CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hydroxyapatit 1. Tính chất của hydroxyapatit 1. Tính chất cấu trúc Hydroxyapatit (HAp) tồn tại ở hai dạng cấu trúc là dạng lục phương (hexagonal) và dạng đơn tà (monoclinic).
HAp dạng lục phương thường được tạo thành trong quá trình tổng hợp ở nhiệt độ từ 25 đến 100 oC. Dạng đơn tà chủ yếu được tạo ra khi nung HAp dạng lục phương ở 850 oC trong không khí, sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hai dạng này giống nhau hoàn toàn về số lượng và vị trí của các vạch nhiễu xạ. Chúng chỉ khác nhau về cường độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cường độ yếu hơn các pic của dạng lục phương khoảng 1 % [29].
Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HAp có dạng hình lục phương, thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a = b = 0,9417 nm và c = 0,6875 nm, α = β = 90 o và γ = 120 o. Mỗi ô mạng cơ sở của tinh thể HAp gồm các ion Ca2+, PO và OH-. Đây là cấu trúc thường gặp của HAp tổng hợp, trong thành phần của xương và ngà răng [30, 31]. Công thức cấu tạo của phân tử HAp được thể hiện trên hình 1.1, phân tử HAp có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca – O là liên kết cộng hoá trị.
Hai nhóm -OH được gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch [32]. Công thức cấu tạo của phân tử HAp [34] 1. Tính chất vật lý Hydroxyapatit (HAp) tồn tại ở trạng thái tinh thể, có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và 4 luan an trạng thái tồn tại [33]. HAp có nhiệt độ nóng chảy 1760 oC, nhiệt độ sôi 2850 oC, độ tan trong nước 0,7 g/L, khối lượng mol phân tử 1004,60 g, khối lượng riêng là 3,08 g/cm3 và độ cứng theo thang Mohs bằng 5.
Các tinh thể HAp tự nhiên và nhân tạo thường tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình sợi, hình cầu và hình trụ [2]. Tính chất hoá học [30] HAp phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1.1) HAp tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800 oC đến 1200 oC tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng (1.2) Ở nhiệt độ lớn hơn 1200 oC, HAp bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β – TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO. Tính chất sinh học HAp tự nhiên và HAp tổng hợp có cùng bản chất và thành phần hóa học. Chúng đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao.
Ở dạng bột mịn kích thước nano, HAp là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng (Ca/P = 1,67). Ở dạng màng và dạng gốm xốp, HAp có các đặc tính tương tự như xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi và mạch máu dễ dàng xâm nhập. Chính vì vậy, vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xương tốt và có thể tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Ngoài ra, HAp là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao.
Hợp chất HAp tương đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày. Trong các 5 luan an pha canxi photphat thì pha HAp có khả năng phân hủy chậm nhất nên các tế bào xương có thời gian để hoàn thiện và phát triển. Điều này dẫn đến khả năng ứng dụng trong y học của HAp là nhiều nhất [34-36]. Các phương pháp chế tạo màng hydroxyapatit Hiện nay, các vật liệu được sử dụng phổ biến để thay thế hay nối ghép các bộ phận xương bị hư hỏng trong ngành phẫu thuật chấn thương chỉnh hình như thép không gỉ, titan, hợp kim của titan (Ti6Al4V) và hợp kim của coban (CoNiCrMo).
Mặc dù các vật liệu này có độ bền cơ lý cao, tuy nhiên trong một số trường hợp cấy ghép cụ thể chúng vẫn bị ăn mòn, gây ra những tác động không mong muốn đến bệnh nhân. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học với mục đích nâng cao chất lượng cuộc sống, các nhà khoa học vật liệu và nhà y học đã nghiên cứu, chế tạo màng hydroxyapatit trên các vật liệu này. Mục đích của nghiên cứu này là tạo màng phủ tương thích sinh học HAp, để tăng hoạt tính sinh học của vật ghép, giúp quá trình liền xương nhanh hơn và thúc đẩy xương non phát triển. Màng HAp thường được phủ trên nền kim loại và hợp kim bằng phương pháp vật lý và phương pháp điện hóa.
Phương pháp vật lý Phương pháp vật lý là phương pháp tạo ra màng HAp từ ion hoặc chuyển pha. Các phương pháp này có ưu điểm là có thể dễ dàng chế tạo được màng HAp có chiều dày cỡ µm. Nhược điểm là màng có độ bám dính không cao với vật liệu nền, khó điều chỉnh được chiều dày của màng HAp, thực hiện ở nhiệt độ cao nên sản phẩm thường bị lẫn các tạp chất của vật liệu nền, HAp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao dẫn đến tỷ lệ Ca/P bị thay đổi. Một số phương pháp vật lý được sử dụng: phương pháp plasma, bốc bay chân không và phún xạ magnetron [2, 37].
Phương pháp điện hóa 6 luan an Phương pháp điện hóa là một phương pháp có nhiều ưu điểm trong việc chế tạo màng mỏng trên nền kim loại hoặc hợp kim ứng dụng trong y sinh. Kỹ thuật điện hóa là một kỹ thuật đơn giản cho phép tổng hợp màng HAp ở nhiệt độ thấp. Màng HAp tổng hợp được có độ tinh khiết cao, có độ bám dính tốt với nền và chúng ta có thể điều khiển được chiều dày màng theo mong muốn. Màng HAp có chiều dày cỡ nm được tổng hợp trên các vật liệu nền khác nhau bằng phương pháp điện hóa như: * Phương pháp điện di: Nguyên tắc của phương pháp điện di [38] dựa trên hiện tượng chuyển dịch tương đối của pha phân tán trong môi trường phân tán, dưới tác dụng của điện trường ngoài.
Pha phân tán là hạt HAp kích thước nano, môi trường phân tán là dung môi hữu cơ hoặc môi trường mô phỏng dịch thể của con người (SBF). Dưới tác dụng của điện trường phù hợp, các hạt huyền phù HAp tích điện âm và di chuyển về phía anôt để hình thành màng mỏng n – HAp (màng HAp có độ dày cỡ vài nanomet) trên bề mặt anôt với độ bám dính cao. Phương pháp điện di đã tạo được màng n-HAp có độ bám dính lớn hơn 60 MPa. Ưu điểm của phương pháp này là dễ dàng điều khiển quá trình, có thể tạo được các màng có độ dày như mong muốn và đặc biệt là màng có khả năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại.
* Phương pháp anôt hóa: Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vật liệu bằng kim loại làm anôt như platin, titan, thép không gỉ, hợp kim của titan Ti6Al4V, hợp kim của coban CoNiCrMo… trong dung dịch điện ly chứa các ion Ca2+ và PO. Dưới tác dụng của điện áp một chiều từ 250 - 350 V, trên anôt sẽ xảy ra hiện tượng phóng tia lửa điện tại các điểm dẫn điện tốt. Tại nơi này nhiệt độ có thể lên tới 103 - 104 độ Kenvin làm cho kim loại bị oxy hóa và nóng chảy tạo thành một lớp oxit với chiều dày khoảng 1 - 2 µm có độ xốp cao. Lớp oxit 7 luan an này có điện trở cao khi nguội và đóng rắn, làm cho hiện tượng tia lửa điện chuyển sang điểm có điện trở nhỏ hơn.
Thời gian anôt hóa diễn ra trong khoảng 30 phút tạo ra một khối oxit có độ xốp cao. Tại các mao quản của khối xốp này sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ các ion Ca2+ và PO , quá trình hình thành các tinh thể HAp phụ thuộc vào số lượng các mầm tinh thể trong khi phóng tia lửa điện và sự khuếch tán của các ion Ca2+ và PO đến bề mặt lớp oxit. * Phương pháp kết tủa catôt: Nguyên lý của phương pháp này là dùng tác nhân dòng điện để kết tủa HAp lên vật liệu nền kim loại và hợp kim trong dung dịch chứa muối của canxi và amoniphotphat. Điều kiện để kết tủa màng HAp là phải lựa chọn được thành phần dung dịch và điện thế hoặc dòng thích hợp.
Phương pháp này cho phép điều khiển được chiều dày màng và tổng hợp được màng có độ tinh khiết cao. Màng HAp tổng hợp trên một số nền kim loại và hợp kim như: TKG316L, TKG304, titan và hợp kim của crôm trong dung dịch chứa muối Ca2+, H PO (tỉ lệ Ca/P là 1,67) và NaNO3 0,1 M, pH được điều chỉnh bằng NH4OH tại những giá trị điện thế và dòng catôt khác nhau. Hình thái học, thành phần pha và thành phần hóa học của màng HAp tổng hợp bằng phương pháp kết tủa catôt phụ thuộc nhiều vào điều kiện tổng hợp và tính chất của vật liệu nền [5, 18, 25, 27, 39]. Vai trò và ứng dụng của hydroxyapatit HAp tổng hợp có thành phần và tính chất tương tự như HAp tự nhiên.
Do đó, HAp được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và tổng hợp dưới nhiều dạng khác nhau tùy theo mục đích ứng dụng của chúng. Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của HAp tuỳ theo dạng tồn tại của nó. Ứng dụng của hydroxyapatit dạng bột HAp dạng bột mịn, kích thước nano có chứa hàm lượng canxi trong thành phần tương đối lớn nên được ứng dụng chủ yếu để làm thuốc và thực phẩm chức năng bổ sung canxi [40]. Một vài năm trở lại đây, các nhà khoa học tiến hành tổng hợp vật liệu lai Ure-HAp được sử dụng làm phân bón nhả chậm nito cho cây trồng trong nông nghiệp [41].
Hydroxyapatit là nguồn cung cấp photpho dồi dào, khi được tích hợp với các hạt nano ure, nó cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu lai Ure-HAp trong nông nghiệp để duy trì năng suất và giảm lượng ure sử dụng cho cây trồng. Ứng dụng của hydroxyapatit dạng gốm xốp Vật liệu gốm xốp HAp 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 và không dị ứng.