Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong phẫu thuật chỉnh hình và cố định xương gãy, các vật liệu kim loại trơ về mặt hóa học như titan, hợp kim titan (TiN, $\text{TiO}_2$, Ti6Al4V) và thép không gỉ 316L (TKG316L) được ứng dụng làm nẹp vít xương. Tại Việt Nam, nẹp vít xương chế tạo từ thép không gỉ 316L được sử dụng phổ biến do giá thành thấp hơn nhiều so với titan và hợp kim của titan. Tuy nhiên, thép không gỉ 316L khi tiếp xúc lâu dài với dịch sinh lý cơ thể người bộc lộ những hạn chế về khả năng chịu ăn mòn và độ tương thích sinh học. Quá trình ăn mòn cục bộ giải phóng các hợp chất chứa crôm, niken vào mô xung quanh, có nguy cơ gây độc tế bào xương, dị ứng, loãng xương cục bộ và phù nề tại vị trí tiếp xúc giữa nẹp vít và mô xương.

Để hạn chế hiện tượng ăn mòn và kích thích quá trình liền xương, giải pháp phủ màng hydroxyapatit ($\text{Ca}_{10}(\text{PO}_4)_6(\text{OH})_2$ - HAp) lên bề mặt thép không gỉ 316L đã được nghiên cứu. HAp là thành phần khoáng chính trong xương (chiếm 25–75% khối lượng, 35–65% thể tích) và răng của động vật có vú. Màng HAp tổng hợp nhân tạo có khả năng liên kết sinh học trực tiếp với mô xương non và che chắn nền kim loại. Tuy nhiên, màng HAp đơn chất thuần khiết có độ hòa tan tương đối cao trong môi trường sinh lý và độ bền cơ lý hạn chế.

Để khắc phục nhược điểm này, việc pha tạp các ion vi lượng tự nhiên trong xương như $\text{Na}^+$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Sr}^{2+}$, $\text{F}^-$ giúp điều chỉnh độ hòa tan, cải thiện độ bám dính và thúc đẩy hoạt tính sinh học. Bên cạnh đó, nhằm giải quyết nguy cơ nhiễm trùng hậu phẫu, các nguyên tố có hoạt tính kháng khuẩn như $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Ag}^+$, $\text{Zn}^{2+}$ được đưa vào mạng tinh thể HAp để ức chế sự bám dính và phát triển của vi sinh vật. Tại Việt Nam, trước thời điểm nghiên cứu, các công trình về HAp chỉ dừng lại ở dạng bột, gốm xốp, compozit hoặc màng HAp nguyên chất, chưa có công bố về màng HAp pha tạp. Trên thế giới, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc pha tạp riêng rẽ từng nguyên tố đơn lẻ mà chưa kết hợp pha tạp đồng thời đa nguyên tố vi lượng và kháng khuẩn trên cùng một lớp màng.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu chính:

  1. Chế tạo màng NaHAp pha tạp riêng rẽ và pha tạp đồng thời các nguyên tố vi lượng: magiê, stronti, flo, đồng, bạc và kẽm trên nền thép không gỉ 316L đáp ứng yêu cầu ứng dụng làm nẹp vít xương.
  2. Nghiên cứu các đặc trưng hóa lý, đánh giá độc tính tế bào, khả năng kháng khuẩn và khả năng tương thích sinh học của màng NaHAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố nêu trên.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Nền kim loại: Thép không gỉ 316L dạng tấm ($1 \times 10 \times 0,2\text{ cm}$, giới hạn diện tích làm việc $1\text{ cm}^2$) và nẹp vít xương đùi ($5 \times 1 \times 30\text{ mm}$ và $1 \times 1 \times 2\text{ mm}$).
    • Lớp màng phủ và dạng bột: Màng/bột HAp thuần, NaHAp, HAp pha tạp riêng lẻ (MgNaHAp, SrNaHAp, FNaHAp, CuNaHAp, AgNaHAp, ZnNaHAp), màng pha tạp hệ 4 nguyên tố (MgSrFNaHAp, CuAgZnNaHAp) và màng pha tạp đồng thời 7 nguyên tố vi lượng (HApđt: Mg, Sr, F, Na, Cu, Ag, Zn).
    • Tế bào và vi sinh vật: Tế bào sợi (Viện Bỏng Quốc gia); các chủng vi khuẩn Escherichia coli (ATCC-25922), Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa.
    • Động vật thực nghiệm: Chó thực nghiệm khỏe mạnh.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát các thông số công nghệ điện hóa catôt và trao đổi ion; đánh giá đặc tính hóa lý, cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, độ bám dính, khả năng chống ăn mòn trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF); thử nghiệm độc tính in vitro, thử nghiệm kháng khuẩn và thử nghiệm tương thích sinh học in vivo trên mô cơ và mô xương đùi chó trong thời gian từ 1 đến 3 tháng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Tác giả đã tổng hợp các hướng nghiên cứu về vật liệu HAp và HAp pha tạp theo các nhóm công trình:

  • Phương pháp chế tạo màng HAp trên kim loại: Các phương pháp vật lý như phun plasma (PSHA) [6, 39, 40], phún xạ magnetron [41–43], mạ xung laze [44–46], bốc bay chân không [47]; phương pháp hồ quang điện [38, 48]; phương pháp điện di [33, 49, 50]; phương pháp sol-gel [1, 51, 52]; và phương pháp kết tủa điện hóa [28, 29, 33, 36, 49, 52]. Nghiên cứu chỉ ra phương pháp điện hóa có ưu thế về nhiệt độ thấp, hệ phản ứng đơn giản, dễ kiểm soát chiều dày màng, độ tinh khiết và độ bám dính cao.
  • Pha tạp nguyên tố đơn lẻ vào HAp:
    • Natri (Na): Nghiên cứu pha tạp Na lên nền C/C bằng phương pháp áp dòng catôt của nhóm tác giả [55] cho thấy màng NaHAp thúc đẩy sự phát triển của tế bào tạo xương MC3T3-E1 nhanh hơn HAp thuần.
    • Magiê (Mg): Yajing Yan và cộng sự [57] chế tạo màng MgHAp trên nền Ti bằng phương pháp điện hóa từ dung dịch chứa $\text{Ca(NO}_3)_2\text{ }0,036\text{ M} + \text{NH}_4\text{H}_2\text{PO}_4\text{ }0,025\text{ M} + \text{Mg(NO}_3)_2\text{ }0,0084\text{ M}$ ($\text{pH} = 4,2$; $65^\circ\text{C}$; $0,85\text{ mA/cm}^2$), cho độ bám dính $18,1\text{ MPa}$ (cao hơn mức $17,3\text{ MPa}$ của HAp thuần) và tăng khả năng kết dính tế bào [56].
    • Stronti (Sr) và Flo (F): Kaihui Nan và cộng sự [60] tổng hợp màng SrHAp trên nền Ti bằng phương pháp hồ quang điện ($400\text{ V}$, $0,5\text{ A/cm}^2$). Công trình [59] tổng hợp màng SrFHAp trên Ti bằng phương pháp điện hóa tạo pha $\text{Ca}{9,5}\text{Sr}{0,5}(\text{PO}4)6(\text{OH}){1,35}\text{F}{0,65}$, làm giảm mật độ dòng ăn mòn $i_{\text{corr}}$ trong dung dịch SBF 24 lần so với nền Ti và hơn 5 lần so với HAp/Ti.
    • Đồng (Cu), Bạc (Ag), Kẽm (Zn): Yong Huang và cộng sự [65] chế tạo màng CuSrHAp trên Ti chống ăn mòn và diệt khuẩn E. coli. Các công trình [64, 70, 71] nghiên cứu màng nano AgHAp có khả năng ức chế 98% S. aureus và hơn 99% E. coli. Nghiên cứu [73] khảo sát hạt nano ZnHAp chứa 1,6% Zn và màng ZnHAp điện di trên TKG304 có độ bám dính $16,9 \pm 1,9\text{ MPa}$. Nghiên cứu [74] xác nhận màng ZnFHAp ức chế vi khuẩn P. gingivalis tốt hơn màng FHAp.
  • Nghiên cứu thử nghiệm sinh học: Thử nghiệm in vivo của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) trên chân chó [77] so sánh vật liệu Ti6Al4V không phủ, phủ màng PSHA và màng EDHA. Sachiko Hiromoto và cộng sự [78] cấy vật liệu hợp kim magiê AZ31 phủ màng OCP và HAp dưới da chuột chuyển gen sau 16 tuần, chứng minh màng HAp làm giảm tỷ lệ ăn mòn 20% và không gây phản ứng viêm.
  • Tình hình nghiên cứu trong nước:
    • Bộ môn Hóa vô cơ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tổng hợp bột HAp kết tủa hóa học [13, 87, 88] và màng HAp/PVA [89].
    • TS. Đỗ Ngọc Liên (Viện Công nghệ xạ hiếm) nghiên cứu bột, gốm xốp và màng sol-gel [90, 91].
    • Cố TS. Đào Quốc Hương (Viện Hóa học) nghiên cứu bột HAp và gốm xốp [12, 92].
    • TS. Vũ Duy Hiển tổng hợp HAp đơn pha từ mai mực bằng thủy nhiệt [93].
    • PGS. Nguyễn Kim Ngà (Đại học Bách khoa Hà Nội) tổng hợp compozit PDLA/HAp thử nghiệm tế bào MG63 [89].
    • PGS. Đinh Thị Mai Thanh (Viện Kỹ thuật nhiệt đới) và cộng sự tổng hợp màng HAp điện hóa trên TKG304, TKG316L, TiN, Ti, Co [94–98], bột HAp pha tạp Mg, Al, Ba xử lý nước [99–101] và compozit PLA/HAp cấy xương chân chó trong 3 tháng [102].

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Luận án giải quyết khoảng trống thực nghiệm về việc tích hợp đồng thời nhóm nguyên tố tăng cường hoạt tính sinh học, cải thiện độ bền cơ lý ($\text{Na}$, $\text{Mg}$, $\text{Sr}$, $\text{F}$) và nhóm nguyên tố kháng khuẩn ($\text{Cu}$, $\text{Ag}$, $\text{Zn}$) vào cấu trúc màng HAp trên nền thép không gỉ 316L bằng sự kết hợp giữa phương pháp điện hóa catôt và phương pháp trao đổi ion.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cấu trúc tinh thể HAp: Mạng tinh thể HAp thuộc hệ lục phương, nhóm không gian $P6_3/m$, hằng số mạng lý thuyết $a = b = 0,9417\text{ nm}$, $c = 0,6875\text{ nm}$, $\alpha = \beta = 90^\circ$, $\gamma = 120^\circ$. Khung phân tích dựa trên cơ chế thay thế đồng hình: các cation $\text{Na}^+$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Sr}^{2+}$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Ag}^+$, $\text{Zn}^{2+}$ thay thế vị trí của ion $\text{Ca}^{2+}$, và anion $\text{F}^-$ thay thế nhóm $\text{OH}^-$ trong ô mạng cơ sở mà không làm phá vỡ cấu trúc tinh thể chính của apatit.
  • Cơ chế phản ứng hình thành màng bằng phương pháp điện hóa catôt: Quá trình quét thế catôt làm tăng cục bộ pH tại bề mặt điện cực thông qua các phản ứng khử ion và phân hủy nước, tạo điều kiện cho phản ứng kết tủa HAp: $$\text{H}_2\text{PO}_4^- + 2\text{e}^- \rightarrow \text{PO}_4^{3-} + \text{H}_2$$ $$\text{H}_2\text{PO}_4^- + \text{H}_2\text{O} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2\text{PO}_3^- + 2\text{OH}^-$$ $$\text{H}_2\text{PO}_4^- + \text{OH}^- \rightarrow \text{HPO}_4^{2-} + \text{H}_2\text{O}$$ $$\text{HPO}_4^{2-} + \text{OH}^- \rightarrow \text{PO}_4^{3-} + \text{H}_2\text{O}$$ $$10\text{Ca}^{2+} + 6\text{PO}4^{3-} + 2\text{OH}^- \rightarrow \text{Ca}{10}(\text{PO}_4)_6(\text{OH})_2 \downarrow$$
  • Cơ chế trao đổi ion: Màng NaHAp sau khi tổng hợp được ngâm trong dung dịch chứa cation kim loại $\text{M}^{n+}$ ($\text{Cu}^{2+}$, $\text{Ag}^+$, $\text{Zn}^{2+}$), xảy ra quá trình thế chỗ ion $\text{Ca}^{2+}$ trong mạng tinh thể theo dung lượng trao đổi ion $q$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Chế tạo màng:
    • Phương pháp quét thế catôt (Potentiostat Autolab PGSTAT 30): Hệ 3 điện cực gồm điện cực làm việc TKG316L ($1\text{ cm}^2$), điện cực đối Platin ($1\text{ cm}^2$), điện cực so sánh calomen bão hòa (SCE). Khảo sát các dải quét thế ($0 \div -1,5\text{ V}$; $0 \div -1,7\text{ V}$; $0 \div -1,9\text{ V}$; $0 \div -2,1\text{ V/SCE}$), nhiệt độ ($25 \div 70^\circ\text{C}$), pH ($4,0 \div 5,5$), số chu kỳ quét ($1 \div 10$ chu kỳ) và tốc độ quét ($3 \div 7\text{ mV/s}$).
    • Phương pháp trao đổi ion: Ngâm mẫu NaHAp hoặc MgSrFNaHAp vào dung dịch muối nitrat $\text{Cu(NO}_3)_2$, $\text{AgNO}_3$, $\text{Zn(NO}_3)_2$ ở các nồng độ và khoảng thời gian tiếp xúc khác nhau ($2,5 \div 80$ phút) tại nhiệt độ phòng.
Loại màng Phương pháp tổng hợp Môi trường dung dịch Điều kiện công nghệ tối ưu
NaHAp Quét thế catôt $\text{D}_{\text{Na2}}$ ($\text{Ca(NO}_3)_2 + \text{NH}_4\text{H}_2\text{PO}_4 + \text{NaNO}_3$) $0 \div -1,7\text{ V/SCE}$; $50^\circ\text{C}$; 5 chu kỳ; $5\text{ mV/s}$; $\text{pH} = 4,5$
MgSrFNaHAp Quét thế catôt $\text{D}{\text{MgSrFNa}}$ ($\text{D}{\text{Na2}} + \text{Mg}^{2+} + \text{Sr}^{2+} + \text{NaF } 2\cdot 10^{-3}\text{ M}$) $0 \div -1,7\text{ V/SCE}$; $50^\circ\text{C}$; 5 chu kỳ; $5\text{ mV/s}$
MNaHAp Trao đổi ion $\text{Cu(NO}_3)_2$, $\text{AgNO}_3$, $\text{Zn(NO}_3)_2$ Nhiệt độ phòng; thời gian $30$ phút
HApđt Điện hóa + Trao đổi ion $\text{D}_{\text{MgSrFNa}}$ tiếp nối ngâm dung dịch $\text{Cu}^{2+} + \text{Ag}^+ + \text{Zn}^{2+}$ $30$ phút trao đổi ion tại nhiệt độ phòng
  • Phương pháp xác định thành phần, cấu trúc và tính chất cơ lý:
    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Thiết bị SIEMENS D5005 Bruker và D8 Bruker ($\text{Cu-K}_\alpha$, $\lambda = 1,54056\text{ \AA}$, góc quét $2\theta = 10^\circ \div 70^\circ$). Tính kích thước tinh thể qua công thức Scherrer: $D = \frac{0,9\lambda}{B\cos\theta}$.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Máy Nicolet 6700 và Nicolet 5700 (ép viên KBr, dải đo $4000 \div 400\text{ cm}^{-1}$).
    • Hình thái và nhám bề mặt: Kính hiển vi điện tử quét SEM Hitachi S4800; kính hiển vi lực nguyên tử AFM (CIRIMAT, xác định độ nhám $R_a$).
    • Phân tích thành phần nguyên tố: Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX JEOL 6490); phổ hấp thụ nguyên tử (AAS Perkin-Elmer 3300) xác định $\text{Ca}$, $\text{Na}$, $\text{Mg}$, $\text{Cu}$, $\text{Ag}$, $\text{Zn}$; phổ khối lượng plasma cảm ứng (ICP-MS ELAN 9000) xác định $\text{Sr}$; quang phổ UV-VIS (Biochrom S80, bước sóng $880\text{ nm}$ theo ISO 6878:2004) xác định $\text{P}$.
    • Độ bám dính và chiều dày: Kéo giật theo tiêu chuẩn ASTM D4541 (máy Positest ATA); đo biến dạng bề mặt Stylus theo tiêu chuẩn ISO 4288-1998 (hệ Alpha-Step IQ).
    • Đo độ hòa tan ion: Đo nồng độ $\text{Ca}^{2+}$ giải phóng trong dung dịch $\text{NaCl } 0,9%$ (16 ngày) và tổng nồng độ $\text{Fe}$ tan trong dung dịch SBF (28 ngày) bằng AAS.
  • Phương pháp đánh giá điện hóa chống ăn mòn trong dung dịch SBF:
    • Đo điện thế mạch hở ($E_{\text{ocp}}$) theo thời gian ngâm mẫu ở $37^\circ\text{C}$.
    • Phổ tổng trở điện hóa (EIS) trong dải tần số $100\text{ kHz} \div 10\text{ mHz}$, biên độ thế $\pm 10\text{ mV}$, theo dõi môđun $|Z|$ tại tần số $100\text{ mHz}$.
    • Đo đường cong phân cực phân tích ngoại suy Tafel trong khoảng thế $\pm 0,5\text{ V}$ quanh $E_0$ (tốc độ $1\text{ mV/s}$) để xác định thế ăn mòn $E_{\text{corr}}$, mật độ dòng ăn mòn $i_{\text{corr}}$ và tính hiệu quả bảo vệ: $$h = \frac{i_{\text{corr,vln}} - i_{\text{corr}}}{i_{\text{corr,vln}}} \times 100\text{ (%)} $$
  • Phương pháp thử nghiệm sinh học:
    • Thử nghiệm độc tính in vitro: Phương pháp nhuộm Trypan Blue (đếm tỷ lệ tế bào sống/chết trên buồng đếm Neubauer) và thử nghiệm chuyển hóa MTT đo mật độ quang OD tại bước sóng $570\text{ nm}$ sau 24, 48 và 72 giờ trên dòng tế bào sợi.
    • Thử nghiệm kháng khuẩn: Phương pháp khuếch tán đĩa thạch trên môi trường LB đặc đối với 3 chủng vi khuẩn E. coli, S. aureus, P. aeruginosa; đo bán kính vòng ức chế $BK = VK - LK$ (với $VK$ là đường kính vòng vô khuẩn, $LK$ là đường kính lỗ khoan thạch $10\text{ mm}$).
    • Thử nghiệm in vivo trên chó:
      • Cấy dưới da khối cơ đùi trước (mẫu $1 \times 1 \times 2\text{ mm}$, 3 nhóm $\times$ 6 con): theo dõi vết mổ, chỉ số huyết học (hồng cầu, bạch cầu, tiểu cầu), hóa sinh máu (GOT, GPT, Ure, Creatinin), phân tích đại thể và vi thể mô tạo vỏ xơ sau 4 tuần.
      • Ghép nẹp vít vào xương đùi (mẫu $5 \times 1 \times 30\text{ mm}$, 3 nhóm $\times$ 8 con): xét nghiệm huyết học và hóa sinh sau 7 và 30 ngày; chụp X-quang và phân tích mô bệnh học vi thể quá trình hình thành tế bào tạo xương sau 1, 2 và 3 tháng.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Phần mở đầu trình bày bối cảnh nghiên cứu về thực trạng ứng dụng nẹp vít thép không gỉ 316L trong chấn thương chỉnh hình tại Việt Nam, phân tích nguy cơ ăn mòn điện hóa giải phóng ion kim loại độc hại và sự cần thiết của lớp phủ màng HAp pha tạp đa nguyên tố. Tác giả xác lập rõ 2 mục tiêu nghiên cứu và 7 nội dung thực nghiệm cụ thể làm cơ sở triển khai luận án.

Chƣơng 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức lý thuyết và tổng quan tài liệu về:

  • Đặc tính của HAp: Tính chất vật lý (nhiệt độ nóng chảy $1760^\circ\text{C}$, nhiệt độ sôi $2850^\circ\text{C}$, độ tan trong nước $0,7\text{ g/L}$, khối lượng riêng $3,08\text{ g/cm}^3$, độ cứng Mohs bằng 5), dạng thù hình lục phương và đơn tà; tính chất hóa học (bền nhiệt dưới $800^\circ\text{C}$, phân hủy thành oxy-HAp ở $800 \div 1200^\circ\text{C}$, phân hủy thành $\beta\text{-TCP}$ và $\text{Ca}_4\text{P}_2\text{O}_9$ trên $1200^\circ\text{C}$); tính chất tương thích sinh học và dẫn xương.
  • Tổng quan các phương pháp chế tạo HAp: Tổng hợp dạng bột (kết tủa, sol-gel), dạng gốm xốp (thiêu kết bột HAp nén ép cùng PVA/naphtalen ở áp lực $110 \div 220\text{ MPa}$), dạng compozit sinh học (kết hợp polylactic, polyamit, collagen, chitosan), và dạng màng phủ trên nền kim loại.
  • Tác dụng sinh học của các nguyên tố pha tạp: Vai trò của $\text{Na}$ (chiếm $0,7%$ trong xương), $\text{Mg}$ (kích thích tạo xương, giảm độ hòa tan HAp), $\text{Sr}$ (ức chế hủy cốt bào, hàm lượng pha tạp tối ưu $3 \div 7%\text{ khối lượng}$), $\text{F}$ (tăng độ bền trong môi trường axit), $\text{Cu}$, $\text{Ag}$, $\text{Zn}$ (hoạt tính kháng khuẩn chống nhiễm trùng).
  • Thử nghiệm sinh học và ứng dụng: Tổng hợp các nghiên cứu thử nghiệm in vitro (dung dịch SBF, Ringer, dung dịch muối sinh lý, nuôi cấy tế bào MC3T3-E1), thử nghiệm in vivo trên động vật, cùng các ứng dụng của HAp làm thuốc bổ sung canxi nano, phục hình răng, mắt nhân tạo, xương nhân tạo và nẹp vít xương. Đánh giá tình hình nghiên cứu trong nước để định vị tính mới của đề tài.

Chƣơng 2: Thực nghiệm và các phƣơng pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm, hóa chất sử dụng và thiết bị phân tích:

  • Chuẩn bị nền và hóa chất: Thép không gỉ 316L chứa $17,98%\text{ Cr}$, $9,34%\text{ Ni}$, $2,15%\text{ Mo}$, $69,45%\text{ Fe}$ được gia công, xử lý bề mặt bằng giấy nhám từ cấp 320 đến 1200, tẩy siêu âm trong cồn và nước cất. Sử dụng các muối vô cơ tinh khiết của Merck.
  • Quy trình tổng hợp màng: Thiết lập thông số tổng hợp màng NaHAp, màng đơn pha tạp ĐNaHAp (Mg, Sr, F), màng MgSrFNaHAp bằng phương pháp quét thế catôt; quy trình trao đổi ion với các dung dịch $\text{Cu(NO}_3)_2$, $\text{AgNO}_3$, $\text{Zn(NO}_3)_2$; và quy trình phối hợp hai phương pháp để tạo màng HAp pha tạp 7 nguyên tố (HApđt).
  • Thiết lập các phép đo: Chi tiết hóa quy trình đo quét thế động phân cực Tafel, đo $E_{\text{ocp}}$, đo phổ tổng trở EIS; quy trình tính dung lượng trao đổi ion $q = \frac{(C_0 - C)V}{m}$; phương pháp phân tích XRD, FT-IR, SEM, AFM, EDX, AAS, ICP-MS, UV-VIS; tiêu chuẩn đo độ bám dính kéo giật ASTM D4541, đo chiều dày Stylus ISO 4288-1998; quy trình thử nghiệm tế bào (Trypan Blue, MTT), thử kháng khuẩn khuếch tán đĩa thạch và phẫu thuật cấy ghép in vivo trên mô cơ và xương đùi chó.

Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các số liệu và phân tích kết quả thực nghiệm:

  • Chế tạo và đặc trưng màng NaHAp:
    • Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ $\text{NaNO}_3$, khoảng quét thế, nhiệt độ ($25 \div 60^\circ\text{C}$), pH ($4,0 \div 5,5$), số chu kỳ quét ($3 \div 7$ chu kỳ) và tốc độ quét ($3 \div 7\text{ mV/s}$).
    • Điều kiện tối ưu xác định được: dung dịch $\text{D}{\text{Na2}}$, khoảng thế $0 \div -1,7\text{ V/SCE}$, nhiệt độ $50^\circ\text{C}$, $\text{pH} = 4,5$, 5 chu kỳ quét với tốc độ $5\text{ mV/s}$. Màng tạo thành có công thức phân tử $\text{Ca}{9,278}\text{Na}_{0,722}(\text{PO}_4)_6(\text{OH})_2$, kết tinh hệ lục phương, kích thước tinh thể đồng đều, độ bám dính nền đạt yêu cầu.
  • Chế tạo màng pha tạp Mg, Sr, F:
    • Xác định tỷ lệ nguyên tử $\text{X/Ca}$, $\text{Y/P}$ và công thức phân tử tương ứng cho từng loại màng đơn pha tạp ĐNaHAp.
    • Tổng hợp thành công màng MgSrFNaHAp từ dung dịch $\text{D}_{\text{MgSrFNa}}$ ở điều kiện tối ưu ($0 \div -1,7\text{ V/SCE}$, $50^\circ\text{C}$, 5 chu kỳ, $5\text{ mV/s}$). Phổ XRD và IR xác nhận cấu trúc apatit ổn định; phân tích EDX và AAS/ICP-MS cho thấy tỷ lệ nguyên tử các nguyên tố vi lượng xấp xỉ tỷ lệ trong xương tự nhiên. Ảnh AFM ghi nhận độ nhám bề mặt $R_a$ thích hợp cho sự bám dính tế bào.
  • Chế tạo màng pha tạp Cu, Ag, Zn bằng trao đổi ion:
    • Đánh giá động học dung lượng trao đổi ion $q$ theo thời gian tiếp xúc ($2,5 \div 80$ phút) và nồng độ dung dịch muối. Thời gian cân bằng trao đổi ion đạt được sau 30 phút.
    • Xác định công thức phân tử màng MNaHAp theo dạng $\text{Ca}_{9,278-x}\text{M}x\text{Na}{0,722}(\text{PO}_4)_6(\text{OH})_2$. Tổng hợp màng CuAgZnNaHAp và màng HApđt chứa đồng thời 7 nguyên tố ($\text{Mg}$, $\text{Sr}$, $\text{F}$, $\text{Na}$, $\text{Cu}$, $\text{Ag}$, $\text{Zn}$). Giản đồ XRD và phổ IR khẳng định pha tinh thể apatit không bị biến tính hay phá vỡ mạng sau quá trình trao đổi ion.
  • Kết quả thử nghiệm in vitro trong dung dịch SBF và dung dịch muối sinh lý:
    • Độ hòa tan Ca2+: Màng MgSrFNaHAp ngâm trong dung dịch $\text{NaCl } 0,9%$ trong 16 ngày có tốc độ giải phóng ion $\text{Ca}^{2+}$ chậm hơn màng NaHAp thuần.
    • Khả năng che chắn nền kim loại: Nồng độ sắt hòa tan từ nền TKG316L vào dung dịch SBF sau 28 ngày ngâm ở các mẫu phủ màng giảm mạnh so với mẫu TKG316L không phủ.
    • Đặc tính điện hóa: Kết quả đo $E_{\text{ocp}}$, phổ tổng trở Nyquist ($|Z|$ tại $100\text{ mHz}$) và đường cong phân cực Tafel sau 21 ngày ngâm trong SBF cho thấy thế ăn mòn $E_{\text{corr}}$ của mẫu phủ màng pha tạp dịch chuyển về phía dương, mật độ dòng ăn mòn $i_{\text{corr}}$ giảm rõ rệt, chứng minh hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn cao. Ảnh SEM sau 21 ngày xác nhận lớp khoáng apatit mới hình thành dày đặc trên bề mặt.
Mẫu vật liệu Thế ăn mòn $E_{\text{corr}}$ (V/SCE) Mật độ dòng ăn mòn $i_{\text{corr}}$ ($\mu\text{A/cm}^2$) Khả năng hình thành apatit sau 21 ngày ngâm SBF
TKG316L không phủ Âm hơn Cao Xuất hiện vết ăn mòn cục bộ
NaHAp/TKG316L Dịch chuyển về phía dương Giảm so với nền Hình thành lớp màng apatit
MgSrFNaHAp/TKG316L Dương nhất Thấp nhất Lớp apatit dày đặc, đồng nhất
  • Kết quả thử nghiệm tế bào và kháng khuẩn:
    • Độc tính tế bào: Thử nghiệm Trypan Blue và MTT trên tế bào sợi ở các nồng độ bột màng $0,1 \div 0,3%$ chứng minh vật liệu không gây độc tế bào, mật độ quang OD tăng dần sau 24, 48 và 72 giờ, tương đương lô đối chứng.
    • Hoạt tính kháng khuẩn: Bột NaHAp và MgSrFNaHAp không thể hiện tính kháng khuẩn; trong khi các mẫu chứa Ag, Cu, Zn và mẫu HApđt tạo vòng vô khuẩn ($BK$) ức chế rõ rệt sự phát triển của cả 3 chủng vi khuẩn E. coli, S. aureus và P. aeruginosa.
  • Kết quả thử nghiệm in vivo trên chó:
    • Cấy dưới da cơ đùi trước: Sau 4 tuần, vết mổ liền tốt, không có hiện tượng sưng mủ hay đào thải. Các chỉ số máu (hồng cầu, bạch cầu, tiểu cầu) và chỉ số men gan/thận (GOT, GPT, Ure, Creatinin) của nhóm cấy NaHAp và MgSrFNaHAp ổn định trong giới hạn sinh lý bình thường. Hình ảnh vi thể cho thấy mô liên kết tạo vỏ xơ mỏng bao quanh vật liệu, không gây viêm hoại tử.
    • Ghép nẹp vít vào xương đùi: Sau phẫu thuật 7 và 30 ngày, các chỉ số huyết học và sinh hóa máu duy trì ổn định. Kết quả mô bệnh học vi thể sau 1 tháng ghi nhận sự xuất hiện của các tạo cốt bào xung quanh vị trí cấy ghép; sau 2 tháng mật độ tế bào tạo xương tăng mạnh; sau 3 tháng hình thành cấu trúc xương hoàn chỉnh, gắn kết trực tiếp và chắc chắn với nẹp vít phủ màng MgSrFNaHAp, vượt trội so với mẫu nẹp TKG316L không phủ.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  1. Đóng góp về phương pháp chế tạo: Đã xác lập quy trình công nghệ kết hợp giữa phương pháp điện hóa catôt và phương pháp trao đổi ion để tổng hợp thành công màng hydroxyapatit pha tạp riêng rẽ và pha tạp đồng thời nhiều nguyên tố vi lượng ($\text{Na}$, $\text{Mg}$, $\text{Sr}$, $\text{F}$, $\text{Cu}$, $\text{Ag}$, $\text{Zn}$) trên nền thép không gỉ 316L.
  2. Đóng góp về đặc trưng vật liệu: Đã xác định được thành phần hóa học, tỷ lệ nguyên tử, công thức phân tử và cấu trúc tinh thể của các hệ màng NaHAp, MgSrFNaHAp, CuAgZnNaHAp và màng pha tạp 7 nguyên tố HApđt. Chứng minh được việc pha tạp không làm thay đổi hệ tinh thể lục phương của HAp mà tạo ra lớp màng có thành phần tương tự khoáng xương tự nhiên.
  3. Đóng góp về tính năng bảo vệ và hoạt tính sinh học: Chứng minh màng MgSrFNaHAp có khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho nền thép không gỉ 316L trong môi trường dịch cơ thể SBF, hạn chế sự hòa tan ion sắt từ nền, giảm độ hòa tan của màng trong dung dịch muối sinh lý, không gây độc tế bào sợi và kích thích tạo màng apatit sinh học mới.
  4. Đóng góp về tính năng kháng khuẩn: Chứng minh sự kết hợp của các ion $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Ag}^+$, $\text{Zn}^{2+}$ trong mạng HAp tạo cho màng khả năng kháng khuẩn đối với các chủng vi khuẩn gram âm và gram dương (E. coli, S. aureus, P. aeruginosa).
  5. Đóng góp về kiểm chứng in vivo: Đã hoàn thành thử nghiệm tiền lâm sàng trên động vật (chó), khẳng định vật liệu nẹp vít thép không gỉ 316L phủ màng MgSrFNaHAp tương thích sinh học tốt, an toàn huyết học/hóa sinh, không gây viêm nhiễm mô cơ và thúc đẩy nhanh quá trình hình thành xương mới hoàn chỉnh sau 3 tháng cấy ghép.

Kiến nghị và định hướng ứng dụng

  • Hoàn thiện quy trình công nghệ phủ màng quy mô thử nghiệm bán công nghiệp trên các chi tiết nẹp vít xương có hình dạng phức tạp.
  • Đề xuất tiến hành các bước thử nghiệm lâm sàng tiếp theo để hướng tới ứng dụng sản phẩm nẹp vít xương phủ màng HAp pha tạp trong phẫu thuật chấn thương chỉnh hình tại các cơ sở y tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Quá trình thử nghiệm in vivo trên động vật mới tiến hành đánh giá trên hai hệ màng chính là NaHAp/TKG316L và MgSrFNaHAp/TKG316L; màng pha tạp 7 nguyên tố (HApđt) mới dừng lại ở các đánh giá đặc trưng hóa lý, kháng khuẩn và in vitro.
  • Thời gian theo dõi cấy ghép xương trên chó dừng ở mốc tối đa 3 tháng; chưa đánh giá độ bền liên kết cơ học lâu dài của lớp phủ sau thời gian cấy ghép nhiều năm trong cơ thể.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng thử nghiệm in vivo đối với hệ màng pha tạp đầy đủ các nguyên tố kháng khuẩn (HApđt) trên mô hình động vật có gắn kèm yếu tố gây nhiễm khuẩn thực nghiệm.
  • Nghiên cứu độ bền mỏi cơ học và độ bền bám dính của lớp màng phủ trong điều kiện chịu tải trọng động mô phỏng vận động thực tế của xương người.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Hóa lý, Khoa học Vật liệu: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về phương pháp quét thế catôt kết hợp trao đổi ion để biến tính bề mặt vật liệu vô cơ; kỹ thuật xác định công thức phân tử vật liệu phức tạp qua hệ thống phân tích XRD, FT-IR, EDX, AAS, ICP-MS.
  • Đối với các nhà nghiên cứu Y sinh và Dược học: Cung cấp quy trình thử nghiệm đánh giá vật liệu cấy ghép chuẩn mực từ in vitro (đo điện hóa trong SBF, thử độc tính Trypan Blue, MTT, khuếch tán đĩa thạch) đến mô hình thực nghiệm in vivo trên động vật lớn (chó).
  • Đối với các kỹ sư chế tạo thiết bị y tế và nhà quản lý y tế: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao chất lượng và độ an toàn của nẹp vít xương thép không gỉ 316L, góp phần giảm chi phí điều trị trong phẫu thuật chấn thương chỉnh hình.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án phải kết hợp cả phương pháp điện hóa catôt và phương pháp trao đổi ion để tạo màng HAp pha tạp?

Phương pháp quét thế catôt cho phép lắng đọng lớp màng HAp và đưa các ion có thế khử âm như $\text{Na}^+$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Sr}^{2+}$ và anion $\text{F}^-$ vào mạng tinh thể ở nhiệt độ thấp ($50^\circ\text{C}$). Tuy nhiên, các ion kim loại có thế khử dương lớn như $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Ag}^+$, $\text{Zn}^{2+}$ rất khó pha tạp trực tiếp bằng điện hóa do dễ bị khử về dạng kim loại tự do trước khi tạo kết tủa phosphat. Do đó, tác giả sử dụng phương pháp trao đổi ion tiếp nối để đưa $\text{Cu}$, $\text{Ag}$, $\text{Zn}$ vào thế chỗ ion $\text{Ca}^{2+}$ trong mạng tinh thể mà không làm phá vỡ cấu trúc màng apatit.

2. Thành phần và điều kiện công nghệ tối ưu để tổng hợp màng NaHAp là gì?

Màng NaHAp được tổng hợp tối ưu trong dung dịch $\text{D}_{\text{Na2}}$ gồm $\text{Ca(NO}_3)_2$, $\text{NH}_4\text{H}_2\text{PO}4$ và $\text{NaNO}3$ ở $\text{pH} = 4,5$; nhiệt độ $50^\circ\text{C}$; dải quét thế $0 \div -1,7\text{ V/SCE}$; 5 chu kỳ quét với tốc độ quét $5\text{ mV/s}$. Màng thu được có công thức phân tử $\text{Ca}{9,278}\text{Na}{0,722}(\text{PO}_4)_6(\text{OH})_2$.

3. Màng MgSrFNaHAp thể hiện khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho nền thép không gỉ 316L như thế nào trong môi trường dịch cơ thể giả lập (SBF)?

Trong dung dịch SBF ở $37^\circ\text{C}$, mẫu thép không gỉ 316L phủ màng MgSrFNaHAp có thế ăn mòn $E_{\text{corr}}$ dịch chuyển về phía dương hơn, mật độ dòng ăn mòn $i_{\text{corr}}$ giảm rõ rệt so với nền kim loại không phủ. Lớp màng ngăn chặn sự khuếch tán các ion gây ăn mòn, làm giảm đáng kể lượng ion sắt hòa tan vào dung dịch sau 28 ngày ngâm và thúc đẩy quá trình kết tinh lớp apatit sinh học mới trên bề mặt.

4. Kết quả cấy ghép nẹp vít phủ màng MgSrFNaHAp vào xương đùi chó sau 3 tháng cho thấy điều gì?

Sau 3 tháng cấy ghép trên xương đùi chó, các chỉ số huyết học (hồng cầu, bạch cầu, tiểu cầu) và hóa sinh máu (GOT, GPT, Ure, Creatinin) của động vật thực nghiệm đều ở mức sinh lý bình thường. Hình ảnh mô học vi thể xác nhận sự tăng sinh mạnh mẽ của các tạo cốt bào và hình thành cấu trúc xương mới hoàn chỉnh liên kết trực tiếp, bền vững với bề mặt nẹp vít phủ màng, không xuất hiện phản ứng viêm hay tiêu xương quanh nẹp vít.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Võ Thị Hạnh đã phát triển thành công quy trình công nghệ kết hợp giữa phương pháp quét thế catôt và trao đổi ion để chế tạo màng hydroxyapatit pha tạp đồng thời các nguyên tố vi lượng ($\text{Na}$, $\text{Mg}$, $\text{Sr}$, $\text{F}$) và nguyên tố kháng khuẩn ($\text{Cu}$, $\text{Ag}$, $\text{Zn}$) trên nền thép không gỉ 316L. Các kết quả đặc trưng cấu trúc khẳng định màng tạo thành giữ vững pha tinh thể lục phương của HAp với thành phần nguyên tố tương đương xương tự nhiên. Thử nghiệm toàn diện từ in vitro (dung dịch SBF, độc tính tế bào sợi, kháng khuẩn) đến in vivo (cấy ghép mô cơ và nẹp vít xương đùi chó trong 3 tháng) chứng minh vật liệu có khả năng chống ăn mòn cao, diệt khuẩn, an toàn sinh học và kích thích tái tạo xương hoàn chỉnh. Công trình cung cấp luận cứ khoa học và cơ sở thực nghiệm vững chắc cho định hướng ứng dụng lớp phủ HAp pha tạp đa nguyên tố trong sản xuất nẹp vít xương chỉnh hình.