Tóm tắt Luận án - Chế tạo và đặc trưng của vậtc liệu tổ hợp polyaxit lactic/nano hydroxyapatit định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương

Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Đinh Thị Mai Thanh 2. GS. TS. Thái Hoàng Phản biện1: PGS.TS. Phạm Thế Trinh Phản biện 2: PGS.TS. Lê Minh Cầm Phản biện 3: PGS.TS. Hồ Anh Sơn Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại Học viện Khoa học và công nghệ- Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam vào hồigiờ, ngàytháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện quốc gia 2. Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ. 3 A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học của đề tài Hiện nay, trong nghành phẫu thuật chấn thương chỉnh hỉnh có nhiều loại vật liệu dùng trong cấy ghép xương phổ biến như: thép không gỉ 316L, hợp kim của Coban (CoNiCrMo), titan kim loại và hợp chất của titan (Ti6Al4V, TiN, TiO2). Các vật liệu này có độ bền cơ lý hóa tốt, trơ với môi trường dịch cơ thể người. Tuy nhiên, khi tổn thương xương đã lành cần tái phẫu thuật để lấy vật liệu ra khỏi cơ thể. Để khắc phục hạn chế này, các nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo vật liệu composit tự tiêu với thành phần nền là polyme phân huỷ sinh học và thành phần gia cường là canxi hydroxyapatit HAp (thành phần chính của mô cứng). Nhiều công trình đã công bố về lĩnh vực này với nhiều loại polyme khác nhau như: chitosan, polyamit, poly (axit lactic-co-glycolic), poly (D- ,L-lactit), polylactit/chitosan, alginat. Các phương pháp phổ biến chế tạo vật liệu là điện di, trộn nóng chảy, vi nhũ và phương pháp dung dịch sử dụng các dung môi có độ phân cực, nhiệt độ sôi và khả năng bay hơi khác nhau như diclometan, cloroform, dimetylfomamit. Các phương pháp này có ưu điểm tạo ra vật liệu đa dạng (dạng màng mỏng, dạng khối), có tính năng cơ lý tốt. Tuy nhiên một số đặc trưng để làm vật liệu thay thế xương có độ xốp chưa cao, không sử dụng chất tương hợp nên liên kết các pha trong vật liệu bị hạn chế. Chính vì vậy, đề tài “Chế tạo và đặc trưng của vật liệu tổ hợp poly axit lactic/nanohydroxyapatit định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương” là cần thiết, có tính khoa học và khả năng ứng dụng cao trong nghành phẫu thuật, chỉnh hình. 2. Nội dung và mục đích nghiên cứu của luận án Tổng hợp nanohydroxyapatit; nanohydroxyapapit pha tạp magie, kẽm; nanohydroxyapapit pha tạp đồng thời magie và kẽm, biến tính nanoHAp và nanoHAp pha tạp bằng axit lactic nhằm nâng cao khả năng tương hợp của bột nano trên nền poly axit lactic và nghiên cứu hình thái cấu trúc của chúng. Chế tạo các vật liệu tổ hợp trên cơ sở poly axit lactic và các bột nanoHAp tổng hợp được. Nghiên cứu hình thái cấu trúc, độ xốp, các tính năng cơ lý của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp. Thử nghiệm khả năng tương thích sinh học của các vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp trong môi trường mô phỏng dịch cơ thể người (SBF) và quá trình cấy ghép vật liệu trên xương chó thực nghiệm. 3. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và những đóng góp mới của luận án Đã tổng hợp thành công HAp pha tạp biến tính (trong đó HAp pha tạp đồng thời Mg và Zn). Chế tạo thành công vật liệuPLA/nanoHApptbt/PEO/NH4HCO3(70/30/5/20) bằng phương pháp dung dịch. Dùng chất tương hợp poly etylenoxit làm tăng liên kết hai pha PLA và HAp trong vật liệu tổ hợp.Dùng chất tạo xốp amoni hidrocacbonat cho vật liệu tổ hợp có độ xốp cao. Thử nghiệm vật liệu PLA/nanoHApptbt/PEO/NH4HCO3(70/30/5/20) trên cơ thể chó thực nghiệm cho thấy vật liệu tương thích tốt, không gây nênphản ứng viêm hoặc bất thường về cấu trúc và hình thể. Vật liệu đáp ứng các yêu cầu của vật liệu cấy ghép xương. 4. Cấu trúc của luận án Luận án bao gồm 115 trang: mở đầu (3 trang), tổng quan (34 trang), thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu (16 trang), kết quả và thảo luận (62 trang), kết luận (1 trang), những đóng góp mới của luận án (1 trang), danh mục các công trình khoa học đã công bố (1 trang), có 50 bảng biểu, 67 hình và đồ thị, 126 tài liệu tham khảo. 4 B. PHẦN NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG I. TỔNG QUAN Đã tổng hợp các tài liệu trong và ngoài nước về tính tính chất, các phương pháp tổng hợp, ứng dụng của bột HAp, PLA, vật liệu tổ hợp PLA/HAp. Từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu cho luận án. CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu và hóa chất * Hóa chất: Ca(NO3)2.4H2O, (NH4)2HPO4, Zn(NO3)2.6H2O, NH4OH 25%, NaCl, NaHCO3, KCl, Na2HPO4.2H2O, MgCl2.6H2O, CaCl2, KH2PO4, MgSO4.7H2O, Glucozơ, NH4HCO3, Diclorometan, Clorofom, Đimethylformamit, Axit lactic, Tetra hydrofuran, Xylen, Etyl axetat, Poly axitlactic, Poly (etylen oxit), Poly (etylen glycol), Polycaprotacton. Ketamin, Gentamycin, cồn 700, NaCl. Các hóa chất dùng cho tổng hợp đều của hãng Merck, Sigma Aldrich, các dung môi của Xilong. * Thiết bị: Cân điện tử (độ chính xác 0,1mg), Máy khuấy từ có điều chỉnh nhiệt độ, Máy đo pH, Bộ cất Dean Stack Trap, Máy ép Toyoseiki , Máy trộn kín hai trục loại Roller – Rheomix 610, Tủ sấy, Máy ghi phổ hồng ngoại Nicolet Nexus 670 Fourier, Máy nhiễu xạ tia X (Xray), SIEMENS D5000, Kính hiển vi điện tử quét S4800, Máy phân tích nhiệt TGA-50H, Máy đo tán xạ năng lượng tia X Jeol 6490 JED 2300, Máy đo mô đun đàn hồi Zwick Z2.5, Máy phân tích huyết học Swelab Alpha, Cắt lát mỏng 5 m trên máy cắt, Máy CanoScan với độ phân giải 3200x1200 pixels, Hệ thống Powerlab, phần mềm Labchart. 2.2. Tổng hợp vật liệu 2.2.1. Phương pháp tổng hợp các bột nano * Quá trình tổng hợp các bột nano theo sơ đồ hình 2.1. 2.2.2. Biến tính bề mặt bột HAp, HAppt * Quá trình biến tính bề mặt bột HAp theo sơ hình 2.2. 2.2.3. Chế tạo vật liệu tổ hợp PLA/nano-HAp bằng phương pháp dung dịch * Quá trình chế tạo vật liệu tổ hợp PLA/nano-HAp bằng phương pháp dung dịchtheo sơ đồ hình 2.3. Hình 2.1. Sơ đồ tổng hợp bột nano HAp, HAppt Hình 2.2 Sơ đồ biến tính bề mặt bột HAp, HAppt 5 Ðp vËt liÖu (180oC, 4 phót, 10MPa) Bét nano, 10g PLA, 100ml dung m«i, chÊt t-¬ng hîp, 0,1g xenetic §un håi l-u, khuÊy 1000 vßng/phót H¹ nhiÖt ®é vÒ nhiÖt ®é phßng Thªm NH4HCO3, KhuÊy 10 phót Bay h¬i dung m«i (to phßng, ¸p suÊt thÊp) Hçn hîp ®ång nhÊt VËt liÖu d¹ng tÊm VËt liÖu kh« Hình 2.3 Sơ đồ chế tạo vật liệu tổ hợp PLA/nano-HAp bằng phương pháp dung dịch 3. Các phương pháp nghiên cứu Trong luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu: - Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), nhiễu xạ tia X (XRay), kính hiển vi điện tử quét (SEM), tán xạ năng lượng tia X (EDX), phân tích nhiệt trọng lượng TGA, xác định tính chất cơ học, xác định độ xốp mở, thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF). -Các phương pháp ghép vật liệu trên xương chó thực nghiệm. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu đặc trưng hóa lý của HAp, HAp pha tạp kẽm hoặc magie 3.1.1. Thành phần của bột HAp, HAp pha tạp kẽm hoặc magie Kết quả EDXkhẳng định Zn, Mg đã được pha tạp vào HAp. Tỷ lệ Ca/P của mẫu HAp, HAp pha tạp phù hợp với tỷ lệ tính toán theo lý thuyết. Tỉ lệ (Ca+Zn)/P, (Ca+Mg)/P nhỏ hơn so với lý thuyết, như vậy hiệu suất pha tạp Zn, Mg nhỏ hơn 100%.Khi tăng lượng kẽm, magie pha tạp thì các pic của Zn, Mg có cường độ tăng dần tương ứng với % khối lượng các nguyên tố pha tạp tăng 1,21% - 6,62% (Zn); 0,99% - 4,4% (Mg) và phần trăm nguyên tử của các nguyên tố cũng tăng từ 0,41% - 2,22% (Zn); 0,92% - 4,08% (Mg). Hình 3.1. Phổ tán xạ năng lượng tia X của HAp , HAp pha tạp Zn tỉ lệ 9,5/0,5; 9/1; 8/2; HAp pha tạp Mg tỉ lệ 9,5/0,5; 9/1; 8/2. 6 Bảng 3.1. Phần trăm khối lượng (% m), nguyên tử (% a) của các mẫu HAp, Zn-HAp, Mg- HAp ở các tỉ lệ Ca/Zn, Ca/Mg khác nhau. Nguyên tố O P Ca Zn Mg HAp % m 49,23 16,11 34,66 % a 68,97 11,65 19,38 Zn-HAp 9,5/0,5 % m 50,28 15,88 32,63 1,21 % a 70,02 11,42 18,14 0,41 9/1 % m 48,00 17,18 33,19 1,63 % a 68,07 12,58 18,78 0,57 8/2 % m 50,87 15,39 27,11 6,62 % a 72,03 10,09 14,85 2,22 Mg-HAp 9,5/0,5 % m 47,31 17,73 33,97 0,99 % a 66,94 12,96 19,18 0,92 9/1 % m 42,67 18,88 36,62 2,03 % a 62,29 14,30 21,44 1,96 8/2 % m 46,22 18,36 31,02 4,40 % a 65,12 13,36 17,44 4,08 Bảng 3.2. Tỉ lệ Ca/P, (Ca+Zn)/P, Ca/P/O, (Ca+Zn)/P/O, hiệu suất pha tạp (Hpt) và hiệu suất tổng hợp (Hth) của bột Zn-HAp với các tỉ lệ Ca/Zn ban đầu khác nhau Ca/Zn LT 9,5/ 0,5 9/1 8/2 TN 9,5/0,21 9/0,27 8/1,2 Ca/P LT 1,583 1,5 1,33 TN 1,588 1,49 1,36 (Ca+Zn)/P LT 1,67 TN 1,62 1,54 1,57 Ca/P/O LT 9,5/6/26 9/6/26 8/6/26 TN 9,5/5,98/36,67 9/6,37/32,62 8/5,87/38,8 (Ca+Zn)/P/O LT 10/6/26 TN 10/6,16/37,75 10/5,91/42,2 10/6,39/42,2 H pt (%) 34,45 23,95 53,69 H th (%) 92 86 90 Bảng 3.3. Tỉ lệ Ca/P, (Ca+Mg)/P, Ca/P/O, (Ca+Mg)/P/O, hiệu suất pha tạp (Hpt) và hiệu suất tổng hợp (Hth) của bột Mg-HAp với các tỉ lệ Ca/Mg ban đầu khác nhau Ca/Mg LT 9,5/ 0,5 9/1 8/2 TN 9,5/0,4 9/0,8 8/1,87 Ca/P LT 1,58 1,50 1,33 TN 1,48 1,50 1,31 (Ca+Mg)/P LT 1,67 TN 1,55 1,64 1,61 Ca/P/O LT 9,5/6/26 9/6/26 8/6/26 TN 9,5/6,2/32 9/6/26,15 8/6,13/29,87 (Ca+Mg)/P/O LT 10/6/26 TN 10/6,46/ 33,3 10/6,1/ 26 10/6,21/30,26 H pt (%) 82,5 83,57 85,71 H th (%) 87,35 98,12 89,34 3.1.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X Lựa chọn tỉ lệ Mg và Zn pha tạp tối đa là 20% về số mol để tổng hợp Mg-HAp, Zn- HAp có cấu trúc tinh thể, đơn pha tương tự như HAp 7 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 * * * * * * * * * * * * HAp Ca/Zn=10/0 Ca/Zn=9,5/0,5 Ca/Zn=9/1 Ca/Zn=8/2 2 (®é) C - ê n g ® é n h iÔ u x ¹ 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 * * * * * * * * * * * * HAp Ca/Mg=10/0 Ca/Mg=9,5/0,5 Ca/Mg=9/1 Ca/Mg=8/2 2 (®é) C - ên g ® é n h iÔ u x ¹ Hình 3.2. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Zn-HAp với tỉ lệ Ca/Zn biến đổi từ 10/0 đến 8/2 Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Mg-HAp với các tỉ lệ Ca/Mg biến đổi từ 10/0 đến 8/2 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Ca/Mg=4/6 Ca/Mg=6/4 Ca/Mg=2/8 2 (®é) C - ê n g ® é n h i Ô u x ¹ 1 1 1 11 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 4 4 44 4 1 1 222 3 3 3 3 3 Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của HAp pha tạp Zn với các tỉ lệ Ca/Zn biến đổi từ 6/4 đến 2/8 Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của HAp pha tạp Mg với các tỉ lệ Ca/Mg biến đổi từ 6/4 đến 2/8 1: Zn(OH)2, 2: Ca3(PO4)2, 3: Zn3(PO4)2, 4: Ca(PO3)2, 5: Ca2,993H0,014(PO4)2, 6: Ca10(PO4)6O, 7: Zn4(PO4)2(OH)2. 3H2O, 8: ZnP2, 9: Zn(PO3)2 1: HAp, 2: Mg3(PO4)2, 3: MgHPO4.3H2O, 4: CaPO3(OH).2H2O) Bảng 3.4. Đường kính tinh thể trung bình (D) của HAppt tính được từ giản đồ nhiễu xạ tia X Tỉ lệ Ca/M 10/0 9,5/0,5 9/1 8/2 D Zn-HAp (nm) 24,6 22,2 21,4 11,9 D Mg-HAp (nm) 18,6 18,5 Bảng 3.6. Giá trị hằng số mạng a, b, c và thể tích tinh thể (V) của HAp pha tạp kẽm, magie a (Ǻ) b (Ǻ) c (Ǻ) V (Ǻ3) HAp 9,440 9,440 6,898 532,3507 Zn-HAp Ca/Zn = 9,5/0,5 9,432 9,432 6,881 530,139 Ca/Zn = 9/1 9,422 9,422 6,870 528,1698 Ca/Zn = 8/2 9,416 9,416 6,866 527,1902 Mg-HAp Ca/Mg = 9,5/0,5 9,428 9,428 6,876 529,3046 Ca/Mg = 9/1 9,420 9,420 6,872 528,0993 7 8 9 7 7 7 Ca/Zn=2/8 5 6 6 6 5 3 Ca/Zn=4/6 3 1 3 1 2 4 1 1 Ca/Zn=6/4 4 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 C ư ờ n g đ ộ n h iễ u x ạ 2 (độ) 8 3.1.3. Hình thái của bột HAp, Zn-HAp, Mg-HAp Khi tăng hàm lượng Zn, Mg hình thái bề mặt của HAp, Zn-HAp, Mg-HAp như nhau, có dạng hình trụ nhỏ.Kích thước tinh thể giảm dần khi hàm lượng kẽm, magie tăng, phù hợp với kết quả từ giản đồ nhiễu xạ tia X. Hình 3.6. Ảnh SEM của các mẫu HAp, Zn-HAp, Mg-HAp với các tỉ lệ Ca/Zn, Ca/Mg khác nhau 9 Bảng 3.7. Kích thước hạt trung bình của HAp, Zn-HAp, Mg-HAp tính được từ ảnh SEM HAp Zn-HAp Mg-HAp 9/1 8/2 9/1 Kích thước hạt (nm) 19 ×29 16 × 22 13 × 20 13 × 22 Kết quả phần 3.1: Bột HAp, Zn-HAp, Mg-HAp được tổng hợp với hiệu suất cao (>84,64%). Bột Zn-HAp và Mg-HAp với tỉ lệ Ca/Zn, Ca/Mg nhỏ hơn 8/2 có cấu trúc tinh thể, đơn pha của HAp. Hình thái học của bột HAp pha tạp không thay đổi, kích thước tinh thể giảm so với HAp không pha tạp. Các thông số mạng a, b, c giảm cho thấy kẽm, magie đã đi vào cấu trúc mạng tinh thể của HAp. Hàm lượng pha tạp Zn khoảng 1,2% - 6,6%, Mg khoảng 1,0% - 2,0% về khối lượng. 3.2. Biến tính hữu cơ bề mặt HAp 3.2.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ HAp:LA Tỉ lệ khối lượng của HAp:LA được khảo sát lần lượt là 100/60, 100/80, 100/100, 100/200, 100/250. Các mẫu được nghiên cứu bằng IR, SEM,TGA, XRD. Kết quả TGA cho thấy khi giảm tỷ lệ HAp/LA từ 100/60 đến 100/200, lượng LA ghép vào HAp tăng (đến15,94%). Khi tỷ lệ HAp/LA giảm đến 100/250 lượng LA ghép vào HAp tăng không nhiều (~0,5%). Do đó tỷ lệ 100/200 HAp/LA được lựa chọn để biến tính HAp bằng LA (hình 3.7, bảng 3.8) Nhiệt độ (oC) Hình 3.7. Giản đồ TGA của các mẫu biến tính với tỉ lệ HAp:LA khác nhau Bảng 3.8. Tổn hao khối lượng (%) của các mẫu biến tính ở nhiệt độ 800oC Mẫu HAp 100/60 100/80 100/100 100/200 100/250 Tổn hao khối lượng (%) 4,01 8,37 11,39 16,47 19,95 20,53 Hàm lượng LA ghép(%) 0,0 4,36 7,38 12,46 15,94 16,52 Các mẫu HAp biến tính có dạng phổ IR cho thấy axit lactic đã ghép lên trên bề mặt của HAp. Quá trình ghép LA lên HAp là phản ứng este hóa của nhóm COOH trong LA và OH trong HAp: OHHO OH OHHO nano HAp OO O OO nano HAp CH3 O OH CH3 O HO CH3 O HO H3C O HO H3C O HO H3C O HO OH THF, xylen Các mẫu HAp biến tính ở các tỷ lệ HAp/LA khác nhau vẫn có dạng hình trụ giống như HAp chưa biến tính, tinh thể và đơn pha tương tự như HAp (hình 3.9, bảng 3.10) 100/60 100/200 HAp 100/250 100/80 100/100 75 80 85 90 95 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Nhiệt độ (oC) P h ầ n t ră m k h ố i lư ợ n g 10 Hình 3.8. Phổ IR của HAp, LA và HAp biến tính với tỷ lệ HAp:LA khác nhau Bảng 3.9. Trị số các dao động liên kết của các nhóm chức trong phân tử HAp, LA và HApbt Dải số sóng (cm-1) Liên kết Nhóm chức, hợp chất 3430 - 3471 O-H -COOH, -OH 2995 C-H Ankyl 1742-1743 C=O -COOH, cacbonyl 1131-1133 C-O Ancol 1094-1095 P=O phosphat Hình 3.9. Ảnh SEM của HAp, HAp biến tính ở các tỷ lệ HAp/LA khác nhau Bảng 3.10. Kích thước trung bình của HAp, HApbt tổng hợp ở các tỷ lệ khác nhau Tỷ lệ HAp:LA 100/0 100/60 100/80 100/100 100/200 Kích thước TB HAp-bt (nm) 19 x 29 24 x 36 25 x 54 29 x 64 30 x 78 Hình 3.10. Giản đồ nhiễu xạ tia X của HAp, HAp biến tính với tỉ lệ HAp: LA là 100/200 3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng Biến tính HAp bằng LA ở tỷ lệ 100/200,150oC, thay đổi thời gian phản ứng: 3 giờ, 16 giờ, 21 và 24 giờ. Khi tăng thời gian phản ứng 3 giờ, 16 giờ, 21 giờ và 24 giờ, hàm lượng LA 5001000150020002500300035004000 100/60 100/80 100/100 100/200 LA HAp Sè sãng (cm-1) § é t ru y Òn q u a 3430 3471 3467 3461 3455 3449 2995 2995 1743 1095 1743 1742 1743 1133 (C-O alcol) 1133 1132 1131 1133 1095 1096 1095 1094 OH C-H C=O PO4 3- HAp:LA = 100:200 HAp * * * * * * * * * HAp 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 C ư ờ n g đ ộ n h iễ u x ạ 2 (độ) 11 ghép tăng dần tương ứng là: 6,38%; 14,55%, 15,94% và 16,29%. Trong khoảng thời gian từ 21 đến 24 giờ, hàm lượng LA ghép hầu như không tăng. Như vậy, thời gian phản ứng 21 giờlà thích hợp để ghép LA vào HAp (hình 3.11). Nhiệt độ (oC) Hình 3.11. Giản đồ TGA của các mẫu HAp biến tính bằng LA với thời gian phản ứng khác nhau Hình 3.12. Ảnh SEM của HAp và HAp biến tính (tỉ lệ HAp/LA=100/200) ở những thời gian phản ứng khác nhau 3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 5001000150020002500300035004000 110oC 130oC 150oC HAp LA 3430 3471 3449 3470 3455 2995 2995 1743 1133 (C-O ancol) 1095 1743 1742 1133 1133 1096 -OH C-H C=O PO4 3- Sè sãng (cm-1) § é t ru y Òn q u a Hình 3.13. Phổ IR của LA, HAp và HAp biến tính ở các nhiệt độ khác nhau Kết quả phổIR, TGA cho thấy LA đã được ghép lên HAp, khả năng ghép tăng với sự tăng nhiệt độ, hàm lượngghép đạt giá trị lớn nhất (15,94%) ở nhiệt độ 150oC. Do vây, chọn nhiệt độ150oC cho khảo sát tiếp theo (hình 3.13, 3.14). 3 giờ 16 giờ 21 giờ 24 giờ HAp 75 80 85 90 95 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Nhiệt độ (oC) P h ầ n t ră m k h ố i lư ợ n g 12 Nhiệt độ (oC) Hình 3.14. Giản đồ TGA của HAp và HAp biến tính ở các nhiệt độ khác nhau 200nm 200nm 110oC 130oC Hình 3.15. Ảnh SEM của các mẫu HAp biến tính ở nhiệt độ khác nhau Bảng 3.11. Kích thước trung bình của HAp biến tính ở nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ 110oC 130oC 150oC Kích thước hạt (nm) 24 × 30 26 ×56 30 × 78 3.2.4. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy Kết quả IR,TGA khẳng định LA đã ghép vào HAp, hàm lượng ghép lớn nhất (15,94%) ở tốc độ khuấy 750 vòng/phút. Vì vậy, chọn tốc độ khuấy 750 vòng/phút cho nghiên cứu tiếp theo (hình 3.16, 3.17). 1743 11333460 2995 1743 11333440 1743 11343449 10953471 2995 1133 1743 3430 5001000150020002500300035004000 LA HAp 900v/p 750v/p 450v/p Sè sãng (cm-1) § é t ru y Òn q u a OH C-H C=O PO4 3- Hình 3.16. Phổ IR của LA, HAp và HAp biến tính ở các tốc độ khuấy khác nhau 110oC 130oC 150oC HAp 75 80 85 90 95 100 0 200 400 600 800 1000 Nhiệt độ (oC) P h ầ n t ră m k h ố i lư ợ n g 13 P h ần t ră m k h ố i lư ợ n g Nhiệt độ (oC) Hình 3.17. Giản đồ TGA của HAp, HAp biến tính ở các tốc độ khuấy khác nhau Hình 3.18. Ảnh SEM của HAp biến tính ở các tốc độ khuấy khác nhau. Bảng 3.12. Kích thước trung bình của HApbt với tốc độ khuấy khác nhau Tốc độ khuấy (vòng/phút) 450 750 900 Kích thước hạt HApbt (nm) 27 × 37 30 × 78 24 × 43 3.2.5. HAp pha tạp biến tính HAp pha tạp đồng thời Mg và Zn với tỉ lệ Ca/Mg/Zn = 9/0,5/0,5, sau đó biến tính bằng axit lactic ở điều kiện thích hợp (HAppt/LA = 100/200; 150oC; 750 vòng/phút; 21 giờ). Hình 3.19. Phổ tán xạ năng lượng tia X của mẫu HAp pha tạp Mg, Zn biến tính Bảng 3.13. Phần trăm nguyên tử, phần trăm khối lượng của các nguyên tố và tỉ lệ Ca/Mg/Zn, tỉ lệ Ca/P, tỉ lệ (Ca+Mg+Zn)/P của mẫu HAp pha tạp Mg, Zn biến tính Nguyên tố C O Mg P Ca Zn % nguyên tử 35,39 50,44 0,41 5,04 8,25 0,46 % khối lượng 24,16 45,88 0,57 8,87 18,8 1,72 Tỉ lệ Ca/Mg/Zn 9/0,45/0,5 Tỉ lệ Ca/P 9/5,5 Tỉ lệ (Ca+Mg+Zn)/P 10/5,5 750v/p 450v/p 900v/p HAp 75 80 85 90 95 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Nhiệt độ (oC) P h ầ n t ră m k h ố i lư ợ n g 14 Kết quả phần 3.2: Biến tính thành công bột nano HAp, HAp pha tạp bằng LA. Lựa chọn điều kiện biến tính thích hợp: tỷ lệ HAp:LA là 100:200; thời gian phản ứng 21 giờ; nhiệt độ phản ứng 150oC; tốc độ khuấy 750 vòng/phút. HAp biến tính có dạng hình trụ đơn pha giống HAp ban đầu. 3.3. Đặc trưng vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp chế tạo bằng phương pháp dung dịch 3.3.1. Vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp 3.3.1.1. Ảnh hưởng của dung môi Vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp tổng hợp trong các dung môi đimetylfocmamit (DMF), điclorometan (DCM) và cloroform (CF). Từ kết quả ảnh SEM (hình 3.20) và độ bền cơ lý (hình 3.21), lựa chọn dung môi DCM cho khảo sát tiếp theo. 10.0m 10.0m Clorofom Diclometan 10.0m Dimetylformamit Hình 3.20. Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp chế tạo với tỷ lệ PLA:HAp 80/20 trong các dung môi 0 10 20 30 40 Clorofom DMF § é b Ò n k Ð o ® ø t (M P a ) DCM DCM DMF CF DCM DMF CF 0 500 1000 1500 Clorofom DMF M o d u n ® µ n h å i (M P a ) DCM Hình 3.21.Độ bền kéo đứt, mo đun đàn hồi của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp 80/20 chế tạo trong các dung môi khác nhau 3.3.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ PLA:HAp Khảo sát các tỷ lệ PLA:HAp khác nhau: 80/20, 70/30, 60/40, thời gian phản ứng 2 giờ tại nhiệt độ phòng. Khả năng phân tán của HAp trong nền PLA giảm khi tăng hàm lượng HAp (hình 3.23), phù hợp với sự giảm độ bền cơ học của vật liệu (hình 3.24). Lựa chọn tỷ lệ PLA: HAp 80/20cho những nghiên cứu tiếp theo. 5001000150020002500300035004000 29902995 3470 1755 1095 OH C-H C=O PO4 3- Sè sãng (cm-1) § é t ru y Òn q u a PLA HAp 80/20 70/30 60/40 3498 3498 3500 1749 1750 1750 Hình 3.22. Phổ IR của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp chế tạo ở tỉ lệ HAp:PLA khác nhau trong dung môi DCM 15 Bảng 3.14. Số sóng của các nhóm chức đặc trưng bị dịch chuyển trong vật liệu PLA/nanoHAp so với HAp, PLA ban đầu Nhóm HAp  (cm-1) PLA  (cm-1) PLA/nanoHAp  (cm-1)  (OH-) liên kết 3470 - 3450  (CH3) - 2990 2990  (CH) - 2995 2995  (C=O) - 1755 1750 3 (PO43-) 1095 - 1095 PLA/HAp =80/20 10,0 m 10,0 m PLA/HAp =70/30 PLA/HAp =60/40 10,0 m 10,0 m PLA/HAp =40/60 PLA/HAp =30/70 10,0 m 10,0 m PLA/HAp =20/80 Hình 3.23. Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp chế tạo ở các tỷ lệ PLA:HAp khác nhau 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 20/80 30/70 40/60 60/40 70/30 80/20 § é b Ò n k Ð o ® ø t (M P a ) 0 400 800 1200 1600 20/80 30/70 40/60 60/40 70/30 80/20 M o d u n ® µ n h å i (M P a ) Hình 3.24. Độ bền kéo đứt và mo đun đàn hồi của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp chế tạo ở các tỷ lệ khác nhau 3.3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng Khi thời gian tăng từ 30 phút lên 2 giờ, mật độ hạt HAp tăng lên rõ rệt nhưng khi tăng lên 4 giờ, mật độ hạt HAp không tăng (hình 3.25). Như vậy, thời gian phản ứng thích hợp là 2 giờ 30 phút 1,00 m 1,00 m 2 giê 30 phút 1,00 m 1,00 m 4 giê Hình 3.25. Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp chế tạo ở thời gian phản ứng khác nhau 3.3.1.4. Ảnh hưởng của chất tương hợp Kết quả SEM (hình 3.26) và độ bền cơ lý (hình 3.28) cho phép chọn 5% PEO làm chất tương hợp cho quá trình chế tạo vật liệu. 5% PCL0% 10 m10 m 5% PEG 5% PEO 10 m10 m 16 Hình 3.26. Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp có và không có chất tương hợp 0 10 20 30 40 50 10% PEO § é b Ò n k Ð o ® ø t (M P a ) 5% PEO Hình 3.27. Độ bền kéo đứt của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp với PCL, PEG và PEO (5%) Hình 3.28. Độ bền kéo đứt của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp với hàm lượng PEO khác nhau Đã lựa chọn được điều kiện thích hợp để chế tạovật liệu tổ hợp như sau: tỷ lệ phần trăm về khối lượng PLA: HAp là 80/20, dung môi điclorometan, thời gian phản ứng 2 giờ, 5% PEO. 3.3.2. Vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApbt Vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApbt được chế tạo ở điều kiện thích hợp như PLA/nanoHAp, thay đổi tỷ lệ PLA: HApbt là 80/20, 70/30 và 60/40.Từ kết quả SEM (hình 3.29) và độ bền cơ lý (hình 3.30) chọn tỷ lệ PLA: HApbt 70/30 để chế tạo PLA/nanoHApbt. 2,00 m PLA/HApbt = 80/20 2,00 m PLA/HApbt = 70/30 2,00 m PLA/HApbt =60/40 Hình 3.29.Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp ở các tỉ lệ PLA/HApbt khác nhau Hình 3.30. Độ bền kéo đứt của mẫu vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp: 80/20, PLA/nanoHApbt:70/30 và PLA/nanoHApbt: 60/40 3.3.3. Vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt 3.3.3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần PLA/nanoHApptbt Thay đổi tỷ lệ PLA/nanoHApptbt: 80/20, 70/30, 60/40, 50/50, chất tương hợp PEO 5%, thời gian phản ứng 2 giờ,nhiệt độ phòng. Từ kết quả SEM (hình 3.31) và tính chất cơ học (hình 3.32, bảng 3.15),lựa chọn tỷ lệ PLA: HAptbt 70/30 cho khảo sát tiếp theo. 10,0 m PLA/HApptbt =50/50 10,0 m PLA/HApptbt =60/40 10,0 m 10,0 m PLA/HApptbt =70/30 PLA/HApptbt =80/20 Hình 3.31.Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbtchế tạo ở các tỉ lệ khác nhau 0 10 20 30 40 50 60 5% PEO 5% PEG5% PCL § é b Ò n k Ð o ® ø t (M P a ) 0% 0 10 20 30 40 PLA/HAp bt: 60/40 PLA/HAp bt: 70/30PLA/HAp: 80/20 § é b Ò n k Ð o ® ø t (M P a ) 17 0 500 1000 1500 2000 a PLA/HAp 50/50 PLA/HAp 60/40 PLA/HAp 70/30 M o d u n ® µ n h å i (M P a ) PLA PLA/HAp 80/20 0 10 20 30 40 50 60 70 b PLA/HAp 50/50 PLA/HAp 60/40 PLA/HAp 70/30 § é b Ò n k Ð o ® ø t (M P a ) PLA PLA/HAp 80/20 Hình 3.32. Mô đun đàn hồi (a) và độ bền kéo đứt (b) của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbtchế tạo ở các tỷ lệ khác nhau Bảng 3.15. Mô đun đàn hồi và độ bền kéo đứt của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp tổng hợp ở các tỷ lệ khác nhau (PLA/nanoHApptbt /PEO) Mo đun đàn hồi (MPa) Độ bền kéo đứt (MPa) 100/0/0 1830 69,8 80/20/5 1700 48 70/30/5 1680 46,5 60/40/5 1550 33,18 50/50/5 550 23,25 3.3.3.2. Ảnh hưởng của chất tạo xốp Hàm lượng chất tạo xốp (NH4HCO3) có ảnh hưởng đến độ xốp của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt/PEO. Độ xốp mở của vật liệu tổ hợp tăng khi hàm lượng NH4HCO3 tăng(hình 3.33, bảng 3.16). Bảng 3.16. Sự biến thiên độ xốp của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt/PEO với hàm lượng khác nhau của chất tạo xốp NH4HCO3 NH4HCO3 (% khối lượng) Độ xốp (%) NH4HCO3 (% khối lượng) Độ xốp (%) 0 10 10 33 3 12 20 39 7 18 30 49 Hình 3.33. Ảnh hưởng hàm lượng NH4HCO3 đến độ xốp mở của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt/PEO 0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 15 20 25 30 % NH4HCO3 Đ ộ x ố p m ở , % 18 0% NH4HCO3 3% NH4HCO3 2,00 m2,00 m 7% NH4HCO3 10% NH4HCO3 2,00 m 2,00 m 20% NH4HCO3 30% NH4HCO3 2,00 m 2,00 m Hình 3.34. Ảnh SEM của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt/PEO với chất tạo xốp NH4HCO3 ở các tỷ lệ khác nhau Hình 3.35, bảng 3.17 cho thấycác tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp giảm khi độ xốp tăng lên.Với hàm lượng chất tạo xốp nhỏ hơn 20%, các tính chất này giảm không nhiều. Lựa chọntỷ lệ thành phần PLA/nanoHApptbt/PEO/NH4HCO3. 0 400 800 1200 1600 30% 20% 10% 7%3% M o d u n ® µ n h å i (M P a ) PLA/HAp/PEO/NH 4 HCO 3 70/30/5/x 0% (a) 0 10 20 30 40 50 30% 20% 10%7%3% § é b Òn k Ðo ® ø t (M P a ) PLA/HAp/PEO/NH 4 HCO 3 (70/30/5/x)0% (b) Hình 3.35. Mô đun đàn hồi (a) và độ bền kéo đứt (b) của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt/PEO không có và có 3, 7, 10, 20 và 30% khối lượng chất tạo xốp NH4HCO3 Bảng 3.17. Mô đun đàn hồi và độ bền kéo đứt của vật liệu tổ hợp PLA/nanoHApptbt/PEO không có và có 3, 7, 10, 20 và 30% khối lượng chất tạo xốp NH4HCO3 PLA/nanoHApptbt /PEO/NH4HCO3 Mo đun đàn hồi (MPa) Độ bền kéo đứt (MPa) 70/30/5/0 1680 46,5 70/30/5/3 1630 46,2 70/30/5/7 1600 45.9 70/30/5/10 1530 45.5 70/30/5/20 1470 45,1 70/30/5/30 550 18 3.4. Nghiên cứu khả năng tương thích sinh học của vật liệu trong môi trường mô phỏng dịch cơ thể người (dung dịch SBF) Các mẫu: PLA (A), vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp (80/20) (B), PLA/nanoHApbt (70/30)(C), PLA/nanoHApptbt/PEO (70/30/5)(D) và PLA/nanoHApptbt/PEO/NH4HCO3 (70/30/5/20) (E) chế tạo bằng phương pháp dung dịch được ngâm trong dung dịch SBF để đánh giá sự biến đổi pH của dung dịch ngâm, khối lượng mẫu và hình thái cấu trúc bề mặt của vật liệu ở những thời gian ngâm khác nhau. 19 3.4.1. Sự biến đổi pH của dung dịch ngâm và khối lượng mẫu Hình 3.36. Sự biến đổi pH của dung dịch SBF theo thời gian ngâm mẫu Nhìn chung pH của cả năm dung dịch đều giảm dần theo thời gian ngâm và được xắp xếp theo thứ tự: A (PLA) > E >B> D >C (dung dịch) (hình 3.36). Hình 3.37. Sự biến thiên khối lượng của các mẫu khi ngâm trong dung dịch SBF theo thời gian Sau 21 ngày ngâm trong SBF, ngoài mẫu A chứa PLA, khối lượng của các mẫu đều tăng lên cho thấy sự hình thành HAp đã chiếm ưu thế hơn so với sự thủy phân PLA (hình 3.37). 3.4.2. Hình thái bề mặt của vật liệu sau khi ngâm trong dung dịch SBF HAp được hình thành trên bề mặt vật lệu có dạng hình súp lơ và hình vẩy (trước khi ngâm, HAp trong vật liệu có hình trụ) (hình 3.39). PLA tr-íc khi ng©m PLA 7 ngµy 500nm500nm PLA/HAp(80/20) tr-íc khi ng©m PLA/HAp(80/20) 7 ngµy 500nm500nm PLA/HApbt(70/30) tr-íc khi ng©m PLA/HApbt(70/30) 7 ngµy 500nm500nm / bt( / ) tr i / bt( / ) µ 500n500n PLA/HApptbt/PEO(70/30/5) tr-íc khi ng©m PLA/HApptbt/PEO(70/30/5) 7 ngµy 500nm500nm PLA/HApptbt/PEO(70/30/5) tr-íc khi ng©m / Apptbt/PEO(70/30/5) 7 ngµy 500nm500n Hình 3.38. Ảnh SEM của các mẫu trước và sau khi ngâm 7 ngày 20 3.4.3. Thành phần pha của PLA, vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp tổng hợp bằng phương pháp dung dịch trước và sau khi ngâm trong SBF Giản đồ nhiễu xạ tia X của HAp (hình 3.39) chỉ ra hai pic đặc trưng tại 2θ = 25,86o và 31,74o, PLA chỉ ra hai vạch nhiễu xạ đặc trưng ở 2θ = 16,95o và 19,51o. PLA là một polyme bán kết tinh, chứa 54 ± 1 % pha tinh thể(hình 3.40). Hình 3.39. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu trước và sau khi ngâm mẫu Kết quả phần 3.4: Lựa chọn vật liệu PLA/nanoHApptbt/PEO/NH4HCO3 (70/30/5/20) để nghiên cứu thử nghiệm làm vật liệu ghép xương. 3.5. Thử nghiệm sử dụng vật liệu PLA/nanoHApptbt/PEO/NH4HCO3làm vật liệu ghép xương 3.5.1. Giai đoạn trước phẫu thuật Các kết quả nghiên cứu của động vật trước phẫu thuật cho thấy động vật khỏe manh, có các chỉ số nằm trong giới hạn bình thường, đủ tiêu chuẩn tiến hành thử nghiệm cấy ghép xương. 3.5.2. Giai đoạn cấp tính (trong vòng 1 tuần sau phẫu thuật) 3.5.2.1. Tình trạng tại chỗ vết mổ Kết quả cho thấy sau phẫu thuật1 tuần, quá trình viêm đã bắt đầu dừng lại và giảm đi. Đây là sự biến đổi thông thường với các vết phẫu thuật không nhiễm khuẩn. Hình 3.40. Vết mổ tại vùng đùi chó 1 ngày sau phẫu thuật Bảng 3.27. Chu vi vùng đùi chó theo thời gian (n=20) Điểm đầu Điểm giữa Điểm cuối Trước PT 112,34 ± 8,92 106,56 ± 7,65 98,72 ± 8,03 Sau PT 6h 124,74 ± 12,69 116,95 ± 13,23 110,94 ± 13,46 Sau PT 24 128,32 ± 14,12 120,23 ± 15,73 115,48 ± 12,94 Sau PT 48 125,41 ± 13,57 117,24 ± 16,34 109,27 ± 10,84 p 125,41 ± 13,57 117,24 ± 16,34 109,27 ± 10,84 3.5.2.2. Thân nhiệt, nhiệt độ tại chỗ vùng phẫu thuật Bảng 3.28. Nhiệt độ thân và nhiệt độ tại chỗ của chó (0C) (n=20) Vị trí đo Trước PT Sau PT Trung bình SD Trung bình SD Nhiệt độ thân 37,65 0,62 38,35 0,74 Nhiệt độ tại chỗ 33,72 0,84 35,83 0,68 10 20 30 40 50 60 18,82 2 (®é) 1 9 .5 1 PLA (7 ngµy) PLA 1 6 .9 5 31.89 25.86 PLA/nanoHAp (0 ngµy) PLA/nanoHAp (7 ngµy)3 1 .7 1 8 .9 7 1 6 .