng và kích thước mong muốn. Trong rất nhiều nghiên cứu sử dụng vật liệu gốm vô cơ tự nhiên và tổng hợp (như ydroxyapatite và tricalcium phosphate) để chế tạo scaffold trong kỹ nghệ mô xương do các vật liệu này giống với thành phần vô cơ tự nhiên của xương và có các đặc tính dẫn xương.
Tuy nhiên, các gốm này có tính giòn (dễ gãy) và không phù hợp với các đặc tính cơ học của xương. Scaffold xương thường là một composite gồm khuôn nền polymer được tăng cường với các phần tử gốm.3 Các phương pháp tổng hợp HA [23] 1. Phương pháp kết tinh 8 Thực hiện: Văng Nguyễn Hoàng Vân GVHD: TS. Phạm Trung Kiên Chế tạo giá thể composite y sinh HA/Wollastonite và đánh giá khả năng tăng sinh tế bào trên giá thể Phản ứng cơ bản: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 = Ca10(PO4)6(OH)2 ↓ +18H2O Kết tinh từ muối calcium nitrate trong dung dịch amoni 10Ca(NO3)2.4H2O + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH = Ca10(PO4)6(OH)2 ↓ + 20NH4NO3 + 46H2O Kết tinh trực tiếp từ dung dịch pha loãng, tiền chất có thể là calcium chloride, sodium phosphate, kết tủa hóa học từ dung dịch nước của calcium chloride, ammonium hydrogen phosphate.
Kết tinh trong sóng siêu âm Cho dung dịch H3PO4 phản ứng với dung dịch Ca(OH)2 dạng sữa trong bể siêu âm ở nhiệt độ 70oC, khuấy 200v/p trong 2h. Trong suốt quá trình, đo pH của phản ứng ở 70oC. Sản phẩm phản ứng được đem đi lọc và rửa 2 lần, mỗi lần với 50ml nước nhằm loại bỏ hoàn toàn ion PO43- và Ca2+. Bột được sấy khô ở 90oC sau đó gia nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau trong lò luyện với tốc độ nâng nhiệt 5oC/ph.
Sóng siêu âm có tác dụng khuấy trộn các hạt kích thước nhỏ cỡ nano, làm hiệu suất phản ứng tăng lên. Phương pháp tổng hợp ướt Phương pháp thủy nhiệt Nhỏ dung dịch H3PO4 vào dung dịch Ca(OH)2 dạng sữa, hấp ở 70oC trong 2h. Sản phẩm phản ứng được đem đi lọc và rửa 2 lần, mỗi lần với 50ml nước nhằm loại bỏ hoàn toàn ion PO43- và Ca2+. Bột được sấy khô ở 90oC sau đó gia nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau trong lò luyện với tốc độ nâng nhiệt 5oC/ph.
Tổng hợp HA trong hệ thống thủy nhiệt tại nhiệt độ 275oC, dưới áp suất hơi nước 12000psi. Ngoài ra, β-TCP Ca3(PO4)2 và tetracalcium phosphate (TTCP), Ca4P2O9 hay Ca4(PO4)2O có thể dễ dàng biến đổi thành HA bằng phương pháp thủy nhiệt ở cùng điều kiện trên. Do đó bột HA thu được có độ tinh khiết rất cao. Calcium cacbonate (CaCO3) khi phản ứng với một lượng thích hợp CaHPO4 hay (NH4)2HPO4 cũng tạo thành HA: 4CaCO3+6CaHPO4= Ca10(PO4)6(OH)2 ↓+6H2O+4CO2 9 Thực hiện: Văng Nguyễn Hoàng Vân GVHD: TS.
Phạm Trung Kiên Chế tạo giá thể composite y sinh HA/Wollastonite và đánh giá khả năng tăng sinh tế bào trên giá thể 10CaCO3+10(NH4)2HPO4= Ca10(PO4)6(OH)2 ↓+H2O+CO2 Phương pháp sol-gel Thí nghiệm của C.Munguía trên cơ sở phản ứng: 10Ca(NO3)2.4H2O+6(C2H5O)3P(O)+20CH3O(CH2)2OH= Ca10(PO4)6(OH)2↓ Trong huyền phú xảy ra quá trình biến đổi sol-gel khi gia nhiệt tạo HA kích thước hạt nhỏ mịn. Ngoài ra còn có thể tổng hợp HA bằng phương pháp sol-gel với các tiền chất như calcium nitrate, ammonium hydrogen phosphate.
