1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
PHẠM THỊ THU TRANG
TÊN ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP
POLYAXIT LACTIC/NANO HYDROXYAPATIT ĐỊNH HƯỚNG ỨNG
DỤNG TRONG CẤY GHÉP XƯƠNG
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Mã số: 62440119
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Hà Nội – 2017
2
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và
27 trang |
Chia sẻ: huong20 | Ngày: 17/01/2022 | Lượt xem: 382 | Lượt tải: 0
Tóm tắt tài liệu 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, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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.
10.0m 10.0m
Clorofom Diclometan
10.0m
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
.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- tom_tat_luan_an_che_tao_va_dac_trung_cua_vatc_lieu_to_hop_po.pdf