CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về Hydroxyapatite Hydroxyapatite (canxi hydroxyapatite, HAP) là một dạng apatit có chứa nhóm OH với công thức Ca5(PO4)3(OH) hay Ca10(PO4)6(OH)2. Trong cơ thể ngƣời và động vật, HAP là thành phần chính trong xƣơng chiếm đến 65–70 % khối lƣợng) và răng chiếm 99%). HAP có các đặc tính quý giá nhƣ: có hoạt tính và độ tƣơng thích sinh học cao với các tế bào và các mô; tạo liên kết trực tiếp với xƣơng non dẫn đến sự tái sinh xƣơng nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Do có cùng bản chất hoá học và cấu trúc, HAP là dạng canxi photphat dễ hấp thu nhất đối với cơ thể con ngƣời và có tỷ lệ Ca/P đúng nhƣ tỷ lệ Ca/P tự nhiên trong xƣơng và răng.
Các nhà nghiên cứu gần đây tập trung vào tổng hợp HAP ở các dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phƣơng pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để mở rộng khả năng ứng dụng của chúng. Ở dạng bột, HAP kích thƣớc nano (trong khoảng 20–100 nm) có thể nâng cao khả năng hấp thụ của cơ thể. HAP tự nhiên và nhân tạo ở dạng bột vi tinh thể cùng với một số khoáng chất khác đã đƣợc sử dụng trong bào chế thuốc chống loãng xƣơng và thực phẩm chức năng bổ sung canxi, xử lý các khuyết tật trong xƣơng do chấn thƣơng. Ngoài ra, HAP bột cũng có thể đƣợc dùng làm chất bổ sung canxi dƣới dạng nƣớc giải khát.
Ở dạng màng, HAP ở dạng lớp mỏng và siêu mịn phủ trên xƣơng nhân tạo có thể tăng cƣờng khả năng liên kết giữa xƣơng nhân tạo với mô và xƣơng tự nhiên. HAP dạng xốp đƣợc ứng dụng để sửa chữa các khuyết tật của xƣơng và răng, sử dụng làm chất truyền dẫn thuốc do bền trong các dịch sinh lý của cơ thể, có tác dụng nhả chậm các dƣợc chất đi kèm với nó. Bên cạnh các nghiên cứu ứng dụng HAP trong nghành dƣợc và vật liệu cấy ghép, HAP c n đƣợc sử dụng làm cột sắc ký để làm sạch và tách protein, peptide, và kháng 1 thể [1-3]. Tuy nhiên, HAP tinh khiết dạng hạt hay dạng bột đều không thể phân hủy trong cơ thể con ngƣời [4-5].2 Tính chất của HAPs a.
Tính chất vật lý Hydroxyapatite (HAP) có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tùy theo điều kiện h nh thành, kích thƣớc hạt và trạng thái tập hợp. HAP có nhiệt độ nóng chảy 1760 ºC và nhiệt độ sôi 2850 ºC, độ tan trong nƣớc 0,7 g/l, khối lƣợng mol phân tử 1004,60 g, khối lƣợng riêng là 3,156 g/cm3 và độ cứng theo thang Mohs bằng 5. Các tinh thể HAP tự nhiên và nhân tạo, tùy thuộc vào điều kiện hình thành mà có thể tồn tại ở các dạng hình que, hình kim, hình vảy,… [6]. Ảnh SEM của các tinh thể HAP a) Dạng h nh que, b) Dạng h nh trụ, c) Dạng h nh cầu, d) Dạng h nh sợi, e) Dạng h nh vảy và f) Dạng h nh kim [7].
Tính chất hoá học HAP phản ứng với các axit tạo thành muối canxi và nƣớc: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O HAP tƣơng đối bền nhiệt, bị phân hủy chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800 ºC đến 2 1200 ºC tạo thành oxy-hydroxyapatite theo phản ứng: Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 x 1) 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 Ca10(PO4)6(OH)2 3β–Ca3(PO4)2 + CaO + H2O c. Tính chất sinh học Do có cùng bản chất và thành phần hoá học với xƣơng tự nhiên, HAP tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tƣơng thích sinh học cao. Ở dạng bột mịn kích thƣớc nano, HAP là dạng canxi photphat dễ đƣợc cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng nhƣ tỷ lệ trong xƣơng và răng. Ở dạng màng và dạng xốp, HAP có thành phần hoá học và 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.
Chính vì vậy mà vật liệu này có tính tƣơng thích sinh học cao với các tế bào và mô, 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. Ngoài ra, HAP là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể ngƣời và có tính kháng khuẩn cao. Hợp chất HAP tƣơng đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hƣởng của dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thƣớc nano, HAP đƣợc cơ thể ngƣời hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lƣỡi và thực quản.
Vì những đặc tính này, bột HAP kích thƣớc nano đƣợc dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao.3 Ứng dụng của vật liệu HAP tinh thể Do có hoạt tính sinh học, có khả năng tƣơng thích với các cấu trúc xƣơng và có tính dẫn xƣơng tốt nên HAP có thể đƣợc dùng để ghép nối, sửa chữa khuyết tật của xƣơng trong cơ thể ngƣời bằng gốm HAP dạng khối xốp hoặc dạng hạt. HAP bột cũng có thể đƣợc sử dụng để bào chế các loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung canxi. 3 Công nghệ màng nano HAP đã tạo ra những chi tiết xƣơng nhân tạo có khả năng tự liên kết với mô và xƣơng tự nhiên, có tính tƣơng thích sinh học cao với cơ thể ngƣời. Ngoài ra, vật liệu HAP có khả năng làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc.
Một nghiên cứu sử dụng HAP để khảo sát sự truyền dẫn thuốc của nó đƣợc các nhà nghiên cứu ở một trƣờng đại học y khoa của Nhật, nhóm của Y.Shinto, tiến hành năm 1992 [7]. Trong nghiên cứu của Y. Shinto, hydroxyapatite đƣợc ép thành dạng khối với 2 kích thƣớc 10x10x10mm và 4x3x3mm, ủ ở 1200 ºC trong 2 giờ, sau đó cho thuốc kháng sinh vào lỗ nằm chính giữa khối tạo ra nhờ siêu âm và cuối cùng bít lại bằng keo -tricalcium phosphate. Thí nghiệm dẫn truyền thuốc đƣợc thực hiện trong ống nghiệm và trong cơ thể chuột.
Chất kháng sinh Gentamicin đƣợc giải phóng ra môi trƣờng ngoài đạt nồng độ cao nhất trong tuần đầu và sau tận 12 tuần mà khả năng giải phóng thuốc vẫn còn. Sự xuất hiện của HAP khắc phục đƣợc những hạn chế của các chất dẫn truyền thuốc trƣớc đó do các tính chất quan trọng: khả năng tƣơng thích sinh học cao, thời gian nhả thuốc k o dài, và phƣơng pháp tẩm không làm chất đƣợc mang bị biến tính nhiệt. Gần đây, ngƣời ta phát hiện HAP dạng xốp có khả năng vận chuyển và phân tán isulin trong ruột [8]. Nhiều nhà nghiên cứu cũng đã tập trung vào ứng dụng HAP làm tá dƣợc trong các ca phẫu thuật miệng, đặc biệt hữu dụng trong việc cải thiện các tính chất của cấy gh p nha.
Năm 2012, Masahiro và cộng sự đã phân tích một chất mới với HAP nano tinh thể đa h nh dùng trên bề mặt Titan vi ghồ ghề bằng sự kết hợp giữa phƣơng pháp phun lửa và ủ nhiệt tại nhiệt độ thấp [9]. Sau đó, phân tích dung lƣợng sinh học mà loại vật liệu này có thể chứa đƣợc nhằm tăng độ tƣơng thích trong cấy gh p xƣơng. Mô cấy Titian và mô cấy Titan vi ghồ ghề đã đƣợc bắn cát đƣợc nối với HAP cũng đƣợc phân tích bằng phƣơng pháp định lƣợng xƣơng y sinh trên chuột. Trong năm 2012, nhóm tác giả Y.Han đã nh n thấy những tính chất đặc biệt của HAP ở dạng nano và đã đƣa vào thử nghiệm ứng dụng làm màng lọc các tế bào hồng cầu.
Thí nghiệm đƣợc tiến hành dựa trên khảo sát sự phụ thuộc của việc kết tụ và hình 4 thái học của tế bào hồng cầu khi thay đổi kích thƣớc và điện tích của hạt HAP. Thí nghiệm dung huyết cũng đƣợc triển khai nhằm làm sáng tỏ khả năng tƣơng thích với máu. Các kết quả phân tích TEM và dung huyết đã chỉ ra bề mặt của HAP ở dạng nano có khả năng tích điện dƣơng, có khả năng liên kết với bề mặt tích điện âm của các tế bào hồng, và lớp màng này hoàn toàn có khả năng giải hấp. Nghiên cứu đã chứng minh đƣợc khả năng tƣơng thích của HAP không chỉ dừng lại ở cấu trúc xƣơng mà c n với cả tế bào hồng cầu, mở ra một hƣớng ứng dụng mới cho HAP trong hỗ trợ phân tách các tế bào hồng cầu.
Tuy nhiên, vật liệu HAP có một nhƣợc điểm là độ bền n n, độ bền uốn thấp. Tồn tại này cản trở việc áp dụng gốm HAP vào các chi tiết đ i hỏi chịu lực lớn. Vì vậy, một giải pháp để tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm composite bằng cách phân tán HAP dạng bột vào các polymer sinh học nhƣ collagen, chitosan, xenlulo, đƣờng sacaro [10]. Vật liệu ở dạng này đƣợc sử dụng làm các chi tiết cấy gh p xƣơng chất lƣợng cao, làm kẹp nối xƣơng hoặc có thể làm chất truyền dẫn thuốc.
Việc sử dụng các polymer sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn. Mặt khác, các polymer này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của m nh. Đây cũng là ƣu điểm vƣợt trội của vật liệu composite chứa HAP [11].2 Polymer Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (pHEMA) Poly(2-hydroxyetyl metacrylat) là hydrogel đƣợc nghiên cứu rất nhiều do có có tính tƣơng thích sinh học cao, có các nhóm chức có khả năng phát triển các chức năng khác. Nó đƣợc tổng hợp bởi quá trình trùng hợp 2-hydroxyetyl metacrylat với etylenglicol dimetacrylat.
Tính chất cơ lí Đối với những ứng dụng không phân hủy sinh học, điều quan trọng là chất mang nền gel phải duy tr đƣợc tính bền vững cơ học và vật lí, bởi vậy độ bền cơ học của gel là chỉ tiêu quan trong khi thiết kế một hệ điều trị. Ví dụ thuốc và các phân tử sinh học 5 khác phải đƣợc bảo vệ khỏi những môi trƣờng có hại trong cơ thể, nhƣ môi trƣờng pH quá cao hoặc quá thấp, trƣớc khi nó đƣợc giải phóng ở vị trí cần thiết. Để thực hiện đƣợc điều này, gel mang thuốc phải có khả năng duy tr đƣợc độ bền vật lí cũng nhƣ độ bền cơ học để đáp ứng yêu cầu của vật liệu sinh học hiệu quả. Độ bền của vật liệu có thể tăng cƣờng nhờ bổ sung các tác nhân tạo lƣới, comonomer cũng nhƣ tăng mức độ khâu mạch [12].
Tính chất tương hợp sinh học Một đặc điểm quan trọng của vật liệu tổng hợp nhƣ hydrogel là phải đảm bảo tính tƣơng hợp sinh học và không độc để trở thành một polymer y sinh khả dụng.