MỞ ĐẦU Hydroxyapatit hay canxi hydroxyapatit (viết tắt HA) có công thức là Ca10(PO4)6(OH)2, còn có thể viết khác là Ca5(PO4)3OH. HA là thành phần chính của khoáng xƣơng và răng của ngƣời và động vật. HA có thể tồn tại ở các dạng: dạng bột, dạng màng, dạng khối xốp. Do có cùng bản chất và thành phần hoá học, HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tƣơng thích sinh học cao với các tế bào mô và cơ cùng nhiều ƣu điểm vƣợt trội khác.
Ở dạng màng và dạng khối xốp, HA có các đặc tính giống xƣơng tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập, có tính dẫn xƣơng tốt, tạo liên kết trực tiếp với xƣơng non dẫn đến sự tái sinh xƣơng nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Ở dạng bột mịn kích thƣớc nano, HA là dạng canxi photphat dễ đƣợc cơ thể hấp thụ nhất với tỉ lệ Ca/P trong phân tử đúng nhƣ tỉ lệ trong xƣơng và răng. Do lƣợng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tƣơng đối thấp nên rất cần bổ sung canxi cho cơ thể. Hợp chất HA tƣơng đối bền với dịch và men tiêu hoá trong cơ thể ngƣời.
Vì những đặc tính này, bột HA kích thƣớc nano đƣợc dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao. Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể ngƣời và có tính kháng khuẩn cao. Ở nƣớc ta từ năm 2005, phòng Hóa vô cơ - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cũng đã thực hiện các nghiên cứu về tổng hợp vật liệu HA ở hai dạng là dạng bột và dạng xốp hƣớng đến việc ứng dụng chúng trong lĩnh vực dƣợc học và y sinh học và hiện nay là nơi cung cấp bột HA kích thƣớc nanomet để sản xuất một số thực phẩm chức năng bổ sung canxi nhƣ Fecafovit, Caotot, Growbust, Viên dƣỡng khớp… Để nâng cao hơn nữa khả năng hấp thụ HA của cơ thể, một xu hƣớng mới là gắn HA ở các dạng lên các polyme, đặc biệt là các polyme có hoạt tính sinh học cao, dƣới dạng vật liệu compozit. Trong các vật liệu này, các nhóm chức photphat và hydroxy của HA tạo liên kết với các nhóm chức của polyme.
Mặt khác, các nhóm chức của polyme có khả năng liên kết tốt với các tế bào sinh học, nâng cao hơn nữa tính tƣơng thích sinh học của vật liệu và khả năng hấp thụ của cơ thể. Các polyme đang đƣợc tập trung nghiên cứu theo hƣớng này là các 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com polyme tự nhiên nhƣ: chitosan, collagen, gelatin hay các polyme tổng hợp nhƣ poly (lactide-co-galactide) hoặc polycaprolactone. Compozit của HA và polyme là vật liệu đầy hứa hẹn cho việc thay thế xƣơng và ghép mô, không những vì vật liệu “bắt chƣớc” giống nhất thành phần của xƣơng thật. Trong đó, vật liệu tự nhiên hay tổng hợp tƣơng thích và phân hủy sinh học đƣợc sử dụng làm khung cho sự phát triển xƣơng, sau đó nhờ quá trình phân hủy sinh học, các polyme sẽ bị hòa tan và bị cơ thể thải loại.
Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa HA nói trên đang đƣợc tiến hành theo hai hƣớng chính. Hƣớng thứ nhất là tổng hợp HA ở dạng bột với kích thƣớc khác nhau, sau đó phân tán HA vào mạng lƣới polyme bằng phƣơng pháp cơ học hoặc phƣơng pháp siêu âm. Hƣớng thứ hai là tổng hợp trực tiếp HA trong mạng lƣới polyme. Vì vậy, để góp phần nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit chứa HA và tinh bột sắn theo hƣớng thứ hai, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Tổng hợp và khảo sát một số đặc trưng của vật liệu compozit giữa canxi hydroxyapatit (HA) và tinh bột sắn (tapioca)”.
2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1. Tính chất của HA 1. Tính chất vật lí HA nguyên chất thƣờng tồn tại ở dạng tinh thể và thƣờng có màu sắc: trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ. Nhiệt độ nóng chảy của HA vào khoảng 1760oC, nhiệt độ sôi khoảng 2850oC, độ hòa tan trong 1 lít nƣớc (ở điều kiện thƣờng) là 0,7 g; trọng lƣợng phân tử: 1004,60 g; trọng lƣợng riêng: 3,156 g/cm3; độ cứng theo thang Mohs bằng 5.
Tùy vào điều kiện hình thành mà hình dạng của các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo có thể tồn tại ở các dạng khác nhau nhƣ: hình que, hình kim, hình vảy, hình sợi hoặc hình cầu [37].1: Ảnh SEM của các dạng tinh thể HA a. Dạng hình que b. Dạng hình trụ c. Dạng hình cầu d.
Dạng hình sợi e. Dạng hình vảy f. Dạng hình kim HA tồn tại ở hai dạng cấu trúc là dạng lục phƣơng (hexagonal) và dạng đơn tà (monoclinic). HA dạng lục phƣơng thƣờng đƣợc tạo thành trong quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 đến 100oC, còn dạng đơn tà chủ yếu đƣợc sinh ra khi nung dạng lục phƣơng ở 850oC trong không khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng.
Trên giản đồ nhiễu xạ tia X thì hai dạng này giống nhau hoàn toàn về số lƣợng và vị trí của vạch nhiễu xạ và chỉ khác nhau về cƣờng độ vạch nhiễu xạ. Dạng đơn 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tà cho các vạch nhiễu xạ có cƣờng độ yếu hơn các vạch nhiễu xạ của dạng lục phƣơng khoảng 1% [57]. Tính chất hóa học Hình 1.2: Công thức cấu tạo của phân tử HA. Công thức cấu tạo của HA đƣợc thể hiện trên hình 1.
Có thể nhận thấy phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca – O là liên kết cộng hóa trị. Hai nhóm –OH đƣợc gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch [60]. Hợp chất HA có các tính chất hóa học nhƣ sau: - Phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nƣớc.1) - Bị phân hủy bởi nhiệt độ: + Từ 800oC đến 1200oC: Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 ≤ x ≤ 1) (1. Tính chất sinh học HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tƣơng thích sinh học cao do có cùng bản chất và thành phần hóa học.
HA ở dạng bột mịn kích thƣớc nano, là dạng canxi photphat dễ đƣợc cơ thể hấp thu hơn vì tỉ lệ Ca/P trong phân tử đúng nhƣ tỉ lệ trong xƣơng và răng [50]. HA ở dạng màng và dạng xốp đều có thành phần hóa học và các đặc tính của HA giống xƣơng tự nhiên, có các lỗ xốp liên thông với nhau vì thế mà các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập và di chuyển. Chính vì vậy mà các tế bào và mô có tính tƣơng thích sinh học cao với loại vật liệu này. Ngoài ra, nó còn có tính dẫn xƣơng tốt nên có khả năng liên kết 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trực tiếp với xƣơng non dẫn đến sự tái sinh xƣơng ở chỗ khuyết tật nhanh mà không bị cơ thể đào thải.
Ngoài ra, đối với cơ thể ngƣời HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng và có tính sát khuẩn cao [32]. Với dịch men tiêu hóa trong dạ dày có chứa nhiều dung dịch axit nhƣng hợp chất HA tƣơng đối bền và ít bị ảnh hƣởng. Cơ thể ngƣời hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lƣỡi và thực quản HA ở dạng bột mịn kích thƣớc nano. Vì những đặc tính này, bột HA kích thƣớc nano đƣợc dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao [61].
Vai trò và ứng dụng của các dạng HA khác nhau 1. Ứng dụng ở dạng khối xốp Theo tài liệu [6], vật liệu HA ở dạng khối xốp có nhiều lỗ xốp liên thông với nhau nên tạo điều kiện dễ dàng cho mô sợi và mạch máu xâm nhập. Chúng còn có khả năng vận chuyển và phân tán một số loại thuốc nhƣ insulin, vitamin,… trong ruột, bảo vệ dƣợc phẩm tránh tƣơng tác với các tác nhân khác trên đƣờng vận chuyển trong cơ thể. Do vậy, HA đƣợc ứng dụng rộng rãi trong y sinh học: - Chế tạo răng giả và sửa chữa các khuyết tật của răng [46].3: Quá trình tạo lớp men HA trên bề mặt răng - Chế tạo mắt giả [50].4: HA xốp tổng hợp từ san hô được sử dụng làm mắt giả 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cấu trúc HA xốp đƣợc tổng hợp từ san hô thƣờng xốp, bền vững, nhẹ và đặc biệt là có khả năng thích ứng cao với cơ thể.
Ứng dụng HA xốp đã khắc phục đƣợc hiện tƣợng sụp mi do trọng lƣợng, hạn chế các phản ứng của cơ thể và làm tăng thời gian sử dụng mắt giả [39]. - Làm chất dẫn xƣơng cho đoạn xƣơng gẫy khuyết nhanh liền. - Chế tạo những chi tiết ghép và sửa chữa khuyết tật của xƣơng [75].5: Sửa chữa khuyết tật xương bằng gốm HA dạng khối xốp hoặc dạng hạt - Ngoài ra, HA còn có một số ứng dụng khác nhƣ: làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học [21], làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [78].6: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau 1. Ứng dụng ở dạng màng Lớp màng HA chiều dày cỡ nano (màng n - HA) đƣợc phủ lên bề mặt vật liệu thay thế đã mang lại đƣợc một số ƣu điểm.
Nhƣng trên vật liệu nền, độ bám dính của lớp màng HA không bền chặt, do vậy tuổi thọ và phạm vi ứng dụng của chúng không cao [22]. Để cải thiện độ bám dính, ngƣời ta phủ lên các kim loại và hợp kim nền một lớp màng HA có chiều dày cỡ nanomet. Lớp màng này có độ bám dính cao với vật liệu nền (lớn hơn 60MPa) và rất bền theo thời gian. Có thể tăng cƣờng khả năng liên kết giữa xƣơng nhân tạo với mô và xƣơng tự nhiên bằng cách tạo ra những chi tiết xƣơng nhân tạo do công nghệ màng n – HA.
Những tiến bộ trong việc tạo màng n – HA, không những làm tăng tuổi thọ các chi tiết ghép mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng. Từ chỗ chỉ áp dụng 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cho ghép xƣơng hông tiến đến có thể ứng dụng ghép xƣơng đùi, xƣơng khớp gối và các vị trí khác. Ứng dụng ở dạng bột Việc sử dụng HA ở dạng bột mịn, kích thƣớc nanomet là một phƣơng pháp tƣơng đối hiệu quả để bổ sung canxi [49]. HA đƣợc hấp thụ trực tiếp vào cơ thể với kích thƣớc cỡ 20 – 200 nm mà không cần chuyển hóa thêm.
Mặt khác, ở dạng bột mịn kích thƣớc nano, HA đƣợc cơ thể ngƣời hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lƣỡi và thực quản, do vậy ít chịu ảnh hƣởng của dịch axit trong dạ dày.