MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề Hiện nay, nghành phẫu thuật chấn thương và chỉnh hình có nhiều loại vật liệu khác nhau được dùng làm nẹp vít cố định xương trong quá trình thay thế và hàn gắn xương như: Thép không gỉ 316L, hợp kim của Coban (CoNiCrMo), titan kim loại và hợp chất của titan (Ti6A14V, TiN, TiO2). Những vật liệu này nhìn chung có độ bền cơ lý hóa và khả năng tương thích cao với môi trường dịch cơ thể người. Tuy nhiên trong một số trường hợp cấy ghép cụ thể những vật liệu bằng kim loại hoặc hợp kim vẫn ít nhiều bị ăn mòn dẫn đến các phản ứng đào thải làm giảm tuổi thọ của vật liệu và gây ra những khó chịu nhất định cho bệnh nhân.
Để nâng cao tính tương đồng sinh học giữa các mô của cơ thể người với bề mặt vật liệu và đáp ứng các yêu cầu cơ bản của vật liệu sử dụng trong lĩnh vực cấy ghép xương, nhiều công trình đã nghiên cứu tổng hợp các composit của nano HAp trên nền các polime phân hủy sinh học nhằm tạo ra các sản phẩm y sinh có chất lượng và phù hợp với nhu cầu con người. PLA là một polyme nhiệt dẻo đa năng nên được ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật nhờ có độ cứng lớn, có khả năng tương hợp sinh học và phân hủy sinh học. Do độ bền kéo khá cao và tỷ trọng khá nhẹ so với kim loại nên PLA được dùng làm vỏ bọc của viên thuốc, nẹp đỡ trong phẫu thuật chỉnh hình, chỉ khâu vết thương…trong y tế. Sau thời gian sử dụng nhất định trong cơ thể con người, chúng phân hủy mà không gây độc hại trong cơ thể.
[28] Tuy nhiên một số nhược điểm như giòn, độ dãn dài khi đứt thấp, dễ bị thủy phân, quy trình điều chế phức tạp và giá thành cao đã hạn chế khả năng sử dụng của nó. Để khắc phục được các nhược điểm này, PLA đã được trộn hợp với các polyme khác hay với các chất độn bằng nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra các polyme blend và compozit có tính chất như mong muốn, đáp ứng yêu cầu sử dụng [1]. Trong tự nhiên HAp tồn tại ở dạng khoáng chất, thuộc họ apatit và là khoáng chất chính LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trong khung xương, răng của người và động vật. HAp có nhiều ứng dụng trong y sinh học do đặc tính quý giá của chúng: Có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao với các tế bào, các mô, không bị cơ thể đào thải [35].
Tuy nhiên, nhược điểm của HAp là có độ bền cơ học thấp. Để khắc phục nhược điểm và tận dụng ưu điểm của HAp, các nghiên cứu đã chế tạo một tổ hợp compozit bằng cách phân tán bột HAp vào các polyme sinh học như collagen, chitosan, xenluloza, PLA…trong đó PLA là một polyme được lựa chọn bởi những ưu điểm vốn có của nó. Vật liệu nanocompozit PLA/HAp đã được tổng hợp và nghiên cứu tính chất ở ngoài nước[24,61,70]. Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu sử dụng các chất phụ gia như chất hóa dẻo, chất tương hợp để tăng cường tuơng tác và phân tán nano HAp vào PLA, nâng cao tính chất cơ lý nhằm đáp ứng được yêu cầu của vật liệu trong lĩnh vực cấy ghép xương.
Chính vì vậy, luận văn “Tổng hợp và những đặc trưng hóa lý vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp, định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương” được thực hiện với mong muốn đưa ra điều kiện thích hợp để tổng hợp vật liệu PLA/nanoHAp bằng phương pháp dung dịch và nhũ tương. Mục đích nghiên cứu Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố như tỷ lệ PLA:HAp, thời gian phản ứng, tốc độ khuấy, nhiệt độ phản ứng, chất tương hợp, chất ổn đinh và xúc tác đến đặc trưng, tính chất của vật liệu nanocompozit PLA/HAp được tổng hợp bằng hai phương pháp dung dịch và nhũ tương. Thử nghiệm các vật liệu tổng hợp được trong môi trường dung dịch cơ thể người SBF để đánh giá khả năng tương thích sinh học của vật liệu. Phƣơng pháp nghiên cứu 3.
Các phương pháp tổng hợp Tổng hợp nanocompozit PLA/HAp bằng phương pháp dung dịch và nhũ tương được thực hiện trong phòng thí nghiệm của Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các phương pháp phân tích - Phổ hồng ngoại IR được thực hiện trong dải bước sóng 400 – 4000 cm-1 trên máy FT – IR 6700 của hãng Nicolet tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam nhằm xác định các nhóm chức đặc trưng của PLA, HAp và vật liệu PLA/HAp. - Phương pháp phân tích hình thái bằng kính hiển vi điện tử quét: xác định hình thái của vật liệu tổng hợp trên thiết bị EM S4800 của hãng Hitachi tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. - Phương pháp nhiễu xạ tia X để xác định cấu trúc pha của HAp biến tính, vật liệu PLA/HAp được thực hiện trên máy nhiễu xạ Sitôiens D5005 Bruker – Germany của Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
- Phân tích nhiệt TGA để xác định hàm lượng LA ghép lên HAp, thực hiện trên máy DTG-60H tại bộ môn Hóa lý thuyết và Hóa lý, khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội. - Độ bền kéo và modun đà hồi của vật liệu PLA/HAp được thực hiện trên máy Instron 1121 tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính chất vật lý Hydroxyapatit (HAp) với công thức Ca10(PO4)6(OH)2 tồn tại ở trạng thái tinh thể, có màu trắng, trắng ngà, vàng, nâu hoặc xanh lơ.
[67], nóng chảy ở nhiệt độ 1760oC và sôi ở nhiệt độ 2850 oC. Ở 25oC, khả năng hoà tan trong 100g nước của HAp là 7g (0,7g/l), trọng lượng phân tử là 1004,6 và trọng lượng riêng là 3,156g/ml, độ cứng theo thang Mohs bằng 5. Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HAp bao gồm các ion Ca 2+, PO43- và OH-. Ô mạng này có dạng hình lục phương (hecxagonal), thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a = 0,9417 nm, b = 0,9417 nm, c = 0,6875 nm, α = β = 90 o và γ = 120o [43].
Đây là cấu trúc thường gặp của HAp nhân tạo và HAp tự nhiên trong xương và răng [53]. Cấu trúc của HAp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tuỳ theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp siêu âm hoá học.) cũng như các điều kiện khác nhau trong quá trình tổng hợp (như thay đổi nhiệt độ phản ứng, pH, tốc độ nạp liệu, thời gian già hoá sản phẩm.) mà các tinh thể HAp tồn tại ở các hình dạng khác nhau như hình que, hình kim, hình sợi, hình vảy, hình trụ hoặc hình cầu [30, 56]. Các dạng tồn tại của tinh thể HAp có thể nhận biết và nghiên cứu bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét EM Hình 1. a) Hình vảy b) Hình cầu c) Hình sợi d) Hình que e) Hình trụ g) Hình kim Hình 1.
Một số hình dạng khác nhau của HAp 1. Tính chất hóa học Công thức cấu tạo của phân tử HAp được thể hiện như trong hình 1.3, có thể nhận thấy phân tử HAp có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca-O là liên kết cộng hoá trị. Hai nhóm -OH được gắn với nguyên tử P ở hai đầu mạch. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Công thức cấu tạo của phân tử HAp [25] Về mặt hoá học, HAp có một số tính chất sau đây: - HAp không phản ứng với kiềm, phản ứng với axit tạo thành các muối canxi và nước: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl → 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1.1) - HAp tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800oC đến 1200oC tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng: Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10-x(PO4)6(OH)2-4xOx + 2xH2O + xCaO ( 1.2) - Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HAp bị phân huỷ thành các chất khác trong nhóm canxi photphat tuỳ theo điều kiện. Ví dụ tạo thành β-Ca3(PO4)2 hay tetra canxi photphat Ca4P2O9 như các phương trình sau: Ca10(PO4)6(OH)2 → 2β-Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + 2H2O (1.4) - Không có tính bền cơ lý đủ để thay thế, cấy ghép hoàn toàn cho những vùng xương chịu tải nặng của cơ thể. HAp thường được sử dụng ở dạng bột hoặc biến thể của bột. Bột HAp rất khó nung kết khối do khi nung dễ bị phân huỷ biến đổi thành phần.
Nguyên nhân là do HAp bị phân huỷ tạo thành các sản phẩm khác trong hệ CaO-P2O5. Để sản xuất khối HAp thành sản phẩm thương mại đòi hỏi phải nung kết ở nhiệt độ khoảng 1000 oC. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khi HAp ở kích thước nano, mật độ tiếp xúc bề mặt sinh học tăng và phù hợp với các kích thước của khoáng trong xương nên hoạt tính của bột HAp tăng lên. Ngoài ra việc kết khối vật liệu trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Tính chất sinh học Canxi và photpho là những nguyên tố tồn tại trong xương và răng, chúng cũng tồn tại trong tự nhiên dưới dạng flo-apatit Ca10(PO4)6F2, là một trong các hợp chất khoáng có tên chung là "apatit". Các apatit là các hợp chất bền hoá, có thành phần tương tự như các khoáng trong xương. Tuỳ thuộc tỉ lệ Ca/P, pH, sự hiện diện của nước, nhiệt độ, độ tinh khiết của sản phẩm mà ta thu được các pha khác nhau [10]. Nói chung các vật liệu làm từ canxi photphat có khả năng chống lại sự tấn công của vi khuẩn, sự thay đổi pH và điều kiện dung môi.
Tuy nhiên, nhóm vật liệu này có tính bền cơ thấp, diện tích bề mặt riêng nhỏ (2 - 5m2/g) và liên kết giữa các tinh thể bền chặt. Trong khi đó, các thành phần khoáng trong xương (kích thước nano) có diện tích bề mặt riêng lớn, được phát triển trong môi trường hữu cơ, liên kết giữa các tinh thể lỏng lẻo. Đặc điểm này tạo ra sự khác nhau về khả năng hấp thụ của chúng [6, 21]. Trong các pha canxi photphat thì pha HAp có khả năng phân huỷ chậm nhất nên các tế bào xương có thời gian để hoàn thiện và phát triển.
Điều này dẫn đến khả năng ứng dụng trong y học của HAp là nhiều nhất [7]. Do có cùng bản chất và thành phần hóa học, HAp tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao. Ở dạng bột mịn, kích thước nano, HAp là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng.