Untitled 39 Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ 63(1) 1 2021 Mở đầu b tri calcium phosphate (b TCP) với công thức hóa học Ca3(PO4)2 thành phần chính cấu tạo nên xương tự nhiên là một trong số những loại vậ[.]
Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Tổng hợp bột gốm sinh học β-TCP phản ứng hai giai đoạn (thủy nhiệt nung) định hướng ứng dụng làm vật liệu tái tạo xương Nguyễn Huỳnh Quốc Huy1, Huỳnh Đại Phú1, 2, Lê Văn Thăng1, 3, Lâm Đại Phong4, Đỗ Thị Ngọc Anh5, Nguyễn Thái Hòa1, 2, 3*, Phạm Trung Kiên1, 2* Khoa Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh (HCMUT) Trung tâm Nghiên cứu vật liệu polymer, HCMUT Phịng thí nghiệm trọng điểm ĐHQG Công nghệ vật liệu, HCMUT Khoa Răng Hàm Mặt, Trường Đại học Y dược TP Hồ Chí Minh Khoa Phẫu thuật Hàm Mặt - Răng Hàm Mặt, Bệnh viện Đại học Y dược TP Hồ Chí Minh Ngày nhận 12/8/2020; ngày chuyển phản biện 17/8/2020; ngày nhận phản biện 17/9/2020; ngày chấp nhận đăng 1/10/2020 Tóm tắt: Nghiên cứu trình bày ảnh hưởng nhiệt độ nung đến khả tạo gốm sinh học β-tricalcium phosphate (β-TCP) định hướng ứng dụng làm vật liệu tái tạo xương Ca(OH)2 H3PO4 cấp phối theo tỷ lệ mol Ca/P=1,5 hấp thủy nhiệt 180oC 24 để thu khoáng calcium phosphate hydrate (CPH) có thành phần pha tương tự hydroxyapatite (HA) Khoáng CPH xử lý nhiệt 700 1.000oC nhằm đánh giá khả thu khoáng β-TCP Kết cho thấy, mẫu β-TCP thu nhiệt phân CPH 1.000oC có kích thước hạt khoảng 1~2 µm, định hướng ứng dụng cho q trình tái tạo xương Từ khóa: β-TCP, calcium phosphate hydrate (CPH), hydroxyapatite (HA), phản ứng thủy nhiệt, vật liệu sinh học Chỉ số phân loại: 2.5 Mở đầu Vật liệu phương pháp nghiên cứu b-tri calcium phosphate (b-TCP) với cơng thức hóa học Ca3(PO4)2 - thành phần cấu tạo nên xương tự nhiên số loại vật liệu quan tâm khảo sát có ứng dụng nhiều vật liệu y sinh, thay hay cấy ghép xương nhiều vị trí khác [1-3] Mặc dù α-TCP β-TCP có thành phần hóa học, chúng khác cấu trúc tinh thể độ hòa tan, với độ hịa tan b-TCP phù hợp cho q trình tái tạo xương Hiện Việt Nam đa số tập trung vào tổng hợp hydroxyapatite (HA) [4-5], chưa có nghiên cứu tổng hợp b-TCP Tổng hợp TCP theo nguồn tự nhiên việc tạo TCP từ loại khống apatit whitlockite Nhóm nghiên cứu đề xuất phương án tổng hợp b-TCP thông qua hai giai đoạn: 1) Phản ứng thủy nhiệt tạo tiền chất calcium phosphate hydrate (CPH) có thành phần pha tương tự HA (Ca10(PO4)6(OH)2) 2) Nhiệt phân để phân hủy CPH thu b-TCP Phương pháp thủy nhiệt hiểu cách đơn giản phương pháp hóa học sử dụng nước (hoặc dung môi) áp suất nhiệt độ điểm sơi bình thường nước (hoặc dung môi) để thúc đẩy phản ứng chất rắn Nhờ ứng dụng phản ứng thủy nhiệt, tạo thành khống CPH nhiệt độ thấp giảm nhiệt độ phân hủy CPH thành b-TCP So với phản ứng pha rắn thu b-TCP xảy 1.280oC, phản ứng thủy nhiệt giúp giảm nhiệt độ nung * Vật liệu nghiên cứu Ca(OH)2 H3PO4 thương mại cung cấp từ Cơng ty hóa chất Xilong, Trung Quốc Các hóa chất mua sử dụng ngay, không cần phải xử lý lại Phương pháp nghiên cứu Tổng hợp tiền chất CPH phương pháp thủy nhiệt: quy trình mơ từ quy trình tổng hợp bột sinh học HA theo phương pháp thủy nhiệt công bố trước [6] Một cách ngắn gọn, 20,46 ml dung dịch nhỏ giọt vào 33,3 g huyền phù Ca(OH)2 để thu cấp phối theo tỷ lệ mol Ca/P=1,5 theo công thức tỷ lượng b-TCP Q trình phản ứng đồng hóa máy khuấy tốc độ 400 vòng/phút (IKEA) giờ, hấp thủy nhiệt 180oC 24 để thu huyền phù CPH có tỷ lệ mol Ca/P=1,5 Huyền phù sau hấp sấy khô 105oC 12 giờ, nghiền mịn qua sàng 0,45 mm để thu bột CPH Phản ứng nhiệt phân thu β-TCP: mẫu bột CPH sau sấy phân tích nhiệt vi sai DSC/TG để xác định nhiệt độ nung thu b-TCP Mẫu xử lý nhiệt 700 1.000oC lò nung Naberthem (lò Naberthem 1400, Đức), sau phân tích vi cấu trúc để xác định nhiệt độ thích hợp tạo b-TCP Tác giả liên hệ: phamtrungkien@hcmut.edu.vn; nthhoa@hcmut.edu.vn 63(1) 1.2021 39 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Synthesise β-tricalcium phosphate (β-TCP) ceramic powder by reaction steps: hydrothermal and calcination reaction toward bone tissue regeneration Huynh Quoc Huy Nguyen1, Dai Phu Huynh1, 2, Van Thang Le1, 3, Dai Phong Lam4, Thi Ngoc Anh Do5, Thai Hoa Nguyen1, 2, 3*, Trung Kien Pham1, 2* Faculty of Materials Technology, Ho Chi Minh city University of Technology (HCMUT) Polymer Research Center, HCMUT Key Laboratory of Materials Technology, HCMUT Faculty of Odonto-Stomatology, University of Medicine and Pharmacy at Ho Chi Minh city Maxilofacial Surgery and Dental Department, University Medical Center HCMC Received 12 August 2020; accepted October 2020 Abstract: This research presents the effect of heat treatment temperature on the forming ability of β-tricalcium phosphate (β-TCP) bioceramic materials toward the bone tissue regeneration application Ca(OH)2 and H3PO4 were mixed with a Ca/P molar ratio of 1.5, followed by hydrothermal treatment at 180oC for 24 hours to obtain the calcium phosphate hydrate (CPH) with phase composition similar to hydroxyapatite (HA) The CPH mineral was heat-treated at 700 and 1000oC for hours to evaluate the ability to obtain β-TCP The result showed that β-TCP can be obtained by the CPH calcined at 1000oC for hours, with the particle size of 1~2 µm, suitable for bone tissue regeneration application Keywords: biomaterials, β-TCP, calcium phosphate hydrate (CPH), hydrothermal, hydroxyapatite (HA) Classification number: 2.5 Các phương pháp phân tích vi cấu trúc: Phân tích nhiệt vi sai (TGA): mẫu bột trước nung phân tích DSC/TG khoảng nhiệt độ phòng tới 1.000oC (STA 449, Netzsch, Đức) nhằm xác định nhiệt độ nung thích hợp thu b-TCP Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD): mẫu trước sau nung phân tích XRD theo phương pháp bột (Bruker, D8 Advance, Germany), góc quét 2theta từ đến 60o, vận hành 40 kV 40 mA Quan sát hình thái mẫu kính hiển vi điện tử quét (SEM): mẫu bột trước sau nung phủ đế kim loại đồng, phân tích SEM máy Hitachi S-4800 (FE-SEM) 10 kV Kết thảo luận Phân tích nhiệt vi sai mẫu trước nung Hình kết phân tích DSC/TG mẫu CPH trước nung từ nhiệt độ phịng đến 1.000oC Có thể thấy đỉnh thu nhiệt (endo peak) 460, 700oC đỉnh tỏa nhiệt (exo peak) 918oC tương ứng hiệu ứng phân hủy CPH thành b-TCP Đường giảm khối lượng TG mẫu trước nung bắt đầu giảm sau 400oC giảm mạnh khoảng 850~900oC Trên sở phân tích nhiệt DSC/TG, mẫu trước nung nung 700 1.000oC để khảo sát nhiệt độ thích hợp tạo b-TCP Hình Phân tích nhiệt vi sai mẫu CPH trước nung Phân tích nhiễu xạ tia X mẫu trước sau nung Hình thể liệu XRD mẫu CPH trước sau nung 700 1.000oC góc quét 15 đến 50o phóng to từ 30 đến 35o (hình b1 c1 d1 hình b2 c2 d2 theo thứ tự tương ứng) XRD mẫu Ca(OH)2 thương mại (PDF#04-0733); b-TCP thương mại (PDF#090169) HA thương mại (PDF#09-0432) góc quét 15 đến 50o phóng to từ 30 đến 35o cho hình a1 e1 f1 hình a2 e2 f2 theo thứ tự tương ứng Mẫu trước nung (hình b1 b2) gồm pha HA có đỉnh nhiễu xạ 31,8o lượng nhỏ Ca(OH)2 dư với đỉnh nhiễu xạ 34,2o, biến nhiệt phân 700 1.000oC 63(1) 1.2021 40 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ (hình c1 c2 d1 d2) Ngoài nhiệt phân mẫu 700oC lượng HA cịn ngun, chuyển hóa thành b-TCP nhiệt phân 1.000oC với đỉnh nhiễu xạ 30,2o góc nhiễu xạ đặc trưng b-TCP (PDF#9-169) Như kết luận nhiệt độ phù hợp để phân hủy CPH thu b-TCP 1.000oC Kết luận Nhóm nghiên cứu tổng hợp thành công mẫu bột b-TCP từ Ca(OH)2 H3PO4 phản ứng thủy nhiệt 180oC 24 thu CPH, nung 1.000oC Mẫu b-TCP thu có dạng hình hạt với kích thước 1~2 µm, dễ dàng tham gia phản ứng cấy ghép tạo khoáng xương Các nghiên cứu khác cấp phối b-TCP tổng hợp polymer sinh học PLA, độc tính sinh học thử tương thích động vật nhóm triển khai LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh khuôn khổ đề tài mã số SVCQ-2019CNVL-110 Chúng xin cảm ơn Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh hỗ trợ thời gian, phương tiện sở vật chất cho nghiên cứu Hình XRD mẫu CPH trước sau nung a1 a2: Ca(OH)2 thương mại (PDF#4-733) góc quét 15~50o 30~35o; b1 b2: mẫu trước nung góc quét 15~50o 30~35o; c1 c2: mẫu nung 700oC/3 góc quét 15~50o 30~35o; d1 d2: mẫu nung 1.000oC/3 góc quét 15~50o 30~35o; e1 e2: mẫu b-TCP thương mại (PDF#9-169) góc quét 15~50o 30~35o; f1 f2: mẫu HA thương mại (PDF#9-432) góc quét 15~50o 30~35o Phân tích hình thái mẫu nung 1.000oC Hình cho thấy hình thái mẫu trước nung (hình 3A); nung 1.000oC (hình 3B) b-TCP thương mại (hình 3C) Trước nung, mẫu có hình thái hạt, kích thước khoảng 1~2 µm khơng có thay đổi nhiều kích thước hạt Đây ưu điểm phương pháp tạo CPH hấp thủy nhiệt so với mẫu thương mại có hình với kích thước 8~10 µm Kích thước nhỏ mẫu b-TCP tổng hợp 1.000oC giúp tăng khả hòa tan Ca2+ tiếp xúc dịch thể cao rút ngắn thời gian tái tạo xương µm Kích thước nhỏ mẫu -TCP tổng hợp 1.000oC giúp tăng khả hòa 2+ khiCacấy tan ghép tiếp xúc dịch thể cao rút ngắn thời gian tái tạo xương cấy ghép (A) Trước nung (B) 1000oC/3 (C) -TCP thương mại Hình CPH trước khi nungnung ( ); nung 000ởoC1.000oC ( ) 3vàgiờ mẫu Hình3.3.Mẫu Mẫu CPH trước (A); ởnung (B) thương mạ -TCP (C) độ phóng đại 5.000 lần mẫu thương mại β-TCP (C) độ phóng đại 5.000 lần Kết luậ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] O Jongprateep, N Wattana, N Sato, P.T Kien, B Inseemeesak (2018), “Effects of solid loadings and silica addition on microstructure and compressive strength of hydroxyapatite specimens fabricated by freeze casting technique”, Ceramics International, 44, pp.S156-S160 [2] P.T Kien, T Kanji, K Ishikawa (2015), “Setting reaction of α-TCP spheres and an acidic calcium phosphate solution for the fabrication of fully interconnected macroporous calcium phosphate”, Ceramics International, 41, pp.13525-13531 [3] K.P Trung, M.D Quang and T.P.T Lan (2014) “Iron-free hydroxyapatite powder from synthetic Ca(OH)2 and commercialized Ca(OH)2”, Advanced Materials Research, 858, pp.103-110 [4] K Ishikawa, K Tsuru, T.K Pham, M Maruta, S Matsuya (2012), “Fully-interconnected pore forming calcium phosphate cement”, Key Engineering Materials, 493-494, pp.832-835 [5] P.T Kien, M Maruta, K Tsuru, S Matsuya and K Ishikawa (2010), “Effect of phosphate solution on setting reaction of a-TCP spheres”, Journal of The Australian Ceramic Society, 46(2), pp.63-67 [6] P.T Kien, H.D Phu, N Linh, T Quyen, N Hoa (2018), “Recent trends in hydroxyapatite (HA) synthesis and the synthesis report of nanostructure HA by hydrothermal reaction”, Advances in Experimental Medicine and Biology, 1077, pp.343-354 Nhóm nghiên cứu tổng hợp thành cơng mẫu bột -TCP từ Ca(OH)2 H3PO4 phản ứng thủy nhiệt 180oC 24 thu CPH, nung 1.000oC Mẫu -TCP thu có dạng hình hạt với kích thước 1~2 µm, dễ dàng tham gia phản ứng cấy ghép tạo khoáng xương Các nghiên cứu khác cấp phối -TCP tổng ợp polymer sinh học PLA, độc tính sinh học thử tương thích động vật nhóm triển khai ỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh khn khổ đề tài mã số SVCQ-2019-CNVL-110 Chúng xin cảm ơn Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh hỗ trợ thời gian, phương tiện sở vật chất cho nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 63(1) 1.2021 [1] O Jongprateep, N Wattana, N Sato, P.T Kien, B Inseemeesak (2018), Effects of solid loadings and silica addition on microstructure and compressive strength of ydroxyapatite specimens fabricated by freeze casting technique , ... cấy ghép tạo khoáng xương Các nghiên cứu khác cấp phối b-TCP tổng hợp polymer sinh học PLA, độc tính sinh học thử tương thích động vật nhóm triển khai LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc... cấy ghép tạo khoáng xương Các nghiên cứu khác cấp phối -TCP tổng ợp polymer sinh học PLA, độc tính sinh học thử tương thích động vật nhóm triển khai ỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc... nghiên cứu tổng hợp thành công mẫu bột -TCP từ Ca(OH)2 H3PO4 phản ứng thủy nhiệt 180oC 24 thu CPH, nung 1.000oC Mẫu -TCP thu có dạng hình hạt với kích thước 1~2 µm, dễ dàng tham gia phản ứng cấy