Giới thiệu dự án

Khuyết tật và tổn thương mô xương do tai nạn, thoái hóa hoặc bệnh lý ác tính đang là một trong những thách thức y tế hàng đầu toàn cầu. Theo thống kê y khoa thế giới, mỗi năm có hơn 2,2 triệu ca phẫu thuật ghép xương được thực hiện. Hiện nay, kỹ thuật tiêu chuẩn vàng trong điều trị lâm sàng vẫn là ghép xương tự thân (Autograft). Tuy nhiên, phương pháp này tồn tại nhiều rủi ro nghiêm trọng như gây đau đớn kéo dài, nguy cơ xuất huyết, nhiễm trùng tại vị trí lấy xương và nguồn cung mô hạn chế.

Các vật liệu thay thế truyền thống như kim loại (Titanium, thép không gỉ) có độ tương thích sinh học tương đối tốt nhưng mô-đun đàn hồi (Young's modulus) quá cao so với xương tự nhiên, gây ra hiện tượng che chắn ứng suất (stress shielding) dẫn đến thoái hóa xương xung quanh vị trí cấy ghép. Trong khi đó, các gốm sinh học đơn thuần lại có độ giòn cao, khó tạo hình cấu trúc 3D xốp phức tạp.

                  ┌──────────────────────────────────────────────┐
                  │    THÁCH THỨC ĐIỀU TRỊ KHUYẾT HẬU XƯƠNG     │
                  └──────────────────────┬───────────────────────┘
                                         │
                 ┌───────────────────────┴───────────────────────┐
                 ▼                                               ▼
   ┌───────────────────────────┐                   ┌───────────────────────────┐
   │ Ghép xương tự thân        │                   │ Vật liệu cấy ghép kim loại│
   │ (Autograft)               │                   │ (Titanium/Alloy)          │
   ├───────────────────────────┤                   ├───────────────────────────┤
   │ • Đau tại vùng lấy xương  │                   │ • Hiện tượng che chắn     │
   │ • Nguy cơ nhiễm trùng cao │                   │   ứng suất (Stress        │
   │ • Nguồn mô hiến hạn chế   │                   │   shielding) gây tiêu     │
   │ • Chi phí phẫu thuật kép  │                   │   xương thứ phát          │
   └─────────────┬─────────────┘                   └─────────────┬─────────────┘
                 │                                               │
                 └───────────────────────┬───────────────────────┘
                                         ▼
                 ┌──────────────────────────────────────────────┐
                 │       GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT: SCAFFOLD COMPOSITE   │
                 │              HAp/PCL ELECTROSPUN             │
                 ├──────────────────────────────────────────────┤
                 │ • Polycaprolactone (PCL): Nền dẻo dai, phân  │
                 │   hủy sinh học có kiểm soát (3-4 năm)        │
                 │ • Hydroxyapatite (HAp): Khoáng xương sinh    │
                 │   học, tỷ lệ nCa/nP ≈ 1.67 dẫn xương vượt trội│
                 │ • Electrospinning: Cấu trúc vi sợi 3D mô     │
                 │   phỏng chất nền ngoại bào (ECM)             │
                 └──────────────────────────────────────────────┘

Để giải quyết triệt để các hạn chế trên, đề tài "Nghiên cứu chế tạo sợi electrospun Polycaprolactone chứa Hydroxyapatite ứng dụng trong scaffold tái tạo xương" được triển khai nhằm phát triển vật liệu composite sinh học dạng sợi mô phỏng chất nền ngoại bào (Extracellular Matrix - ECM). Đồ án tập trung vào việc kết hợp polymer phân hủy sinh học Polycaprolactone (PCL) và khoáng chất dẫn xương Hydroxyapatite ($Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2$ - HAp) thông qua phương pháp kéo sợi điện tĩnh (Electrospinning).

Mục tiêu dự án

  1. Tổng hợp thành công bột gốm sinh học Hydroxyapatite (HAp) kích thước vi tinh thể/nano bằng phương pháp kết tủa hóa học ướt (Wet chemical precipitation) đạt tỷ lệ cân bằng hóa học canxi/photpho ($n_{Ca}/n_P \approx 1{,}67$).
  2. Khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ (nhiệt độ phản ứng $30^\circ\text{C}, 50^\circ\text{C}$ và nhiệt độ nung $650^\circ\text{C}, 950^\circ\text{C}$) đến cấu trúc tinh thể, độ tinh khiết và hình thái của bột HAp.
  3. Tối ưu hóa các thông số vận hành của hệ kéo sợi Electrospinning trên nền dung dịch PCL nguyên chất (nồng độ polymer, loại dung môi Chloroform/DCM, lưu lượng phun, điện áp cao thế và khoảng cách phun).
  4. Chế tạo thành công màng sợi composite micro electrospun HAp/PCL có đường kính sợi đồng đều, không hạt khuyết tật, phân bố HAp đồng nhất phục vụ định hướng làm scaffold nuôi cấy tế bào tái tạo xương.

Phạm vi và giới hạn

  • Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo vật liệu ở quy mô phòng thí nghiệm; khảo sát tính chất hóa lý, cấu trúc tinh thể và hình thái vi mô bằng các phép phân tích XRD, FT-IR, SEM, FE-SEM và xử lý ảnh định lượng.
  • Giới hạn: Nghiên cứu chưa đi sâu vào thử nghiệm độc tính tế bào in vitro (cell viability/proliferation) và đánh giá khả năng tạo xương in vivo trên mô hình động vật.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Hiện nay có nhiều phương pháp chế tạo scaffold polymer xốp trong kỹ thuật mô. Bảng so sánh dưới đây phân tích ưu và nhược điểm của các giải pháp hiện hành:

Phương pháp Nguyên lý hoạt động Ưu điểm Nhược điểm
Solvent Casting & Particulate Leaching Trộn muối/đường làm porogen vào polymer rồi hòa tan rửa trôi. Dễ thực hiện, kiểm soát được kích thước lỗ xốp qua kích thước hạt muối. Tồn dư dung môi độc hại, khó kiểm soát tính liên thông giữa các lỗ xốp.
Freeze Drying (Đông khô) Làm đông lạnh dung dịch polymer và thăng hoa dung môi trong chân không. Không cần nhiệt độ cao, tạo cấu trúc xốp đồng đều. Kích thước lỗ xốp nhỏ, thời gian xử lý lâu, chi phí năng lượng cao.
Gas Foaming Sử dụng $CO_2$ siêu tới hạn ở áp suất cao để tạo bọt khí trong lòng polymer. Không sử dụng dung môi hữu cơ độc hại. Độ liên thông lỗ xốp kém, cấu trúc bề mặt khép kín (closed-pore).
Electrospinning (Kéo sợi điện) Dùng lực điện trường cao áp thắng sức căng bề mặt tạo tia vi/nano sợi. Tạo cấu trúc mô phỏng chất nền ngoại bào (ECM), diện tích bề mặt cực lớn. Yêu cầu kiểm soát chặt chẽ nhiều thông số công nghệ và độ ẩm môi trường.

Yêu cầu hệ thống (Mô hình MoSCoW)

  • Must have (Bắt buộc):
    • Bột HAp tổng hợp phải đạt cấu trúc tinh thể đơn pha lục giác ($P6_3/m$), tỷ lệ $n_{Ca}/n_P \approx 1{,}67$.
    • Màng sợi HAp/PCL phải liên tục, không bị đứt đoạn, hạn chế tối đa hiện tượng tạo hạt (beading).
  • Should have (Nên có):
    • Hiệu suất tổng hợp HAp đạt trên 60%.
    • Đường kính sợi micro duy trì ổn định trong khoảng $5 - 15\ \mu\text{m}$.
  • Could have (Có thể mở rộng):
    • Tăng tỷ lệ phối trộn HAp lên trên 5% mà không làm tắc nghẽn kim phun.
  • Won't have (Chưa thực hiện ở giai đoạn này):
    • Thử nghiệm lâm sàng trên người và thương mại hóa sản phẩm y tế.

Thiết kế hệ thống thực nghiệm

Hệ thống chế tạo và phân tích được thiết kế đồng bộ với các trang thiết bị và hóa chất tiêu chuẩn:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            HỆ THỐNG ELECTROSPINNING                               |
|                                                                                   |
|  +--------------------+         Ống tiêm chứa dung dịch PCL/HAp                   |
|  | Nguồn DC cao áp    |---------+  (Nồng độ 27-36% wt)                            |
|  | (0 - 50 kV)        | (+)     |                                                 |
|  | Model: ES50R-5W/0L |      [Syringe] ====> [Kim phun 18G/20G]                   |
|  +--------------------+             |                 |                           |
|            | (-)                    | (Bơm vi lượng   | (Hình nón Taylor)         |
|            |                        |  0.3-1.0 ml/h)  v                           |
|            |                        |              ~~~~~ Tia dung dịch            |
|            |                        |             ~~~~~~~ bay hơi dung môi        |
|            |                        |            ~~~~~~~~~                        |
|            +------------------------+---------> [BẢN THU KIM LOẠI (Nhôm)]         |
|                                                 (Khoảng cách d = 17.5 cm)         |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
  • Hệ thống cấp dịch và cao áp:
    • Nguồn điện một chiều cao áp DC: Bertan / Spellman Model ES50R-5W/0L (Mỹ), dải điện áp $0 - 50\text{ kV}$.
    • Bơm tiêm điện tử vi lượng tự động: Micropump Top-5300 (Nhật Bản), kiểm soát lưu lượng từ $0{,}1 - 99{,}9\text{ mL/h}$.
    • Đầu kim dẫn điện: Kim thép không gỉ kích cỡ 18G và 20G (Hàn Quốc).
    • Bản thu mẫu (Collector): Tấm phẳng phủ giấy nhôm nối đất.
  • Công cụ phân tích cấu trúc và hình thái:
    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Máy đo Bruker D2 Phaser (Đức).
    • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Máy Bruker Tensor 37 (Đức).
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Hitachi TM4000plus (Nhật Bản).
    • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM): Hitachi S-4800 (Nhật Bản).
    • Kính hiển vi quang học phân giải cao: Olympus DP22 / Model MX51-F (Nhật Bản).
    • Phần mềm xử lý số liệu: OriginPro 2018 SR1 v9.195, ImageJ v1.0_172, Minitab 19.1.

Implementation và kết quả

Quy trình tổng hợp Hydroxyapatite (HAp)

Quá trình tổng hợp bột gốm sinh học HAp được thực hiện thông qua phản ứng kết tủa hóa học ướt giữa Canxi Hydroxit ($Ca(OH)_2$) và Axit Photphoric ($H_3PO_4$):

$$10\text{Ca(OH)}_2 + 6\text{H}_3\text{PO}4 \longrightarrow \text{Ca}{10}(\text{PO}_4)_6(\text{OH})_2\downarrow + 18\text{H}_2\text{O}$$

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                     QUY TRÌNH TỔNG HỢP BỘT GỐM HAp                          |
+-----------------------------------------------------------------------------+
|  [0.22 mol Ca(OH)2 / 100ml H2O]        [0.13 mol H3PO4 / 100ml H2O]         |
|  Khuấy từ 1h tạo huyền phù             Khuấy từ 1h đồng nhất                |
|                \                              /                             |
|                 \                            /                              |
|                  v                          v                               |
|        +------------------------------------------+                         |
|        | Nhỏ giọt H3PO4 vào Ca(OH)2 (5.5 ml/phút) |                         |
|        | Nhiệt độ phản ứng: 30°C hoặc 50°C        |                         |
|        +------------------------------------------+                         |
|                             |                                               |
|                             v                                               |
|        +------------------------------------------+                         |
|        | Khuấy liên tục 2h -> Tạo huyền phù CaP   |                         |
|        | Ổn định kết tủa (Aging) trong 5 NGÀY     |                         |
|        +------------------------------------------+                         |
|                             |                                               |
|                             v                                               |
|        +------------------------------------------+                         |
|        | Lọc hút chân không -> Rửa tạp chất       |                         |
|        | Sấy khô 110°C trong 7 giờ                |                         |
|        | Nghiền mịn bằng cối sứ                   |                         |
|        +------------------------------------------+                         |
|                             |                                               |
|                             v                                               |
|        +------------------------------------------+                         |
|        | Nung mẫu tại 650°C hoặc 950°C            |                         |
|        | Tốc độ gia nhiệt: 10°C/phút              |                         |
|        +------------------------------------------+                         |
|                             |                                               |
|                             v                                               |
|        [SẢN PHẨM: Bột HAp tinh khiết, kết tinh cao]                         |
+-----------------------------------------------------------------------------+

# Thuật toán mô phỏng tính toán phân bố đường kính sợi trên ImageJ & Python
import numpy as np

def calculate_fiber_stats(diameters_micrometer):
    """
    Tính toán các thông số thống kê hình thái học của sợi electrospun
    Input: Danh sách đường kính đo được từ ảnh SEM/kính hiển vi (µm)
    """
    mean_d = np.mean(diameters_micrometer)
    std_d = np.std(diameters_micrometer)
    cv = (std_d / mean_d) * 100 # Hệ số biến thiên (%)
    return {
        "Mean (um)": round(mean_d, 2),
        "Std Dev (um)": round(std_d, 2),
        "CV (%)": round(cv, 2),
        "Min (um)": round(np.min(diameters_micrometer), 2),
        "Max (um)": round(np.max(diameters_micrometer), 2)
    }

Đánh giá cấu trúc và hình thái của HAp

  • Hiệu suất tổng hợp: Mẫu tổng hợp ở $30^\circ\text{C}$ đạt hiệu suất $47{,}13%$, trong khi mẫu tổng hợp ở $50^\circ\text{C}$ đạt hiệu suất lên tới $67{,}26%$ (tăng $42{,}7%$ về mặt tương đối). Nhiệt độ tăng cường động học tạo mầm tinh thể.
  • Phân tích FT-IR: Phổ hồng ngoại xác nhận sự hiện diện của các nhóm chức photphat đặc trưng của HAp:
    • Dao động kéo dài của nhóm $PO_4^{3-}$ tại các vạch phổ $1089\text{ cm}^{-1}, 1024\text{ cm}^{-1}, 962\text{ cm}^{-1}$.
    • Dao động uốn cong của $PO_4^{3-}$ tại $630\text{ cm}^{-1}, 600\text{ cm}^{-1}, 562\text{ cm}^{-1}$.
    • Nhóm tạp chất $CO_3^{2-}$ tại $1416\text{ cm}^{-1}$ xuất hiện mờ ở mẫu nung $650^\circ\text{C}$ và tiêu biến hoàn toàn ở nhiệt độ nung $950^\circ\text{C}$.
  • Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD):
    • Mẫu HAp nung tại $950^\circ\text{C}$ cho các đỉnh nhiễu xạ cực kỳ sắc nét và cường độ cao tại các mặt phẳng mạng $(002)$ và $(211)$, chứng minh độ kết tinh hoàn hảo của cấu trúc lục phương thuộc nhóm không gian $P6_3/m$.
    • Góc nhiễu xạ thực nghiệm trên mẫu HAp950_50 so với chuẩn lý thuyết ICDD/JCPDS có độ lệch $\Delta 2\theta$ rất nhỏ ($0{,}14^\circ \le \Delta 2\theta \le 0{,}25^\circ$).
Mặt phẳng mạng $(hkl)$ $2\theta$ Lý thuyết ($^\circ$) $2\theta$ Thực nghiệm ($^\circ$) Sai lệch $\Delta 2\theta$ ($^\circ$)
$(002)$ 25.87 25.73 0.14
$(211)$ 31.77 31.54 0.23
$(112)$ 32.19 31.97 0.22
$(300)$ 32.90 32.66 0.24
$(202)$ 34.04 33.86 0.18
$(310)$ 39.81 39.56 0.25
  • Hình thái SEM / FE-SEM: Ảnh FE-SEM của mẫu HAp950_50 ở độ phóng đại $60.000\times$ (điện thế gia tốc $5\text{ kV}$) cho thấy các hạt HAp có dạng hình que nano (nanorods) liên kết đồng đều, thích hợp cho việc phân tán vào nền polymer sinh học.

Khảo sát thông số tạo sợi Electrospun PCL và Composite HAp/PCL

1. Ảnh hưởng của nồng độ Polymer PCL (trong dung môi Chloroform)

  • $15 - 16%\text{ wt}$: Lực nhớt dung dịch quá thấp, xảy ra hiện tượng phun hạt tĩnh điện (Electrospraying), chỉ thu được các hạt hình cầu vi mô.
  • $17%\text{ wt}$: Bắt đầu có sự kéo dài giọt chất lỏng nhưng tạo các hạt kéo dài kết dính do dung môi chưa bay hơi hoàn toàn.
  • $23 - 25%\text{ wt}$: Tạo được sợi liên tục nhưng trên thân sợi vẫn xuất hiện nhiều hạt khuyết tật (beaded fibers).
  • $27%\text{ wt}$: Đạt độ rối mạch polymer tối ưu, hình thành màng sợi micro đồng đều, bề mặt láng mịn, không có khuyết tật hạt.
  • $29%\text{ wt}$: Dung dịch quá nhớt, sức căng bề mặt lớn gây nghẽn đầu kim phun (nozzle clogging), quá trình phun gián đoạn.

2. Ảnh hưởng của lưu lượng phun (Feed rate)

Khảo sát tại nồng độ $27%\text{ wt}$ PCL, điện áp $15\text{ kV}$, khoảng cách $17{,}5\text{ cm}$:

  • $0{,}3\text{ mL/h}$: Đường kính sợi trung bình đạt $13{,}33 \pm 1{,}33\ \mu\text{m}$, cấu trúc sợi phân tách tốt, dung môi bay hơi hoàn toàn.
  • $0{,}4\text{ mL/h}$: Đường kính sợi tăng lên $18{,}79 \pm 2{,}49\ \mu\text{m}$, xuất hiện hiện tượng dính sợi cục bộ.
  • $0{,}5\text{ mL/h}$: Đường kính sợi tăng vọt lên $26{,}98 \pm 4{,}79\ \mu\text{m}$, các sợi bết dính tạo màng do dung môi không kịp bay hơi trong không gian bay.
Đường kính sợi (µm)
   ▲
30 ┼───────────────────────────────────────────── (0.5 ml/h: 26.98 ± 4.79 µm)
   │                                            *
25 ┼
   │
20 ┼                             * (0.4 ml/h: 18.79 ± 2.49 µm)
   │
15 ┼              * (0.3 ml/h: 13.33 ± 1.33 µm)
   │
10 ┼
   └──────────────┴──────────────┴───────────────► Lưu lượng phun (mL/h)
                 0.3            0.4             0.5

3. Ảnh hưởng của điện áp cao thế (Applied Voltage)

Khảo sát tại nồng độ $27%\text{ wt}$ PCL, lưu lượng $0{,}3\text{ mL/h}$:

  • $15\text{ kV}$: Lực điện trường Coulomb vừa đủ cân bằng với sức căng bề mặt, đường kính sợi đạt $17{,}14 \pm 3{,}86\ \mu\text{m}$.
  • $16\text{ kV}$: Tia dung dịch kéo dãn mạnh mẽ, sợi thu được mảnh và đồng đều hơn với đường kính $13{,}33 \pm 1{,}33\ \mu\text{m}$.
  • $17\text{ kV}$: Lực tĩnh điện quá lớn làm bất ổn định hình nón Taylor, tia phun bị vung lắc mạnh (jet whipping/splitting), đường kính giảm xuống $9{,}04 \pm 0{,}89\ \mu\text{m}$ nhưng sợi bị đứt đoạn và xuất hiện hạt khuyết tật.

4. Chế tạo sợi Composite HAp/PCL

Khi đưa $2%\text{ wt}$ bột HAp vào dung dịch polymer, độ dẫn điện và mật độ điện tích của dung dịch tăng lên. Nghiên cứu đã tối ưu hóa hệ composite trong dung môi Dichloromethane (DCM) với kim phun 18G:

  • Nồng độ PCL tối ưu: $36%\text{ wt}$ (chứa $2%\text{ wt}$ HAp phân tán đều).
  • Thông số vận hành tối ưu: Điện áp $15 - 16\text{ kV}$, lưu lượng phun $1{,}0\text{ mL/h}$, khoảng cách thu mẫu $17{,}5\text{ cm}$.
  • Kết quả FT-IR composite: Xuất hiện đầy đủ đỉnh liên kết este $C=O$ tại $1721\text{ cm}^{-1}$ và các liên kết $C-H$ ($2943\text{ cm}^{-1}, 2865\text{ cm}^{-1}$) của PCL cùng dao động $PO_4^{3-}$ của HAp tại $1028\text{ cm}^{-1}$ và $562\text{ cm}^{-1}$, chứng minh HAp đã được tích hợp thành công vào lòng sợi PCL mà không làm biến tính nền polymer.

Đổi mới và đóng góp

  1. Làm chủ quy trình tổng hợp HAp kiểm soát pha: Đã thiết lập được quy trình lắng đọng hóa học ướt tạo HAp có tỷ lệ $n_{Ca}/n_P \approx 1{,}67$ với hiệu suất cao ($67{,}26%$), đạt độ kết tinh mạng lục giác hoàn chỉnh khi nung ở $950^\circ\text{C}$, loại bỏ hoàn toàn gốc cacbonat gây hại.
  2. Xác lập bộ thông số công nghệ Electrospinning chuẩn xác: Xây dựng ma trận thực nghiệm tối ưu hóa giữa nồng độ polymer ($27%\text{ wt}$ cho PCL đơn thuần và $36%\text{ wt}$ cho HAp/PCL), điện thế ($15 - 16\text{ kV}$) và lưu lượng ($0{,}3 - 1{,}0\text{ mL/h}$) giúp loại bỏ $100%$ hiện tượng tạo hạt khuyết tật.
  3. Cải tiến so với các công trình trước đây:
    • So với phương pháp Solvent Casting / Particulate Leaching, màng sợi electrospun HAp/PCL có diện tích bề mặt tiếp xúc tế bào cao hơn gấp nhiều lần và tính liên thông không gian 3D vượt trội.
    • So với nghiên cứu của Haoxuan Li (2018) và Sorin-Ion Jinga (2019), quy trình trong đồ án sử dụng thiết bị tự chế tạo kết hợp nguồn DC đơn giản nhưng vẫn đảm bảo độ lặp lại cao, đường kính sợi micro ổn định ($13{,}33 \pm 1{,}33\ \mu\text{m}$), giúp giảm đáng kể chi phí chế tạo scaffold.

Ứng dụng thực tế và triển khai

                              ┌───────────────────────────────────┐
                              │ ỨNG DỤNG MÀNG COMPOSITE HAp/PCL   │
                              └─────────────────┬─────────────────┘
                                                │
         ┌──────────────────────────────────────┼──────────────────────────────────────┐
         ▼                                      ▼                                      ▼
┌─────────────────────────────┐        ┌─────────────────────────────┐        ┌─────────────────────────────┐
│    NHA KHOA & HÀM MẶT       │        │     CHẤN THƯƠNG CHỈNH HÌNH  │        │   HỆ DẪN THUỐC ĐÍCH (DDS)   │
├─────────────────────────────┤        ├─────────────────────────────┤        ├─────────────────────────────┤
│ • Màng GBR tái tạo xương có │        │ • Giá đỡ xốp 3D lấp đầy các │        │ • Cấu trúc xốp xốp mang     │
│   hướng dẫn xung quanh trụ  │        │   khe nứt, gãy xương phức   │        │   kháng sinh hoặc yếu tố    │
│   implant nha khoa          │        │   tạp không tự liền         │        │   tăng trưởng (BMP-2)       │
│ • Tái tạo mô nha chu tụt nướu│       │ • Lớp phủ sinh học trên bề  │        │ • Nhả chậm cục bộ ngăn      │
│ • Nâng xoang ghép xương hàm │        │   mặt nẹp vít kim loại      │        │   nhiễm trùng vết mổ        │
└─────────────────────────────┘        └─────────────────────────────┘        └─────────────────────────────┘
  • Màng hướng dẫn tái tạo mô/xương (GTR/GBR) trong nha khoa: Ứng dụng che phủ các khuyết hổng xương ổ răng sau khi nhổ răng hoặc đặt trụ Implant, ngăn chặn sự xâm lấn của mô mềm biểu mô và thúc đẩy tế bào tạo xương (Osteoblast) phát triển.
  • Giá đỡ cấy ghép trong chấn thương chỉnh hình: Tạo cấu trúc scaffold 3D xốp tự tiêu ghép vào các vị trí mất xương do tai nạn giao thông, hỗ trợ phục hồi xương mà không cần phẫu thuật tháo nẹp lần hai.
  • Hệ thống dẫn truyền hoạt chất sinh học: Tận dụng diện tích bề mặt lớn của sợi electrospun để mang thuốc kháng sinh, peptide sinh học hoặc các yếu tố tăng trưởng xương (như BMP-2) giải phóng có kiểm soát tại ổ khuyết hổng.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật hiện tại:
    • Chưa định lượng nồng độ dung môi dư (Chloroform, DCM) trên màng sợi bằng phương pháp sắc ký khí (GC-MS).
    • Chưa tiến hành thử nghiệm cơ tính màng sợi (độ bền kéo Tensile strength, độ giãn dài khi đứt) và đánh giá khả năng tương thích sinh học với tế bào gốc trung mô (MSCs) in vitro.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Nghiên cứu công nghệ kéo sợi điện đồng trục (Coaxial Electrospinning) để bọc các yếu tố tăng trưởng bên trong lõi sợi PCL với vỏ HAp.
    • Thử nghiệm nuôi cấy tế bào tạo xương MC3T3-E1 trên scaffold để đánh giá sự bám dính, tăng sinh và biệt hóa xương.
    • Thiết kế khuôn thu mẫu 3D để tạo hình scaffold phức tạp theo hình dạng khuyết tật giải phẫu của từng bệnh nhân dựa trên dữ liệu chụp CT Scan.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Kỹ thuật Y sinh / Công nghệ Vật liệu: Nắm vững quy trình thực nghiệm tổng hợp gốm sinh học HAp và kỹ thuật vận hành máy Electrospinning, cung cấp bộ dữ liệu tham khảo hoàn chỉnh về ảnh hưởng của điện áp, lưu lượng, nồng độ dung dịch.
  • Kỹ sư R&D & Nhà phát triển vật liệu: Sở hữu công thức phối trộn dung môi (Chloroform/DCM) và thông số kéo sợi chính xác để tạo màng vi sợi không khuyết tật phục vụ sản xuất màng lọc y tế hoặc màng tái tạo mô.
  • Doanh nghiệp Thiết bị Y tế: Cơ sở khoa học để thiết kế các sản phẩm màng sinh học tự tiêu GBR/GTR giá thành thấp phục vụ thị trường nha khoa và chỉnh hình trong nước thay thế sản phẩm nhập ngoại.
  • Nhà nghiên cứu khoa học: Cung cấp dữ liệu nhiễu xạ XRD chuẩn hóa của HAp đơn pha lục giác và phương pháp đo kích thước sợi tự động hóa thông qua ImageJ và Minitab.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cơ bản để thiết lập hệ thống Electrospinning tạo sợi PCL/HAp là gì?

Cần một nguồn điện cao áp DC ổn định ($0 - 30\text{ kV}$), bơm tiêm vi lượng kiểm soát tốc độ dòng từ $0{,}1\text{ mL/h}$, kim phun $18\text{G} - 20\text{G}$, bản thu kim loại nối đất phẳng và môi trường phòng có độ ẩm kiểm soát dưới $60%$ để dung môi bay hơi tối ưu.

2. Tại sao phải nung bột HAp ở nhiệt độ cao lên đến 950°C?

Nung ở $950^\circ\text{C}$ giúp tăng cường độ kết tinh của mạng tinh thể lục giác $P6_3/m$, loại bỏ hoàn toàn các nhóm cacbonat ($CO_3^{2-}$) tạp chất hình thành do $Ca(OH)_2$ phản ứng với $CO_2$ trong không khí, đồng thời tăng độ ổn định nhiệt và tính tương thích sinh học.

3. Làm thế nào để khắc phục hiện tượng dung dịch PCL bị vón cục hoặc nghẽn đầu kim phun?

Cần kiểm soát nồng độ PCL không vượt quá $27%\text{ wt}$ (đối với dung môi Chloroform) hoặc $36%\text{ wt}$ (đối với dung môi DCM), sử dụng máy khuấy từ hòa tan kín trong ít nhất 2 giờ và siêu âm phân tán hạt nano HAp trước khi đưa vào xilanh.

4. Scaffold PCL phân hủy trong cơ thể theo cơ chế nào và mất bao lâu?

PCL phân hủy thông qua cơ chế thủy phân chậm các liên kết este trong môi trường sinh lý học. Do có 5 nhóm $-CH_2-$ kỵ nước trong đơn vị cấu trúc, PCL có tốc độ phân hủy chậm nhất trong các polyester béo (khoảng 3 đến 4 năm), tạo khoảng thời gian lý tưởng cho xương mới tái sinh hoàn toàn trước khi giá đỡ biến mất.

5. Chi phí nguyên liệu chế tạo màng sợi HAp/PCL có đắt không?

Phương pháp kết tủa ướt sử dụng các tiền chất giá rẻ gồm $Ca(OH)_2$ và $H_3PO_4$. Kết hợp với polymer PCL công nghiệp và thiết bị kéo sợi điện tự thiết lập giúp hạ giá thành sản xuất scaffold xuống chỉ bằng $1/5$ so với các sản phẩm màng sinh học nhập khẩu từ collagen hay màng tổng hợp thương mại.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu và hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo thành công vật liệu màng composite vi sợi electrospun Polycaprolactone chứa gốm sinh học Hydroxyapatite định hướng ứng dụng làm scaffold tái tạo mô xương.

Nghiên cứu đã làm chủ kỹ thuật tổng hợp bột HAp đơn pha lục giác có độ kết tinh cao tại nhiệt độ nung $950^\circ\text{C}$ với hiệu suất đạt $67{,}26%$. Đồng thời, đề tài đã xác lập được bộ thông số tối ưu cho quá trình Electrospinning (nồng độ polymer $27%\text{ wt}$ PCL đơn thuần hoặc $36%\text{ wt}$ PCL chứa $2%\text{ wt}$ HAp, điện áp $15 - 16\text{ kV}$, lưu lượng $0{,}3 - 1{,}0\text{ mL/h}$, khoảng cách $17{,}5\text{ cm}$), tạo ra màng sợi micro đồng đều ($13{,}33 \pm 1{,}33\ \mu\text{m}$), không khuyết tật.

Kết quả đạt được mở ra triển vọng ứng dụng lớn trong việc sản xuất các màng hướng dẫn tái tạo xương tự tiêu giá thành hợp lý, đóng góp thiết thực cho lĩnh vực kỹ thuật mô và công nghệ vật liệu y sinh tại Việt Nam.