MỞ ĐẦU Hydroxyapatit (HA) là thành phần chính trong chất khoáng sinh học của xương, răng và các mô cứng của động vật có xương sống. Chất khoáng sinh học chiếm 65-70% khối lượng của xương, nước chiếm khoảng 5-8% và phần còn lại là pha hữu cơ, mà chủ yếu là collagen. Collagen đóng vai trò là chất nền cho sự lắng đọng và tăng trưởng của pha tinh thể HA. Trong nhiều thập kỷ qua, việc nghiên cứu tổng hợp HA đã được các nhà khoa học vật liệu quan tâm do tính tương thích sinh học cao, gần gũi với các polyme sinh học và có khả năng tạo xương tốt.
Hiện nay, HA là vật liệu được lựa chọn cho các ứng dụng y sinh khác nhau, ví dụ: thay thế cho xương và các khuyết tật nha chu, cấy ghép tai giữa, hệ thống kỹ thuật mô, tác nhân truyền dẫn thuốc, điều trị bệnh loãng xương, vật liệu nha khoa và lớp phủ hoạt tính sinh học lên miếng cấy ghép xương bằng kim loại. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, vật liệu HA kích thước nanomet có tính tương thích, tái hấp thu và hoạt tính sinh học cao hơn nhiều so với vật liệu có kích thước micromet. Ở kích thước siêu mịn, các hạt nano HA có hoạt tính bề mặt cao do đó nhanh chóng giải phóng các ion canxi tương tự như apatit sinh học. Vì vậy, trong những năm gần đây, gốm sinh học và composit sinh học chứa HA kích thước nanomet rất được quan tâm nghiên cứu.
Một xu hướng mới hiện nay là chế tạo các nanocomposit mô phỏng sinh học, vật liệu lai vô cơ-hữu cơ với chất điền vào là HA và chất nền là các polyme. Trong các vật liệu nanocomposit HA/polyme, polyme đóng vai trò là chất nền cung cấp các vị trí tạo mầm, điều chỉnh sự phát triển và hình thái học của tinh thể nano HA. Sự hình thành liên kết hóa học giữa HA và polyme, như liên kết hydro, lực Van der Waals, hoặc phức chất cacboxyl-Ca-cacboxyl,… cho phép phân tán đồng đều HA trong pha hữu cơ. Các polyme tổng hợp như poly(L-lactic), poly(vinyl alcohol), poly(- caprolacton)… đã được sử dụng.
Tuy nhiên, polyme tự nhiên thường được ưa chuộng hơn do chúng tương thích, không độc, gần gũi với hệ sinh học. Chúng có 1 thể là các protein như: collagen, gelatin,… hoặc các polysaccarit như: chitosan, tinh bột, alginat, dextran, chondroitin sunfat và các dẫn xuất. Ở nước ta, từ năm 2005, đã có những công bố bước đầu nghiên cứu tổng hợp HA đơn chất dạng bột, xốp, màng định hướng ứng dụng trong dược học và y sinh học. Riêng vật liệu composit HA/polyme mới chỉ có một số ít nghiên cứu chế tạo composit chứa HA với chitosan, collagen, PLA.
Mặt khác, là một nước nhiệt đới, chúng ta có nguồn tinh bột từ ngũ cốc và alginat từ rong biển rất phong phú. Để tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước và góp phần tạo ra một loại vật liệu có nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng trong dược học và y sinh học, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng vật liệu nanocomposit giữa hydroxyapatit và một số polyme tự nhiên”. Mục tiêu của luận án Nghiên cứu tổng hợp được các composit chứa HA với một số polysaccarit từ ngũ cốc và rong biển Việt Nam: - HA/tinh bột, HA/tinh bột sắn; - HA/maltodextrin với các DE khác nhau; - HA/alginat và HA/oligoalginat. Xác định các đặc trưng và đưa ra được mối liên hệ giữa đặc trưng của composit HA/polyme và các thông số cấu trúc của polyme.
Nội dung của luận án Để hoàn thành các mục tiêu đề ra, luận án bao gồm các nội dung nghiên cứu sau: 1. Tổng hợp HA ở vùng nhiệt độ thấp (-15, -10, 0oC), nhằm làm giảm kích thước, độ tinh thể của HA và để so sánh với pha HA trong các vật liệu composit HA/polyme. Nghiên cứu chế tạo composit HA/tinh bột bằng hai phương pháp: phương pháp trộn và phương pháp kết tủa trực tiếp. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng của sản phẩm như tỉ lệ thành phần, nhiệt độ, dung môi, tốc độ cấp axit, sóng siêu âm, kỹ thuật làm khô.
Từ đó, lựa chọn phương pháp và điều kiện thích hợp để tổng hợp các composit tiếp theo. Tổng hợp các composit HA/tinh bột sắn, HA/maltodextrin với DE khác 2 nhau bằng phương pháp đã lựa chọn. Khảo sát ảnh hưởng của giá trị DE đến đặc trưng của các composit. Điều chế oligome của alginat, tổng hợp và khảo sát các đặc trưng của composit HA/alginat, HA/oligoalginat.
3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng và phương pháp điều chế Các muối canxi photphat (CaP) là thành phần khoáng trong xương và răng của động vật có xương sống [1-4]. Xương và các mô cứng khác có thể được xem là vật liệu composit tự nhiên gồm chất khoáng sinh học gắn trong chất nền polyme, các chất hữu cơ khác và nước [1, 3]. Pha khoáng sinh học là một hoặc nhiều loại muối CaP, chiếm 65-70% khối lượng của xương, nước chiếm khoảng 5-8% và phần còn lại là pha hữu cơ, mà chủ yếu là collagen [1-3, 5].
Collagen đóng vai trò là chất nền cho sự lắng đọng và tăng trưởng của các chất khoáng [1, 3, 6, 7]. Trong số các muối CaP, hydroxyapatit (HA) với công thức Ca10(PO4)6(OH)2 là thành phần chủ yếu của pha khoáng sinh học [2, 3]. Trong nhiều thập kỷ qua, việc nghiên cứu tổng hợp HA đã được các nhà khoa học vật liệu quan tâm do tính tương thích sinh học tuyệt vời [8, 9], gần gũi với các polyme sinh học [10, 11] và có khả năng dẫn xương tốt [12, 13]. HA đã được chứng minh là có thể thúc đẩy sự phát triển của xương mới thông qua cơ chế dẫn xương mà không gây ra độc tính cục bộ hoặc toàn thân, viêm hoặc dị ứng [12, 14-16].
Khi cấy ghép vật liệu gốm chứa HA vào cơ thể, một lớp mô mới được hình thành trên bề mặt của nó và góp phần vào sự liên kết của các mô cấy vào xương, dẫn đến định hình vượt trội mô cấy đến các mô xung quanh [14-17]. Hơn nữa, một số nghiên cứu cho thấy HA hoặc các muối CaP có thể được khai thác như một hợp chất mô hình để nghiên cứu quá trình khoáng hóa sinh học trong cơ thể con người [6, 7, 18-22]. Các nghiên cứu gần đây cũng đã chỉ ra rằng, các hạt HA ức chế sự phát triển của nhiều loại tế bào ung thư [23, 24]. Hiện nay, HA là vật liệu được lựa chọn cho các ứng dụng y sinh học khác nhau, ví dụ: thay thế cho xương và các khuyết tật nha chu [25, 26], ổ răng [27], cấy ghép tai giữa [28], hệ thống kỹ thuật mô [29], tác nhân truyền dẫn thuốc [30], điều trị bệnh loãng xương [31], vật liệu nha khoa và lớp phủ hoạt tính sinh học lên miếng cấy ghép xương bằng kim loại [32].
Ngoài lĩnh vực dược học và y sinh học, HA và các muối CaP ngày càng được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác. Ví dụ: chất xúc tác 4 cho các phản ứng cộng hợp kiểu Michael và oxy hóa metan [33, 34], nguyên liệu phát laser [35], vật liệu huỳnh quang [36], dây dẫn ion và cảm biến khí [37]. HA tổng hợp cũng có thể được sử dụng trong phương pháp sắc ký cột để tách phân đoạn đơn giản và nhanh chóng các protein và axit nucleic [38, 39]. Hơn nữa, HA còn là vật liệu có giá trị cho quá trình xử lý nước và hấp phụ kim loại nặng trong đất [40].
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vật liệu HA kích thước nanomet có tính tương thích, tái hấp thu sinh học và hoạt tính sinh học cao hơn nhiều so với vật liệu có kích thước micro [41, 42]. Bởi vì ở kích thước siêu mịn, các hạt nano HA có hoạt tính bề mặt cao, do đó nhanh chóng giải phóng các ion canxi tương tự như apatit sinh học. Ngoài ra, phản ứng khử khoáng ở men răng và xương có thể bị ức chế khi kích thước hạt đạt đến mức nanomet, vì thế ngăn ngừa bệnh sâu răng và loãng xương [43]. Một số nghiên cứu cũng cho thấy, nano HA có khả năng giảm đáng kể tế bào chết do tự hủy hoại nên cải thiện sự tăng sinh tế bào và hoạt tính tế bào liên quan đến sự phát triển xương [44].
Vì vậy, trong những năm gần đây, gốm sinh học và composit sinh học chứa HA kích thước nanomet được xem là các vật liệu hứa hẹn nhất cho một loạt các ứng dụng y sinh học [46-48]. Để phản ánh sự quan tâm ngày càng tăng trong việc nghiên cứu chế tạo vật liệu HA, M. Sadat-Shojai đã tìm kiếm các nghiên cứu trong cơ sở dữ liệu Scopus, kết quả cho thấy số lượng các ấn phẩm về các dạng vật liệu chứa HA tăng lên gấp ba lần từ năm 1999 đến 2011 [49]. Tuy vậy, việc điều chế HA với các đặc trưng xác định vẫn là một thách thức thú vị.
Cụ thể là tìm ra một phương pháp mới có thể kiểm soát chính xác cấu trúc tinh thể, thành phần hóa học, độ tinh thể hóa, sự phân bố kích thước, trạng thái kết tập vẫn là động lực chính cho các nhà nghiên cứu vật liệu chứa HA hiện nay trên thế giới [17, 48]. Đã có rất nhiều phương pháp tổng hợp HA được phát triển. Nhìn chung, có thể phân loại thành năm nhóm phương pháp: phương pháp khô bao gồm phản ứng pha rắn và hóa cơ; phương pháp ướt gồm kết tủa, sol-gel, nhũ tương, siêu âm, thủy nhiệt; quá trình nhiệt độ cao gồm phân hủy và thiêu kết; tổng hợp từ các nguồn gen sinh học và nhóm thứ năm kết hợp nhiều phương pháp. Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, có thể lựa chọn phương pháp điều chế phù hợp.
Để tổng hợp HA dạng bột, các phương pháp ướt thường được sử dụng, bởi 5 ưu điểm của nó là có thể điều chỉnh được kích thước của hạt theo mong muốn. Trong đó, phương pháp kết tủa hóa học được sử dụng nhiều nhất, chiếm đến 25% trong tổng số các nghiên cứu từ năm 1999 đến 2011 [49]. Có nhiều quy trình khác nhau để kết tủa HA từ các ion Ca2+ và PO43-, có thể phân ra thành hai cách chính: Thứ nhất là kết tủa từ các muối chứa ion Ca2+ và PO43- dễ tan trong nước, các muối hay được dùng là Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4… Phản ứng diễn ra theo phương trình (1.1) được coi là phương pháp cơ bản để tổng hợp HA [50]: 10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O (1.1) Thứ hai là kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan trong nước. Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3… với axit H3PO4 tạo thành HA trong môi trường kiềm [51].
