MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Hiện nay, vật liệu được sử dụng phổ biến trong ngành chỉnh hình với mục đích làm nẹp vít xương chủ yếu là các kim loại trơ về mặt hóa học như thép không gỉ 316L, titan và các hợp kim của titan như TiN, TiO2 và Ti6Al4V. Các vật liệu nẹp vít xương làm từ titan và hợp kim của titan có độ bền cơ lý cao và khả năng tương thích tốt nhưng giá thành của các sản phẩm này rất cao. Do đó, để giảm giá thành của các dịch vụ y tế, ở Việt Nam hiện nay hầu hết các nẹp vít xương đều được làm bằng thép không gỉ 316L.
Tuy nhiên, thép không gỉ 316L trong môi trường dịch cơ thể người thường bị hạn chế về khả năng chịu ăn mòn và tính tương thích sinh học. Khi tồn tại lâu trong cơ thể, thép không gỉ có thể xảy ra sự ăn mòn cục bộ và sản phẩm của quá trình ăn mòn là các hợp chất của crôm, niken, … gây độc cho các tế bào xương và gây dị ứng cho cơ thể [1]. Do đó, nhiều trường hợp nẹp vít xương làm bằng thép không gỉ sau một thời gian cấy ghép trong cơ thể có hiện tượng loãng xương và gây phù nề ở chỗ tiếp xúc giữa xương và nẹp vít. Vì vậy, để khắc phục những nhược điểm này các nhà khoa học đã nghiên cứu phủ lên nền thép không gỉ màng hydroxyapatit (HAp).
HAp tồn tại cả trong tự nhiên và nhân tạo. Trong tự nhiên, HAp là thành phần chính trong xương, răng và mô cứng của người và động vật có vú (trong xương, HAp chiếm khoảng 25-75% theo trọng lượng và 35-65% theo thể tích [2]). HAp tổng hợp có cấu trúc và hoạt tính sinh học tương tự HAp tự nhiên nên chúng có khả năng tương thích sinh học cao với các tế bào, các mô và không bị cơ thể đào thải. HAp được tổng hợp dưới các dạng khác nhau như dạng bột, dạng gốm, dạng compozit, dạng màng và ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y sinh.
Màng HAp được phủ lên nẹp vít xương và các vật liệu dùng trong cấy ghép xương nói chung có tác dụng kích thích tế bào xương phát triển, tăng độ bám dính và sự kết nối mạnh mẽ giữa xương vật chủ và vật liệu cấy ghép. Ngoài ra, màng HAp có khả năng bảo vệ kim loại nền chống lại sự ăn mòn trong môi trường sinh lý, hạn chế sự giải phóng ion kim loại từ nền vào môi trường. Tuy nhiên, màng HAp tổng hợp có độ hòa tan tương đối cao trong môi trường sinh lý và tính chất cơ lý kém. Nhược điểm này của HAp đã được các nhà 1 khoa học nghiên cứu và khắc phục bằng cách pha tạp vào màng HAp một số nguyên tố vi lượng có mặt trong cơ thể như magiê, natri, sronti, flo, kẽm … Việc pha tạp được thực hiện bằng cách thay thế ion Ca2+ bằng các cation và thay thế ion OH- bằng anion trong cấu trúc của HAp.
Các nguyên tố này khi được đưa vào màng HAp với hàm lượng thích hợp sẽ tạo màng HAp pha tạp có thành phần tương tự xương tự nhiên, làm tăng hoạt tính sinh học cho màng. Ngoài ra, vấn đề nhiễm trùng sau phẫu thuật cũng quyết định tới sự thành công của việc cấy ghép. Do đó các nguyên tố có khả năng kháng khuẩn như đồng, bạc và kẽm cũng được nghiên cứu để đưa vào màng HAp. Sự có mặt của Ag, Zn và Cu trong cấu trúc của HAp có khả năng làm giảm độ bám dính của vi khuẩn, ngăn ngừa sự hình thành màng sinh học, từ đó làm ức chế sự tăng trưởng của vi khuẩn [3, 4].
Chính vì các lý do này mà nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài luận án: “Tổng hợp và đặc trưng màng hydroxyapatit pha tạp một số nguyên tố vi lượng trên nền thép không gỉ 316L định hướng ứng dụng làm nẹp vít xương”. Mục tiêu của luận án: - Chế tạo thành công màng NaHAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố vi lượng: magiê, stronti, flo, đồng, bạc và kẽm trên nền thép không gỉ 316L đáp ứng yêu cầu làm nẹp vít xương. - Nghiên cứu các đặc trưng hóa lý, nghiên cứu đánh giá độc tính, khả năng kháng khuẩn và khả năng tương thích sinh học của màng NaHAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố trên. Nội dung nghiên cứu của luận án: Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu đề ra, nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm 7 nội dung chính sau: - Khảo sát lựa chọn các điều kiện thích hợp tổng hợp màng NaHAp và NaHAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố vi lượng: magiê, stronti và flo bằng phương pháp quét thế catôt, nghiên cứu đặc trưng hóa lý màng HAp pha tạp thu được.
- Khảo sát lựa chọn các điều kiện thích hợp để tổng hợp màng NaHAp với sự có mặt riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố vi lượng bạc, đồng, kẽm trên nền 2 TKG316L bằng phương pháp trao đổi ion, nghiên cứu đặc trưng hóa lý màng HAp pha tạp thu được. - Kết hợp đồng thời hai phương pháp: điện hóa và trao đổi ion để tổng hợp màng NaHAp pha tạp đồng thời các nguyên tố vi lượng: Mg, Sr, F, Cu, Ag và Zn. - Nghiên cứu hoạt tính sinh học của vật liệu: TKG316L, NaHAp/TKG316L, MgSrFNaHAp/TKG316L và MgSrFZnCuAgNaHAp/TKG316L trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF). - Nghiên cứu khả năng gây độc tế bào sợi của bột NaHAp, MgSrFNaHAp bằng 2 phương pháp: Trypan blue và MTT.
- Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của bột NaHAp, MgSrFNaHAp, AgNaHAp, CuNaHAp, ZnNaHAp và MgSrFZnCuAgNaHAp đối với 3 chủng khuẩn: P.faecalis bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch. - Đánh giá khả năng tương thích sinh học của các vật liệu TKG316L không phủ và có phủ màng NaHAp và MgSrFNaHAp trên cơ thể chó. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính chất của HAp 1.
Tính chất vật lý HAp có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, có nhiệt độ nóng chảy 1760 oC và 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, độ cứng theo thang Mohs bằng 5 [5]. Các tinh thể HAp thường tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình sợi, hình cầu, hình trụ (hình 1. Hình ảnh SEM của các tinh thể HAp [6] (a) - Dạng hình que (b) - Dạng hình trụ (c) - Dạng hình cầu (d) - Dạng hình sợi (e) - Dạng hình vảy (f) - Dạng hình kim HAp có hai dạng cấu trúc: dạng lục phương và dạng đơn tà. Dạng lục phương thường được tạo thành trong quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 oC đến 100 o C.
Dạng đơn tà chủ yếu được sinh ra khi nung 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 hoàn toàn giống nhau 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 so với dạng lục phương khoảng 1 % [7]. 4 HAp tự nhiên có trong xương và ngà răng cũng như HAp tổng hợp thường ở dạng lục phương, thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a, b, c tương ứng là 0,9417; 0,9417 và 0,6875 nm, α = β = 90 o và γ = 120 o.
Mỗi ô mạng cơ sở của tinh thể HAp gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- được sắp xếp như hình 1. Ca2+ PO43- OH- nh 1. Cấu trúc của HAp [7] Công thức cấu tạo của phân tử HAp được thể hiện trên hình 1. Có thể nhận thấy 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 [9].
Công thức cấu tạo của phân tử HAp [9] 1. Tính chất hóa học HAp không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành muối Ca2+: 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 ôxy - hydroxyapatit theo phản ứng: Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 x 1) (1.2) Ở nhiệt độ lớn hơn 1200 oC, HAp bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β- TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO: Ca10(PO4)6(OH)2 2β - Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O (1. Tính chất sinh học HAp là dạng canxi photphat có tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng, nên HAp nhân tạo có tính tương thích sinh học cao. Điều này dẫn đến khả năng ứng dụng cao của HAp trong y học.
Hợp chất HAp tương đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HAp được cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản [10]. Ở dạng màng, HAp có thành phần hoá học và các đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập. Chính vì vậy mà vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải [11].
Ngoài ra, HAp là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao [9]. Các phƣơng pháp tổng hợp HAp HAp tổng hợp có thành phần giống với HAp tự nhiên, có tính tương thích sinh học cao, do đó HAp được nghiên cứu tổng hợp ở nhiều dạng khác nhau như: dạng bột, dạng gốm xốp, dạng compozit và dạng màng. Dạng bột Bột HAp được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp kết tủa hóa học [12-15], phương pháp sol – gel [16],. Trong đó phương pháp kết tủa hóa học là phương pháp cơ bản để tổng hợp bột HAp, đi từ nguyên liệu ban đầu là các muối dễ tan trong nước như Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4 [12, 13], … theo phản ứng (1.5) hoặc theo phản ứng kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan trong nước như Ca(OH)2, CaO, CaCO3 với axit H3PO4 [14, 15] theo phản ứng (1.6): 10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH3 + 8 H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O (1.6) Hơn nữa, với phương pháp kết tủa hóa học dễ dàng tổng hợp bột HAp pha tạp bằng cách cho thêm muối NO3- của ion cần pha tạp vào dung dịch ban đầu theo phản ứng (1.