Luận án tiến sĩ: Chế tạo lớp phủ hydroxyapatit tương thích sinh học trên titan bằng phương pháp sol-gel - Ngô Thị Ánh Tuyết

MỞ ĐẦU Hiện nay, vật liệu kim loại tương thích sinh học sử dụng trong ngành phẫu thuật chỉnh hình đang là một nhu cầu bức thiết và được nhiều nước trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Sự già hóa của dân số ở các nước phát triển và mong muốn cho người bệnh có thể duy trì hoạt động và chất lượng cuộc sống cao, đồng thời những tiến bộ trong tổng hợp vật liệu, trình độ phẫu thuật đã cho phép vật liệu cấy ghép sinh học (implant) được ứng dụng theo nhiều phương thức khác nhau. Do đó, nhu cầu về các implant hiệu suất cao nhằm giải quyết những vấn đề về tim mạch, chấn thương, chỉnh hình, cột sống và nha khoa đã tăng lên đáng kể. Trong năm 2012, trên toàn thế giới, thị trường vật liệu cấy ghép sinh học đạt khoảng 94,1 tỷ USD và đến năm 2017 là khoảng 134,3 tỷ USD [1].

Vì vậy, các nhà khoa học đang tập trung đầu tư nghiên cứu nhằm tạo ra các loại vật liệu y sinh mới có tính năng tốt để phục vụ cho nhu cầu xã hội. Các implant sử dụng trong kỹ thuật chỉnh hình thường được chế tạo bằng vật liệu kim loại do có độ cứng và độ bền cơ học cao hơn so với vật liệu hữu cơ hay vật liệu composit và được chia thành 2 loại là: kim loại vĩnh cửu (hợp kim của titan, thép không gỉ, hợp kim crom-coban…) và kim loại phân hủy sinh học (kim loại trên cơ sở hợp kim của Mg). Các implant sử dụng trong khớp gối, khớp cổ tay, xương đùi…thường được làm bằng các vật liệu kim loại vĩnh cửu. Trong khi đó, vật liệu có khả năng phân hủy sinh học thường được sử dụng cho các implant tạm thời và các phụ kiện sử dụng trong một khoảng thời gian nhất định [2].

Trong số những vật liệu implant thì titan là kim loại có nhiều ưu điểm nhất vì không chỉ có khả năng chống ăn mòn, mài mòn và tính chất cơ học tốt, mà mô đun đàn hồi và tỷ trọng của nó còn gần giống với xương người. Do đó, gần đây titan và hợp kim titan trở thành vật liệu kim loại y sinh hấp dẫn nhất cho các ứng dụng chỉnh hình và nha khoa [3-5]. Tuy nhiên, vật liệu này lại thiếu khả năng liên kết hóa học với xương có nghĩa là thiếu hoạt tính sinh học [6, 7]. Để phát huy tính chất ưu việt của Ti và hợp kim Ti cũng như khắc phục những nhược điểm của nó nhằm mở rộng khả năng ứng dụng trong y sinh, các nhà khoa học đã nghiên cứu phủ các lớp có khả năng tương thích sinh học lên titan và hợp kim của chúng.

Trong các loại lớp phủ này, vật liệu hydroxyapatite (HA) có công thức là Ca10(PO4)6(OH)2 và dẫn xuất của HA là fluorua-hydroxyapatite FHA có công thức Ca10(PO4)6(OH)2-xFx trong đó 0≤ x 1 ≤ 2 được tập trung nghiên cứu do chúng cung cấp các điều kiện cần thiết cho việc đẩy mạnh liên kết với các mô cơ thể và ngăn chặn việc giải phóng của các ion kim loại từ hợp kim gây kích ứng tại vùng cấy ghép [8, 9]. Vật liệu hydroxyapatite có thành phần hóa học tương tự như thành phần của khoáng xương và có khả năng kích thích sự phát triển của các tế bào và mô xương, hỗ trợ sự mọc xương [10-12]. Sự kết hợp giữa khả năng tương thích sinh học tốt của lớp phủ HA và tính chất cơ học tuyệt vời của vật liệu titan tạo ra các sản phẩm implant đáp ứng yêu cầu y tế khắt khe trong ứng dụng chỉnh hình, nha khoa. Ở nước ta, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu HA cho mục đích y sinh cũng đang được các nhà khoa học quan tâm.

Năm 2003, Viện Công nghệ xạ hiếm đã triển khai đề tài chế thử gốm xốp HA theo công nghệ của Italia và đã thử nghiệm thành công trên động vật. Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã có nghiên cứu và công bố kết quả sơ bộ về phương pháp tổng hợp HA dạng bột và màng. Năm 2005, Viện Hóa học đã thực hiện một số đề tài nghiên cứu tổng hợp HA dạng bột và dạng gốm xốp. Năm 2013, tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới cũng nghiên cứu lớp phủ HA bằng phương pháp điện hóa trên nền thép không gỉ[13].

Viện nghiên cứu Thành Tây cũng đang tiến hành nghiên cứu vật liệu y sinh ứng dụng trong công nghệ chấn thương chỉnh hình và chế tạo xương nhân tạo. Tuy nhiên, các nghiên vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế. Mỗi năm, nước ta phải nhập ngoại hàng trăm ngàn chi tiết cấy ghép các loại như: nẹp xương, nẹp hàm, răng giả, khớp giả, đinh vít, van tim, stent thông mạch máu, thậm chí làm vỏ não với giá thành rất cao và không chủ động được. Trước tình hình đó, chúng tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của luận án: “Nghiên cứu chế tạo các lớp phủ hydroxyapatit có khả năng tương thích sinh học trên nền vật liệu titan bằng phương pháp sol-gel”.

Mục tiêu của luận án: Chế tạo các lớp phủ trên cơ sở HA lên nền vật liệu titan bằng phương pháp Sol-Gel có khả tương thích sinh học cao. Đề tài luận án được thực hiện nhằm mục đích tìm ra điều kiện công nghệ thích hợp như pH của dung dịch, nhiệt độ nung, thời gian nung, các biện pháp xử lí bề mặt nền kim loại titan để chế tạo các lớp phủ hydroxyapatit (HA và FHA) trên nền titan bằng phương pháp sol-gel có khả năng ứng dụng y sinh. 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Ý nghĩa khoa học Mối quan hệ của các thông số công nghệ và tính năng của vật liệu đã được nghiên cứu tỉ mỉ, làm sáng tỏ các kết quả nghiên cứu. Từ đó đưa ra quy trình chế tạo lớp phủ HA có khả năng tương thích sinh học cao trên nền vật liệu titan bằng phương pháp sol-gel.

Ý nghĩa thực tiễn - Bước đầu xây dựng kiến thức và nguồn lực cho sự phát triển của vật liệu cấy ghép y sinh. - Đã tìm được điều kiện phù hợp để chế tạo lớp phủ HA trên nền vật liệu titan ứng dụng cấy ghép thành công trên cơ thể động vật (thỏ). Nội dung nghiên cứu: - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp lớp phủ HA bằng phương pháp sol-gel như: pH, nhiệt độ nung, thời gian nung. - Nghiên cứu đặc trưng tính chất của lớp phủ HA: Hình thái bề mặt, cấu trúc, thành phần, chiều dày, độ bám dính.

- Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính của lớp phủ HA bằng cách chế tạo lớp phủ TiO2 trung gian trước khi phủ lớp HA; phủ HA lên nền titan xốp, hoặc thay thế nhóm OH- bằng F- để tạo ra lớp FHA. - Thử nghiệm in-vitro vật liệu titan phủ các lớp HA và FHA trong môi trường dịch giả cơ thể người SBF. - Nghiên cứu thử nghiệm in-vivo nẹp vít titan xốp có và không có lớp phủ HA trên cơ thể thỏ. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu cấy ghép y sinh nền titan phủ HA, FHA bằng phương pháp sol-gel được tạo bởi các tiền chất ban đầu Ca(NO3)2.

3 Phương pháp nghiên cứu: Các lớp phủ HA và FHA được chế tạo bằng phương pháp sol-gel. Khoảng nhiệt độ nung HA, sự chuyển pha và hình thành hợp chất mới được phân tích bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) và nhiệt trọng lượng (TGA). Cấu trúc và hình thái học được đánh giá bằng các phương pháp như: hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X. Khả năng chống ăn mòn của vật liệu phủ HA, FHA được đánh giá thông qua phương pháp đo đường cong phân cực anốt và phổ tổng trở Nyquist.

Độ bền bám dính của lớp phủ được đo bằng phương pháp kéo đứt và phương pháp rạch. Khả năng tương thích sinh học của vật liệu được đánh giá bằng các phương pháp nghiên cứu in-vitro và in -vivo. Cấu trúc của luận án Phần mở đầu giới thiệu lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phương pháp, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Tổng quan trình bày một số vấn đề chính: - Giới thiệu về vật liệu cấy ghép kim loại bao gồm vật liệu kim loại vĩnh cửu và vật liệu kim loại phân hủy sinh học.

- Các phương pháp xử lí bề mặt tiên tiến áp dụng cho vật liệu kim loại sinh học. - Giới thiệu về các lớp phủ tương thích sinh học - Giới thiệu về các lớp phủ trên cơ sở Hydroxyapatit (HA). - Các phương pháp chế tạo HA hiện nay. - Cơ sở lựa chọn phương pháp sol-gel để chế tạo lớp phủ HA.

Chương 2 trình bày các vấn đề : 1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất sử dụng trong quá trình nghiên cứu. Nội dung thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu. Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận Phần kết luận trình bày các kết quả chính của luận án.

Các kết quả chủ yếu của luận án đã được công bố ở 05 bài báo trong đó có 03 bài bài trên tạp chí khoa học trong nước và 02 bài trên Hội nghị khoa học. Giới thiệu về vật liệu cấy ghép kim loại Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực như công nghệ sinh học, vật liệu sinh học, kỹ thuật mô, tế bào và sinh học phân tử, khoa học polymer, và các lĩnh vực liên quan đã mang đến rất nhiều tiến bộ về y dược đặc biệt là trong các lĩnh vực cấy ghép, chỉnh hình [9, 14]. Vấn đề viêm, thoái hóa xương và khớp đã ảnh hưởng đến hàng triệu người trên toàn thế giới [9, 15, 16]. Trong thực tế, ở các nước đang phát triển, vấn đề về xương khớp chiếm gần một nửa số các bệnh mãn tính đối với người trên 50 tuổi.

Bên cạnh đó, nhiều trường hợp gãy xương, đau lưng, loãng xương, chứng vẹo cột sống, ung thư xương và các vấn đề về cơ xương khác cần phải được giải quyết bằng cách sử dụng các thiết bị cố định, tạm thời hoặc bằng các bộ phận phân hủy sinh học. Theo một số thống kê ở Mỹ mỗi năm ước tính có khoảng 280.000 trường hợp gãy xương hông, 700.000 trường hợp chấn thương đốt sống, 250.000 ca gãy xương cổ tay mỗi năm với chi phí 10 tỷ USD.000 ca ghép xương ở Mỹ trong đó một nửa là cột sống và ở Anh khoảng 10% những người già trên 65 tuổi có trải qua các phẫu thuật thay khớp. Ước tính có khoảng 15 triệu người già mắc các chứng bệnh về xương trên toàn thế giới vào năm 2033. Năm 2004 chi phí cho vật liệu y sinh ở Mỹ là 17 tỷ USD và tăng trưởng với tốc độ hàng năm khoảng 10% [13].