Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật y sinh và y học tái tạo, việc điều trị các tổn thương mô xương nghiêm trọng do chấn thương hoặc bệnh lý đòi hỏi các can thiệp ngoại khoa thay thế thay vì chỉ dựa vào khả năng tự phục hồi tự nhiên của cơ thể. Phương pháp ghép xương tự thân (Autograft) vốn được xem là giải pháp truyền thống nhưng tồn tại nhiều hạn chế lâm sàng như gây đau đớn kéo dài, nguy cơ nhiễm trùng, xuất huyết tại vị trí lấy xương và nguồn cung mô ghép hạn chế. Nhằm giải quyết các nhược điểm này, kỹ thuật tạo giá thể (scaffold) nhân tạo mô phỏng cấu trúc nền ngoại bào (ECM) đang được tập trung nghiên cứu. Trong đó, phương pháp kéo sợi điện tĩnh điện (electrospinning) nổi bật nhờ khả năng tạo ra hệ thống vi sợi/nano sợi có cấu trúc hình học, độ xốp và đường kính tương đương mạng lưới sợi collagen tự nhiên, tạo điều kiện thuận lợi cho sự bám dính, tăng sinh và biệt hóa của các tế bào xương.

Vật liệu nền được lựa chọn là Poly(ε-caprolactone) (PCL) – một loại polyester béo tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học, tương thích sinh học cao và độ đàn hồi cơ học phù hợp cho các cấy ghép dài hạn. Tuy nhiên, PCL thuần túy có tính kỵ nước và độ bám dính tế bào kém. Để cải thiện hoạt tính sinh học và khả năng khoáng hóa xương, Hydroxyapatite (HAp, công thức $\text{Ca}_{10}(\text{PO}_4)_6(\text{OH})_2$) – thành phần vô cơ chính chiếm 65–70% trọng lượng mô xương người – được kết hợp vào nền polymer nhằm nâng cao tính dẫn xương (osteoconduction) và tương thích mô.

Khóa luận tốt nghiệp của nhóm tác giả Ngô Thế Dự và Nguyễn Thị Ngọc Mỹ (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, 2021) xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  1. Mục tiêu nghiên cứu:

    • Tổng hợp bột Hydroxyapatite (HAp) bằng phương pháp lắng đọng hóa học ướt, đánh giá đặc tính cấu trúc tinh thể và hình thái vi mô của sản phẩm thu được qua các phương pháp phân tích vật lý.
    • Chế tạo sợi electrospun PCL phân tán HAp (HAp/PCL) định hướng ứng dụng làm scaffold tái tạo mô xương; khảo sát và tối ưu hóa các thông số công nghệ của quá trình electrospinning tác động đến hình thái và đường kính sợi.

  2. Nhiệm vụ nghiên cứu (được phân chia thành 5 nội dung chính):

    • Nhiệm vụ 1: Tổng quan tài liệu khoa học liên quan đến cấu trúc, tính chất của HAp, PCL, kỹ thuật electrospinning và các phương pháp chế tạo scaffold y sinh.
    • Nhiệm vụ 2: Tổng hợp HAp bằng phương pháp kết tủa hóa học ướt; khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp và nhiệt độ nung đến độ kết tinh và độ tinh khiết của pha HAp.
    • Nhiệm vụ 3: Đánh giá cấu trúc tinh thể, liên kết hóa học và hình thái vi mô của bột HAp bằng các phương pháp XRD, FT-IR, SEM, FE-SEM.
    • Nhiệm vụ 4: Khảo sát các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình tạo sợi electrospun PCL đơn thuần (nồng độ polymer, dung môi hòa tan, lưu lượng phun dung dịch, điện áp phân cực).
    • Nhiệm vụ 5: Chế tạo sợi composite micro electrospun HAp/PCL; khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ polymer PCL, lưu lượng phun và điện thế áp vào lên kích thước và độ đồng đều của sợi HAp/PCL; đánh giá sản phẩm qua kính hiển vi quang học, FT-IR và SEM.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bột khoáng sinh học Hydroxyapatite (HAp) tự tổng hợp và hệ sợi vi mô composite HAp/PCL được chế tạo bằng kỹ thuật electrospinning.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Bộ môn Công nghệ Vật liệu – Khoa Khoa học Ứng dụng (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) và Trung tâm Polymer (Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM).
  • Phạm vi thời gian: Khóa luận được hoàn thành vào tháng 8 năm 2021, với thời gian thực nghiệm kéo dài 6 tháng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình vật liệu

  • Hydroxyapatite (HAp): Là khoáng chất canxi photphat có công thức phân tử $\text{Ca}_{10}(\text{PO}_4)6(\text{OH})2$, khối lượng phân tử 1004,60 g/mol, tỷ trọng 3,156 g/cm³, độ cứng Mohs bằng 5, nhiệt độ nóng chảy 1760 °C. HAp có tỷ lệ mol canxi trên photpho lý thuyết $n{\text{Ca}}/n{\text{P}} \approx 1,67$. HAp bền nhiệt dưới 1200 °C; khi vượt quá ngưỡng nhiệt này, HAp mất dần nhóm $\text{OH}^-$ để chuyển hóa thành oxy-hydroxyapatite hoặc bị phân hủy pha thành $\beta\text{-Ca}_3(\text{PO}_4)_2$ ($\beta$-TCP), $\text{Ca}_4\text{P}_2\text{O}_9$, $\text{Ca}_2\text{P}_2\text{O}_7$ và $\text{CaO}$.
  • Poly(ε-caprolactone) (PCL): Là polyester béo bán kết tinh có công thức $(\text{C}6\text{H}{10}\text{O}_2)_n$, khối lượng riêng 1,145 g/cm³, nhiệt độ nóng chảy thấp ($T_m \approx 60\text{ }^\circ\text{C}$), nhiệt độ chuyển thủy tinh ($T_g \approx -60\text{ }^\circ\text{C}$), độ giãn dài 30–50%, độ bền kéo 3000–5000 dsi. Cấu trúc chứa 5 nhóm $-\text{CH}_2-$ kỵ nước xen kẽ liên kết este làm chậm quá trình thủy phân tự nhiên trong cơ thể (thời gian phân hủy từ 3 đến 4 năm). PCL được tổng hợp từ monome ε-caprolactone thông qua phản ứng trùng hợp mở vòng với xúc tác $\text{Sn(Oct)}_2$.
  • Nguyên lý kéo sợi tĩnh điện (Electrospinning): Quá trình hình thành sợi dựa trên tương tác giữa lực điện trường cao áp và ứng suất căng bề mặt của giọt dung dịch polymer tại đầu kim phun. Khi điện trường vượt qua ngưỡng tới hạn, bề mặt bán cầu của giọt dịch biến dạng thành hình nón Taylor (Taylor cone), giải phóng tia chất lỏng mang điện tích. Trong quá trình bay về phía bản thu tiếp đất (collector), dung môi bay hơi hoàn toàn, chuỗi polymer bị kéo giãn liên tục và lắng đọng thành màng mạng sợi vi mô/nano. Các hiện tượng vật lý phụ thuộc thông số bao gồm: hiện tượng phun hạt (electrospraying) khi độ nhớt thấp; hiện tượng phân nhánh tia (splaying) hoặc tách tia (jet splitting) khi điện thế quá cao.
  • Phương pháp chế tạo Scaffold: Khóa luận đối chiếu 5 phương pháp chế tạo khung nâng đỡ tế bào gồm: đúc dung môi kết hợp rửa trôi hạt (Solvent casting / particulate leaching), đông khô thăng hoa (Freeze drying), tạo bọt khí cao áp (Gas foaming), tách pha cảm ứng nhiệt (Thermally Induced Phase Separation - TIPS) và kéo sợi tĩnh điện (Electrospinning).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Tổng hợp HAp: Sử dụng phương pháp lắng đọng hóa học ướt từ phản ứng giữa canxi hydroxit và axit photphoric: $$10\text{Ca(OH)}_2 + 6\text{H}_3\text{PO}4 \rightarrow \text{Ca}{10}(\text{PO}_4)_6(\text{OH})2 + 18\text{H}2\text{O}$$ Tỷ lệ mol nguyên liệu được cố định tại mức $n{\text{Ca}}/n{\text{P}} \approx 1,67$ ($0,22\text{ mol Ca(OH)}_2$ phản ứng với $0,13\text{ mol H}_3\text{PO}_4$). Dung dịch $\text{H}_3\text{PO}_4$ được nhỏ giọt với tốc độ kiểm soát 5,5 ml/phút vào huyền phù $\text{Ca(OH)}_2$, khuấy cơ học 2 giờ, để già hóa (ổn định kết tủa) 5 ngày, lọc hút chân không, sấy tại 110 °C trong 7 giờ, nghiền mịn và nung ở các mức nhiệt độ khảo sát với tốc độ gia nhiệt 10 °C/phút.
  • Chế tạo sợi composite: Hòa tan hạt nhựa PCL trong dung môi hữu cơ (Chloroform hoặc Dichloromethane - DCM), sau đó phối trộn 2 %kl bột HAp (tính theo khối lượng PCL), khuấy từ 1–2 giờ để phân tán đều hạt vô cơ. Dung dịch được nạp vào bơm tiêm thủy tinh có đầu kim kích cỡ 18G hoặc 20G, kết nối với nguồn điện một chiều cao áp. Mẫu sợi thu nhận trên bản cực nhôm được sấy khô tự nhiên tại nhiệt độ phòng trong 48 giờ để loại bỏ hoàn toàn dư lượng dung môi.

Hóa chất và thiết bị phân tích

Danh mục hóa chất và thiết bị chính phục vụ nghiên cứu được trình bày chi tiết trong hai bảng sau:

Tên hóa chất / Vật liệu Công thức / Quy cách Xuất xứ Vai trò trong nghiên cứu
Canxi hydroxit $\text{Ca(OH)}_2$ Trung Quốc Tiền chất cung cấp ion $\text{Ca}^{2+}$ tổng hợp HAp
Axit photphoric $\text{H}_3\text{PO}_4$ Trung Quốc Tiền chất cung cấp ion $\text{PO}_4^{3-}$ tổng hợp HAp
Poly(ε-caprolactone) PCL ($M_w = 65\text{--}75\text{ kDa}$) Trung Quốc Polymer nền tạo khung sợi phân hủy sinh học
Chloroform $\text{CHCl}_3$ Việt Nam Dung môi hòa tan PCL
Dichloromethane (DCM) $\text{CH}_2\text{Cl}_2$ Việt Nam Dung môi hòa tan PCL và phân tán HAp
Axeton $\text{CH}_3\text{COCH}_3$ Trung Quốc Dung môi rửa và làm sạch dụng cụ
Tên thiết bị / Phần mềm Model / Hãng sản xuất Xuất xứ Chức năng đo đạc, phân tích
Máy nhiễu xạ tia X (XRD) D2 Phaser (Bruker) Đức Phân tích cấu trúc pha và độ kết tinh tinh thể
Quang phổ hồng ngoại (FT-IR) Tensor 37 (Bruker) Đức Xác định các nhóm chức hóa học và dao động liên kết
Kính hiển vi quang học Olympus DP22 (MX51-F) Nhật Bản Quan sát sơ bộ hình thái sợi và hạt electrospun
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) TM4000plus (Hitachi) Nhật Bản Phân tích hình thái vi cấu trúc bề mặt sợi và bột
Kính hiển vi FE-SEM S-4800 (Hitachi) Nhật Bản Phân tích hình thái vi mô ở độ phân giải cao
Bơm tiêm điện vi lượng Micropump Top-5300 Nhật Bản Điều khiển chính xác lưu lượng phun dung dịch
Nguồn cao áp một chiều ES50R – 5W/0L Mỹ Tạo điện trường phân cực cho quá trình kéo sợi
Lò nung nhiệt độ cao L40/11 (Nabertherm) Đức Nung kết tinh bột HAp ở 650 °C và 950 °C
Phần mềm phân tích OriginPro 2018, ImageJ, Minitab Quốc tế Xử lý giản đồ, đo đường kính và thống kê phân bố sợi

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương này tổng hợp cơ sở lý thuyết về vật liệu và công nghệ chế tạo:

  • Tổng quan về Hydroxyapatite: Khái niệm, cấu trúc tinh thể, các tính chất vật lý, hóa học, nhiệt học và đặc tính sinh học (tính tương thích sinh học, khả năng dẫn truyền xương, liên kết trực tiếp với mô xương sống). Trình bày các ứng dụng y sinh của HAp dưới dạng bột mịn nano (bổ sung canxi dinh dưỡng), dạng gốm xốp (chế tạo mắt giả, vật liệu sửa chữa xương hàm, răng giả) và dạng composite polymer-gốm.
  • Tổng quan về Poly(ε-caprolactone): Khái niệm, cấu trúc este mạch thẳng, tính chất nhiệt, cơ lý và động học phân hủy sinh học chậm qua cơ chế thủy phân liên kết este. Tổng quan phản ứng trùng hợp mở vòng monome ε-caprolactone và tiềm năng ứng dụng làm màng dẫn thuốc, chỉ khâu phẫu thuật, khung scaffold kỹ thuật mô.
  • Phương pháp Electrospinning: Phân tích cấu tạo máy kéo sợi, cơ chế biến dạng của giọt dung dịch từ nón Taylor thành sợi nano/micro qua 3 giai đoạn: tạo giọt, kéo dài tia dịch, hóa rắn thành sợi. Khảo sát các thông số ảnh hưởng gồm: độ nhớt dung dịch polymer, tính chất dung môi (áp suất hơi, độ dẫn điện, hằng số điện môi), lưu lượng bơm tiêm, điện áp đặt vào và khoảng cách từ đầu kim đến bản thu.
  • Scaffold trong kỹ thuật mô xương: Định nghĩa, yêu cầu đặc tính kỹ thuật (tương thích sinh học, phân hủy theo kiểm soát, hình thái xốp liên thông hỗ trợ mao dẫn dưỡng chất, tính chất cơ học tương thích mô đích). So sánh chi tiết ưu nhược điểm của 5 phương pháp chế tạo scaffold polymer.

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

Chương này mô tả chi tiết toàn bộ các bước triển khai trong phòng thí nghiệm:

  • Quy trình tổng hợp bột HAp: Trình bày sơ đồ công nghệ tổng hợp lắng đọng ướt với tỷ lệ mol cố định $n_{\text{Ca}}/n_{\text{P}} \approx 1,67$. Khảo sát 4 điều kiện chế tạo tương ứng với 4 mẫu ký hiệu:
    • HAp30_650: Tổng hợp ở 30 °C, nung ở 650 °C.
    • HAp50_650: Tổng hợp ở 50 °C, nung ở 650 °C.
    • HAp30_950: Tổng hợp ở 30 °C, nung ở 950 °C.
    • HAp50_950: Tổng hợp ở 50 °C, nung ở 950 °C.
  • Quy trình chế tạo sợi PCL và sợi composite HAp/PCL: Mô tả chi tiết các bước chuẩn bị dung dịch polymer trong Chloroform hoặc DCM, kỹ thuật phân tán 2 %kl bột HAp, thông số thiết lập hệ electrospinning (điện áp 13–17 kV, lưu lượng 0,3–1,2 ml/h, khoảng cách 17,5 cm, kích thước kim 18G/20G) và chế độ sấy khô mẫu 48 giờ ở nhiệt độ phòng.
  • Phương pháp phân tích mẫu: Thiết lập thông số vận hành cho các phép đo XRD (quét góc $2\theta$), FT-IR (đo số sóng từ $4000\text{ cm}^{-1}$ đến $400\text{ cm}^{-1}$), kính hiển vi quang học Olympus DP22, SEM Hitachi TM4000plus, FE-SEM Hitachi S-4800; quy trình xử lý ảnh và đo đường kính sợi bằng ImageJ kết hợp thống kê phân bố bằng Minitab.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương này phân tích toàn bộ các dữ liệu thực nghiệm thu được:

  • Chế tạo và đặc trưng bột HAp:
    • Ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp và nhiệt độ nung: Phổ FT-IR ghi nhận đầy đủ các dao động đặc trưng của nhóm photphat ($\text{PO}_4^{3-}$ ở các dải sóng $560\text{--}600\text{ cm}^{-1}$ và $1000\text{--}1100\text{ cm}^{-1}$) và nhóm hydroxyl ($\text{OH}^-$ tại $3570\text{ cm}^{-1}$ và $630\text{ cm}^{-1}$). Ở nhiệt độ nung 950 °C, các đỉnh hấp thụ trở nên sắc nét hơn rõ rệt so với mẫu nung 650 °C, chứng minh độ tinh thể hóa tăng cao.
    • Phân tích giản đồ XRD: Mẫu HAp950_50 cho các đỉnh nhiễu xạ trùng khớp hoàn toàn với giản đồ chuẩn của HAp lý thuyết tại các góc $2\theta \approx 25,9^\circ; 31,8^\circ; 32,2^\circ; 32,9^\circ; 34,0^\circ; 39,8^\circ; 46,7^\circ; 49,5^\circ$. Cường độ đỉnh nhiễu xạ của mẫu nung ở 950 °C cao và nhọn hơn mẫu nung ở 650 °C, khẳng định nhiệt độ nung cao thúc đẩy quá trình hoàn thiện mạng tinh thể.
    • Hình thái SEM/FE-SEM của HAp: Ảnh chụp vi cấu trúc cho thấy các hạt HAp tổng hợp ở 50 °C và nung tại 950 °C tồn tại ở dạng khối hạt vi tinh thể kết tụ với kích thước hạt đồng đều.
  • Khảo sát quá trình tạo sợi electrospun PCL đơn thuần:
    • Phổ FT-IR: So sánh mẫu PCL thô ban đầu và màng sợi PCL sau khi kéo sợi điện tĩnh điện cho thấy không có sự xuất hiện của liên kết mới hay mất đi các liên kết đặc trưng (đỉnh este $\text{C}=\text{O}$ tại $1720\text{ cm}^{-1}$, nhóm $-\text{CH}_2-$ tại $2940\text{ cm}^{-1}$ và $2860\text{ cm}^{-1}$), chứng minh kỹ thuật electrospinning hoàn toàn là quá trình biến đổi vật lý.
    • Ảnh hưởng của nồng độ polymer: Với dung môi Chloroform, ở nồng độ thấp (15–17 %kl), dung dịch chỉ tạo ra các hạt tròn rời rạc (electrospraying). Khi tăng nồng độ lên 23–29 %kl, chuỗi polymer đủ độ nhớt và liên kết đan cài để kéo thành sợi; trong đó nồng độ 27 %kl cho hình thái sợi đồng đều nhất.
    • Ảnh hưởng của lưu lượng phun và điện thế (với PCL 27 %kl trong Chloroform): Tăng lưu lượng từ 0,3 ml/h lên 0,5 ml/h làm tăng kích thước sợi và dễ gây dính sợi do dung môi không kịp bay hơi; mức 0,3 ml/h cho sợi đồng đều nhất. Tăng điện áp từ 15 kV lên 17 kV giúp kéo giãn sợi mạnh hơn, nhưng điện áp quá cao (17 kV) dễ gây hiện tượng tách tia (splaying).
    • Ảnh hưởng của dung môi: So sánh dung môi Chloroform và Dichloromethane (DCM) cho thấy DCM có áp suất hơi cao hơn, bay hơi nhanh hơn và khả năng hòa tan PCL ở nồng độ cao tốt hơn.
  • Chế tạo và đánh giá sợi composite micro electrospun HAp/PCL:
    • Phổ FT-IR: Phổ của màng sợi composite HAp/PCL xuất hiện đồng thời các vạch phổ đặc trưng của cả PCL ($\text{C}=\text{O}$ ở $1720\text{ cm}^{-1}$) và HAp ($\text{PO}_4^{3-}$ ở $1035\text{ cm}^{-1}, 563\text{ cm}^{-1}$), khẳng định bột HAp đã được phân tán và lưu giữ thành công trong mạng sợi polymer mà không làm biến đổi bản chất hóa học của các cấu tử.
    • Ảnh hưởng của nồng độ PCL trong dung môi DCM: Khảo sát các nồng độ 32, 34, 36 và 38 %kl PCL kết hợp 2 %kl HAp cho thấy: ở mức 32–34 %kl chỉ thu được dạng hạt do độ nhớt chưa đạt ngưỡng kéo sợi; ở mức 36 %kl thu được cấu trúc vi sợi liên tục, mịn, hình thái ổn định và các hạt HAp phân bố đều trong thân sợi; ở mức 38 %kl độ nhớt quá cao gây khó khăn cho việc đùn dung dịch qua đầu kim.
    • Ảnh hưởng của lưu lượng và điện thế: Lưu lượng phun tối ưu cho hệ HAp/PCL được xác định tại 1,0 ml/h (so với 1,2 ml/h); điện áp tối ưu nằm trong khoảng 15–16 kV (so với 13–14 kV) ở khoảng cách phun cố định 17,5 cm với đầu kim 18G.
    • Vi cấu trúc và phân bố đường kính: Ảnh SEM xác nhận sợi micro electrospun HAp/PCL có bề mặt xuất hiện các lỗ xốp tế vi, cấu trúc sợi không bị kết dính vón cục, đường kính sợi phân bố tập trung trong kích thước micro mét phù hợp định hướng làm giá thể nuôi cấy tế bào.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu thực nghiệm

  1. Tổng hợp thành công bột Hydroxyapatite:
    • Đã tổng hợp thành công bột HAp đơn pha có độ tinh khiết cao bằng phương pháp kết tủa ướt từ $\text{Ca(OH)}_2$ ($0,22\text{ mol}$) và $\text{H}3\text{PO}4$ ($0,13\text{ mol}$) theo tỷ lệ mol chuẩn $n{\text{Ca}}/n{\text{P}} \approx 1,67$.
    • Xác định điều kiện tổng hợp và xử lý nhiệt tối ưu là tổng hợp ở 50 °C kết hợp nung ở 950 °C trong 2 giờ (HAp950_50), cho độ kết tinh cao nhất với các góc nhiễu xạ XRD chuẩn xác ($2\theta = 25,9^\circ; 31,8^\circ; 32,2^\circ; 32,9^\circ$).
  2. Xác lập bộ thông số công nghệ chế tạo sợi electrospun:
    • Hệ sợi PCL đơn thuần (dung môi Chloroform): nồng độ PCL tối ưu 27 %kl, điện áp 15–16 kV, lưu lượng 0,3 ml/h, khoảng cách phun 17,5 cm, đầu kim 20G.
    • Hệ sợi composite HAp/PCL (dung môi DCM): nồng độ PCL tối ưu 36 %kl, hàm lượng HAp phân tán 2 %kl (tính theo khối lượng PCL), điện áp đặt vào 15–16 kV, lưu lượng phun 1,0 ml/h, khoảng cách phun 17,5 cm, đầu kim 18G.
  3. Đặc tính sợi composite sinh học:
    • Phân tích FT-IR chứng minh hạt khoáng HAp được nhúng vững chắc trong chất nền PCL mà không làm suy thoái liên kết este của polymer hay làm biến tính cấu trúc hóa học của HAp.
    • Ảnh SEM khẳng định sợi micro electrospun HAp/PCL thu được có cấu trúc lỗ xốp bề mặt, hình thái đồng đều, ít bị bết dính.

Đóng góp của đề tài

  • Làm chủ quy trình tổng hợp vật liệu vô cơ sinh học HAp kích thước micro/nano từ nguồn hóa chất tiền chất thông dụng với tỷ lệ mol kiểm soát chặt chẽ.
  • Tối ưu hóa thành công các thông số công nghệ của hệ thiết bị electrospinning đối với hệ vật liệu composite hữu cơ - vô cơ (HAp/PCL), cung cấp dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về mối liên hệ giữa nồng độ dung dịch, điện áp, lưu lượng và hình thái vi sợi.
  • Tạo ra vật liệu sợi composite HAp/PCL có cấu trúc xốp vi mô định hướng ứng dụng làm màng scaffold phân hủy sinh học trong kỹ thuật cấy ghép và tái tạo mô xương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc khảo sát thông số công nghệ chế tạo, tối ưu hình thái vi cấu trúc và phân tích pha/liên kết hóa học; chưa thực hiện các phép thử nghiệm cơ lý định lượng chuyên sâu như đo độ bền kéo đứt, mô đun đàn hồi (Young's modulus) của màng sợi scaffold.
  • Khóa luận chưa tiến hành đánh giá tốc độ phân hủy sinh học (in vitro degradation) trong môi trường dung dịch mô phỏng thể dịch sinh học (Simulated Body Fluid - SBF) theo thời gian.
  • Chưa thực hiện các thử nghiệm sinh học tế bào (in vitro cell culture) để đánh giá trực tiếp độ bám dính, khả năng tăng sinh và biệt hóa của các tế bào tạo xương (osteoblasts) trên bề mặt scaffold sợi HAp/PCL đã chế tạo.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng khảo sát hàm lượng phối trộn HAp ở các tỷ lệ phần trăm khối lượng cao hơn (5%, 10%, 20%...) kết hợp sử dụng chất phân tán hoặc biến tính bề mặt hạt để nâng cao khả năng phân tán đều trong nền polymer.
  • Đo đạc tính chất cơ lý chi tiết của màng scaffold (độ bền kéo, độ xốp tổng thể và kích thước lỗ xốp liên thông).
  • Triển khai thử nghiệm nuôi cấy tế bào sinh học và thử nghiệm cấy ghép tiền lâm sàng nhằm đánh giá toàn diện khả năng tái tạo mô xương của màng sợi electrospun HAp/PCL.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:
    • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Y sinh, Hóa học Polymer và Công nghệ Vật liệu Y Dược.
    • Các kỹ sư, nhà nghiên cứu đang phát triển hệ vật liệu giá thể cấy ghép mô xốp, vật liệu màng nano ứng dụng trong y học tái tạo hoặc hệ dẫn truyền thuốc có kiểm soát.
  • Nội dung có giá trị tham khảo cao:
    • Quy trình chi tiết và thông số kiểm soát phản ứng kết tủa hóa học ướt tổng hợp HAp từ $\text{Ca(OH)}_2$ và $\text{H}3\text{PO}4$ đạt tỷ lệ $n{\text{Ca}}/n{\text{P}} \approx 1,67$.
    • Dữ liệu thực nghiệm so sánh ảnh hưởng của hai loại dung môi Chloroform và Dichloromethane (DCM) đối với khả năng hòa tan và kéo sợi polymer PCL.
    • Các bảng thông số công nghệ electrospinning (nồng độ dung dịch, điện thế cao áp, tốc độ bơm vi lượng, khoảng cách phun) giúp tiết kiệm thời gian dò tìm điều kiện tạo màng sợi trong các nghiên cứu tương tự.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao trong phản ứng tổng hợp HAp, tỷ lệ mol giữa $\text{Ca(OH)}_2$ và $\text{H}_3\text{PO}_4$ bắt buộc phải duy trì ở mức xấp xỉ 1,67?
Trả lời: Tỷ lệ mol $n_{\text{Ca}}/n_{\text{P}} \approx 1,67$ tương ứng đúng với thành phần hóa học định lượng của Hydroxyapatite lý thuyết ($\text{Ca}_{10}(\text{PO}_4)_6(\text{OH})_2$), đồng thời đây cũng là tỷ lệ tự nhiên của canxi và photpho có trong xương và răng người. Duy trì tỷ lệ này giúp thu được pha HAp tinh khiết, tránh hình thành các tạp pha canxi photphat khác hoặc dư thừa oxit canxi sau khi nung.

2. Nhiệt độ nung ở 950 °C có tác động như thế nào đến chất lượng tinh thể bột HAp so với nhiệt độ 650 °C?
Trả lời: Kết quả phân tích XRD và FT-IR cho thấy ở nhiệt độ nung 950 °C, các đỉnh nhiễu xạ XRD sắc nhọn, có cường độ cao và trùng khớp hoàn toàn với giản đồ chuẩn của HAp lý thuyết; đồng thời các vạch phổ hồng ngoại của nhóm $\text{PO}_4^{3-}$ và $\text{OH}^-$ rõ ràng hơn hẳn so với mẫu nung ở 650 °C. Điều này chứng minh nhiệt độ 950 °C giúp pha HAp đạt độ kết tinh hoàn thiện và độ tinh khiết cao.

3. Vì sao dung dịch PCL trong dung môi DCM ở nồng độ dưới 34 %kl không thể kéo thành sợi mà chỉ tạo hạt (electrospraying)?
Trả lời: Ở nồng độ thấp dưới 34 %kl, số lượng chuỗi phân tử polymer trong dung dịch không đủ để tạo ra sự đan cài liên kết cần thiết. Khi đó, độ nhớt dung dịch thấp khiến lực tĩnh điện dễ dàng làm vỡ tia dung dịch thành các giọt nhỏ riêng lẻ thay vì duy trì một dòng tia liên tục kéo dài từ đỉnh nón Taylor về phía bản thu, dẫn đến hiện tượng phun tạo hạt.

4. Kết quả phân tích FT-IR cho thấy điều gì về sự tương tác giữa PCL và HAp sau khi kéo sợi?
Trả lời: Phổ FT-IR của màng sợi composite ghi nhận đầy đủ các dải hấp thụ đặc trưng của PCL (nhóm $\text{C}=\text{O}$ tại $1720\text{ cm}^{-1}$, nhóm $-\text{CH}_2-$ tại $2940\text{ cm}^{-1}$) và HAp (nhóm $\text{PO}_4^{3-}$ tại $1035\text{ cm}^{-1}$ và $563\text{ cm}^{-1}$). Các liên kết hóa học ban đầu không bị biến đổi hay suy thoái, chứng minh quá trình electrospinning không làm thay đổi bản chất hóa học của hai cấu tử mà tạo ra sự kết hợp cơ lý đồng nhất.

5. Bộ thông số công nghệ tối ưu để chế tạo sợi composite micro electrospun HAp/PCL trong nghiên cứu này là gì?
Trả lời: Bộ thông số tối ưu gồm: nồng độ PCL 36 %kl hòa tan trong dung môi Dichloromethane (DCM), hàm lượng bột HAp phối trộn 2 %kl (tính theo PCL), điện áp phân cực 15–16 kV, lưu lượng phun dung dịch 1,0 ml/h, khoảng cách từ đầu kim đến bản thu nhôm 17,5 cm, sử dụng đầu kim kích cỡ 18G và thực hiện tại nhiệt độ phòng.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã hoàn thành việc tổng hợp thành công bột khoáng sinh học Hydroxyapatite (HAp) có độ tinh khiết và kết tinh cao bằng phương pháp kết tủa hóa học ướt tại 50 °C kết hợp nung nhiệt 950 °C. Nghiên cứu đã xác lập thành công hệ thông số công nghệ electrospinning tối ưu (PCL 36 %kl trong DCM, 2 %kl HAp, điện áp 15–16 kV, lưu lượng 1,0 ml/h) để chế tạo sợi composite micro electrospun HAp/PCL có hình thái sợi mịn, liên tục và cấu trúc xốp vi mô đồng đều. Các kết quả phân tích hóa lý khẳng định tính tương thích pha và sự bảo toàn cấu trúc hóa học của các cấu tử thành phần, cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho việc phát triển giá thể scaffold phân hủy sinh học ứng dụng trong kỹ thuật tái tạo mô xương.