Luận án nghiên cứu kết tủa điện hóa màng hydroxyapatit/ống nano carbon biến tính trên nền hợp kim 316L và Ti6Al4V ứng dụng trong cấy ghép xương

MỞ ĐẦU  Lý do chọn đề tài Hydroxyapatit (Ca10(PO4)6(OH)2, HAp) là muối kép của tri-canxi photphat và canxi hydroxit, trong tự nhiên tồn tại dưới dạng flo-apatit Ca10(PO4)6F2. Nó là thành phần vô cơ chính trong xương và răng người. Hiện nay, HAp đang là một trong các đối tượng nghiên cứu chính của các nhà khoa học nhằm mục đích cải thiện các tính chất sinh học, hoá học và cơ lý của nó. HAp có tính tương thích sinh học cao, có khả năng tái sinh xương nhanh và có thể tạo liên kết trực tiếp với xương non mà không cần có mô, cơ trung gian [1-6].

Nhờ những đặc tính này mà HAp được ứng dụng ngày càng nhiều trong y dược học ở các dạng khác nhau: dạng bột dùng làm thuốc bổ sung canxi; dạng gốm dùng để nối xương, chỉnh hình; dạng composite dùng để làm thẳng xương, làm kẹp nối và chất mang thuốc; dạng màng phủ trên nền kim loại và hợp kim được sử dụng làm nẹp vít xương. HAp tổng hợp có thành phần tương tự trong xương tự nhiên và có khả năng tương thích sinh học tốt, do đó khi cấy ghép vào trong cơ thể người, nó kích thích khả năng liền xương nhanh hơn. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học, với mục đích không ngừng nâng cao chất lượng cuộc sống, các vật liệu gốm y sinh, màng y sinh trên cơ sở hydroxyapatit, tricanxi phốt phát đã và đang được các nhà khoa học vật liệu cũng như các chuyên gia trong lĩnh vực y học quan tâm nghiên cứu [1]. Hướng nghiên cứu mới nhằm nâng cao chất lượng cho vật liệu y sinh trên cơ sở kim loại và hợp kim ngày càng được phát triển mở rộng.

Các loại vật liệu y sinh truyền thống đang được sử dụng chủ yếu trong các bệnh viện như thép không gỉ 316L (TKG316L), Ti và hợp kim của titan (Ti6Al4V), hợp kim của coban (CoNiCrMo) … Nhìn chung, những vật liệu này có độ bền cơ lý và khả năng tương thích sinh học cao với môi trường dịch cơ thể người. Tuy nhiên, trong một số trường hợp cấy ghép cụ thể, chúng 1 vẫn bị ăn mòn dẫn đến các phản ứng đào thải làm giảm tuổi thọ của vật liệu và gây ra những biến chứng nguy hiểm cho bệnh nhân. Do đó, việc nâng cao khả năng tương thích sinh học của các vật liệu y sinh với cơ thể người bằng màng nano HAp cũng được các nhà khoa học vật liệu, công nghệ sinh học, y học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu. Màng HAp có cấu tạo giống với bề mặt và cấu trúc của xương, do đó làm tăng khả năng kết dính với các nguyên bào xương.

Đồng thời, nó có vai trò như các mầm tinh thể kích thích sự phát triển của xương mới tại vùng cấy ghép [2-6]. Tuy nhiên, màng HAp tinh khiết có độ hòa tan tương đối cao trong môi trường sinh lý và tính chất cơ lý kém. Sự hòa tan cao có thể dẫn đến sự thoái hóa nhanh hơn của vật liệu và làm giảm khả năng cố định của vật liệu cấy ghép với mô chủ. Do đó, việc cải thiện tính chất cơ lý cho màng HAp là cần thiết [7,8].

Vật liệu ống nano carbon (carbon nanotubes-CNT) được biết đến là loại vật liệu có những đặc tính cơ lý tuyệt vời như: độ cứng siêu cao, độ chịu mài mòn cơ và hóa tốt, khả năng chống ăn mòn cao, diện tích bề mặt riêng lớn và tỉ trọng thấp [9-12]. Do đó, CNT được sử dụng làm vật liệu gia cường lý tưởng cho nhiều loại vật liệu tổ hợp trên cơ sở kim loại, polyme, cao su, epoxy với phạm vi ứng dụng rất rộng [13-23]. Các kết quả công bố của các nhà khoa học trên thế giới cho thấy, việc pha tạp thêm ống nano carbon để tạo composite hydroxyapatite/ống nano carbon (HAp-CNTbt) đã cải thiện rõ rệt tính chất cơ lý của vật liệu cũng như khả năng chống ăn mòn và độ bền cơ học [22, 24-28]. Hơn nữa, các nghiên cứu thử nghiệm in vitro về khả năng tương thích sinh học của vật liệu HAp-CNTbt cho thấy có sự phát triển xương tốt [13-21].

Luận án được thực hiện với nội dung: “Nghiên cứu kết tủa điện hóa màng hydroxyapatit/ống nano carbon biến tính trên nền hợp kim định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương” nhằm mục đích lựa chọn được điều kiện thích hợp để tổng hợp màng HAp-CNTbt có khả năng tương thích sinh học tốt đồng thời nâng cao tính chất cơ lý cho vật liệu. Các kết quả góp phần 2 vào quá trình nghiên cứu tổng hợp cũng như tiềm năng ứng dụng của vật liệu phủ màng HAp trong lĩnh vực cấy ghép xương ngày càng phát triển.  Mục tiêu của luận án: - Lựa chọn được điều kiện thích hợp để tổng hợp màng composite hydroxyapatit/ống nano carbon (HAp-CNTbt) trên nền TKG316L và Ti6Al4V. - Màng HAp-CNTbt có khả năng tương thích sinh học và khả năng che chắn bảo vệ cho nền tốt hơn màng HAp.

 Nội dung nghiên cứu chính của luận án: Trên cơ sở các mục tiêu đề ra, luận án gồm ba nội dung chính sau: 1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như: khoảng quét thế, tốc độ quét, số lần quét, nồng độ CNTbt trong dung dịch tổng hợp, nhiệt độ tổng hợp đến các đặc trưng, tính chất của màng HAp-CNTbt tổng hợp được trên nền TKG316L và Ti6Al4V. Trên cơ sở các kết quả thu được lựa chọn điều kiện thích hợp để tổng hợp HAp-CNTbt/TKG316L và HAp-CNTbt /Ti6Al4V. Xác định độ gồ ghề bề mặt, mô đun đàn hồi và độ cứng của các vật liệu: TKG316L, Ti6Al4V, HAp/TKG316L, HAp/Ti6Al4V, HAp-CNTbt/TKG316L và HAp-CNTbt/Ti6Al4V.

Xác định sự hòa tan của các vật liệu HAp/TKG316L, HAp/Ti6Al4V, HAp-CNTbt/TKG316L và HAp-CNTbt/Ti6Al4V trong dung dịch NaCl 0,9 %. Nghiên cứu khả năng tương thích sinh học và diễn biến điện hóa của sáu loại vật liệu: TKG316L, Ti6Al4V, HAp/TKG316L, HAp/Ti6Al4V, HAp-CNTbt/TKG316L và HAp-CNTbt/Ti6Al4V trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF). 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hydroxyapatit 1.

Tính chất của hydroxyapatit 1. Tính chất cấu trúc Hydroxyapatit (HAp) tồn tại ở hai dạng cấu trúc là dạng lục phương (hexagonal) và dạng đơn tà (monoclinic). HAp dạng lục phương thường được tạo thành trong quá trình tổng hợp ở nhiệt độ từ 25 đến 100 oC. Dạng đơn tà chủ yếu được tạo ra khi nung HAp dạng lục phương ở 850 oC trong không khí, sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng.

Giản đồ nhiễu xạ tia X của hai dạng này giống nhau hoàn toàn về số lượng và vị trí của các vạch nhiễu xạ. Chúng chỉ khác nhau về cường độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cường độ yếu hơn các pic của dạng lục phương khoảng 1 % [29]. Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HAp có dạng hình lục phương, thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a = b = 0,9417 nm và c = 0,6875 nm, α = β = 90 o và γ = 120 o. Mỗi ô mạng cơ sở của tinh thể HAp gồm các ion Ca2+, PO và OH-.

Đây là cấu trúc thường gặp của HAp tổng hợp, trong thành phần của xương và ngà răng [30, 31]. Công thức cấu tạo của phân tử HAp được thể hiện trên hình 1.1, 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 hai nguyên tử P ở hai đầu mạch [32]. Công thức cấu tạo của phân tử HAp [34] 1.

Tính chất vật lý Hydroxyapatit (HAp) tồn tại ở trạng thái tinh thể, có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và 4 trạng thái tồn tại [33]. HAp có nhiệt độ nóng chảy 1760 oC, nhiệt độ sôi 2850 oC, độ tan trong nước 0,7 g/L, khối lượng mol phân tử 1004,60 g, khối lượng riêng là 3,08 g/cm3 và độ cứng theo thang Mohs bằng 5. Các tinh thể HAp tự nhiên và nhân tạo thường tồn tại ở dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình sợi, hình cầu và hình trụ [2]. Tính chất hoá học [30]  HAp 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 800 oC đến 1200 oC tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng (1.2)  Ở nhiệt độ lớn hơn 1200 oC, HAp bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β – TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO.

Tính chất sinh học HAp tự nhiên và HAp tổng hợp có cùng bản chất và thành phần hóa học. Chúng 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 (Ca/P = 1,67). Ở dạng màng và dạng gốm xốp, HAp có các đặc tính tương tự như xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi và mạch máu dễ dàng xâm nhập.

Chính vì vậy, vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xương tốt và có thể tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Ngoài ra, HAp là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao. Hợp chất HAp tương đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hưởng của dung dịch axit trong dạ dày. Trong các 5 pha canxi photphat thì pha HAp có khả năng phân hủy 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 [34-36]. Các phương pháp chế tạo màng hydroxyapatit Hiện nay, các vật liệu được sử dụng phổ biến để thay thế hay nối ghép các bộ phận xương bị hư hỏng trong ngành phẫu thuật chấn thương chỉnh hình như thép không gỉ, titan, hợp kim của titan (Ti6Al4V) và hợp kim của coban (CoNiCrMo). Mặc dù các vật liệu này có độ bền cơ lý cao, tuy nhiên trong một số trường hợp cấy ghép cụ thể chúng vẫn bị ăn mòn, gây ra những tác động không mong muốn đến bệnh nhân. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học với mục đích nâng cao chất lượng cuộc sống, các nhà khoa học vật liệu và nhà y học đã nghiên cứu, chế tạo màng hydroxyapatit trên các vật liệu này.

Mục đích của nghiên cứu này là tạo màng phủ tương thích sinh học HAp, để tăng hoạt tính sinh học của vật ghép, giúp quá trình liền xương nhanh hơn và thúc đẩy xương non phát triển. Màng HAp thường được phủ trên nền kim loại và hợp kim bằng phương pháp vật lý và phương pháp điện hóa.