ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 73 TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC VẬT LIỆU TRICALCIUM SILICATE ELABORATION AND BIOACTIVITY CHARACTERIZATION OF TRICALCIUM SILICATE MATERIAL Bùi Xuân Vương1, Nguyễn Thị Bích Hạnh2, Phạm Ngọc Hải2 Trường Cao đẳng Công thương TP HCM; vuongbx@yahoo.com Học viên cao học, ĐH Tôn Đức Thắng; ntbhanh.gdtxkson@khanhhoa.edu.vn; pnhai.c3kson@khanhhoa.edu.vn Tóm tắt - Bột vật liệu xương nhân tạo tricalcium silicate Ca3SiO5 (C3S) tổng hợp thành công phương pháp sol-gel Các tính chất lý hóa vật liệu đặc trưng phương pháp phân tích đại Phổ XRD cho thấy vật liệu C3S thu hoàn toàn tinh khiết nung bột gel 1400 oC Phổ FTIR khẳng định liên kết cấu trúc vật liệu Ảnh SEM cho thấy C3S có bề mặt sần khe hở tạo độ xốp cho vật liệu Thực nghiệm ‘‘In vitro’’ khẳng định hoạt tính sinh học vật liệu qua hình thành lớp khoáng xương hydroxyapatite (HA) sau ngâm vật liệu dung dịch giả dịch thể người SBF (Simulated Body Fluid) Lớp khống xương cầu nối gắn kết vật liệu xương tự nhiên, qua xương hỏng tu sửa làm đầy Abstract - Tricalcium silicate Ca3SiO5 (C3S) artificial bone material powder is successfully synthesized by sol-gel method The physical and chemical properties of the material are characterized by the modern analytical methods XRD pattern shows that the obtained material is completely pure when gel powder is calcified at 1400 °C FTIR spectrum confirms the main links in the material structure SEM images show that the material has a textured surface and openings making porosities for the material ‘‘In vitro’’ experience is effectuated by immersion of powder material in simulated body fluid solution (SBF) Obtained result confirms the bioactivity of material via the formation of a newly hydro-xyapatite layer on its surface This apatite layer permits the liaison between material and natural bone Consequently, damaged bone can be restored and filled Từ khóa - Tricalcium silicate; Ca3SiO5 (C3S); CaO; pha; xử lý nhiệt; Si-O Key words - Tricalcium silicate; Ca3SiO5 (C3S); CaO; phase; thermal treatement; Si-O Đặt vấn đề Vật liệu xương nhân tạo dạng vật liệu có khả cấy ghép vào thể người mà không bị thể đào thải, đồng thời sau thời gian vật liệu bị phân hủy hình thành nên lớp khoáng xương làm cầu nối gắn kết vật liệu xương xương tự nhiên [1-3] Một số vật liệu xương nhân tạo nghiên cứu thương mại hóa giới như: Hydroxyapatite, Bioglass, Tri-Calcium Phosphate, Tri-Calcium Silicate Xi-măng sinh học [3] Hiện vật liệu xương nhân tạo nhập ngoại bệnh viện, trung tâm nha khoa Việt Nam để sử dụng trám răng, phẫu thuật chỉnh hình xương mà chưa có sản phẩm vật liệu sản xuất nước Nhằm thúc đẩy việc nghiên cứu phát triển công nghệ vật liệu y sinh, đặc biệt phát triển vật liệu y sinh dùng trám răng, cấy ghép xương, nghiên cứu, tổng hợp đánh giá vật liệu xương nhân tạo tricalcium silicate Ca3SiO5 (C3S) Vật liệu C3S tổng hợp phương pháp Sol-Gel với vật liệu đầu calcium nitrate tetrahydrat Ca(NO3)2.4H2O tetraethyl orthosilicate Si(OC2H5)4 (TEOS) Các phương pháp phân tích lý hóa đại SEM, XRD, FTIR sử dụng nhằm đánh giá bột vật liệu tổng hợp hoạt tính sinh học sau thực nghiệm “in vitro” Ca(NO3)2.4H2O mua hãng Aldrich-Sigma Phản ứng tổng hợp C3S: Vật liệu phương pháp 2.1 Vật liệu Các hóa chất gồm Tetraethyl orthosilicate Si(OC2H5)4 (TEOS) Calcium nitrate tetrahydrat 6Ca(NO3 )2 H O + Si(OC2 H5 ) → 2Ca3 SiO5 + 8C2 H 5OH + 20 H 2O + 12 NO2 ↑ +3O2 ↑ 2.2 Phương pháp Sol-Gel tổng hợp C3S Lấy 22,3mL tetraethyl orthosilicate Si(OC2H5)4 cho vào 40ml nước cất, sau bổ sung vài giọt HNO3 2M làm xúc tác cho trình thủy phân khuấy vòng Thêm 70,8g muối calcium nitrate tetrahydrat Ca(NO3)2.4H2O vào hỗn hợp trên, khuấy vòng 1giờ muối tan hết, thu dung dịch sol trắng Dung dịch sol sau đem đặt tủ sấy 60oC ngày để tạo gel (Hình 1) Sau gel đốt nóng 120oC để bay hồn tồn dung mơi Vật liệu tricalcium silicate Ca3SiO5 thu cách nung bột gel nhiệt độ 1400oC (Hình 2) Hình Gel thu từ dung dịch sol 60 oC 74 Bùi Xuân Vương, Nguyễn Thị Bích Hạnh, Phạm Ngọc Hải Bảng Các hóa chất dùng tổng hợp dung dịch SBF Ca-SBF m (g) P-SBF m (g) (*)C H NO 11 6,057 C4H11NO3 6,057 CaCl2 0,5549 KH2PO4.3 H2O 0,4566 MgCl2.6H2O 0,6095 NaHCO3 0,7056 KCl 0,4473 NaCl 16,1061 (*)-tris(hydroxymethyl)aminomethane, có tác dụng tạo dung dịch đệm có pH = const 2.3 Thực nghiệm “In vitro” Các mẫu bột vật liệu tricalcium silicate Ca3SiO5 ngâm dung dịch SBF theo khoảng thời gian khác (2, 10 ngày) nhằm đánh giá hoạt tính sinh học vật liệu y sinh xương nhân tạo qua hình thành lớp khống xương apatite [2] Dung dịch SBF dung dịch có thành phần vơ tương tự máu thể người Để điều chế dung dịch SBF, ta điều chế hai dung dịch riêng rẽ, gọi Ca-SBF PSBF Trộn hai dung dịch thu dung dịch SBF Ưu điểm phương pháp dung dịch lưu trữ vài tuần Đối với dung dịch Ca-SBF P-SBF, đong 990 ml nước cất, gia nhiệt bể điều nhiệt giữ ổn định 37°C suốt trình tổng hợp Thêm chất hóa học theo hàm lượng có Bảng 1, chất cách 30 phút Sử dụng máy khuấy từ để khuấy trộn dung dịch Cả hai dung dịch Ca-SBF P-SBF điều chỉnh pH=7,4 (môi trường dịch thể người), cách sử dụng dung dịch HCl 6N Sau thêm nước vào bình để làm trịn thể tích 1000 ml Khi cần dùng SBF, ta trộn lượng thể tích hai dung dịch CaSBF P-SBF, thu dung dịch SBF Các dung dịch Ca-SBF P-SBF dự trữ tủ lạnh 5-10°C, dùng cho 2-3 tuần Bột vật liệu ngâm dung dịch SBF theo tỷ lệ 1:2 (mg/mL) Sử dụng bể điều nhiệt máy khuấy suốt trình ngâm bột vật liệu Nhiệt độ mẫu ngâm giữ 37oC tương tự nhiệt độ thể người Sau khoảng thời gian ngâm (2, 10 ngày), bột vật liệu thủy tinh sau tương tác với dung dịch SBF tách rửa nước cất để loại bỏ ion dư thừa, sau rửa lại cồn nguyên chất để loại bỏ hoàn toàn ion tự Mẫu bột sấy khô đem đặc trưng lý hóa phương pháp phân tích 2.4 Phương pháp phân tích Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD: Xray-Diffraction) sử dụng để đánh giá thành phần pha Phổ hồng ngoại (FTIR: Fourier Transformed Infrared) liên kết cấu trúc vật liệu Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM: Scanning Electron Microscope) khảo sát hình thái cấu trúc bề mặt vật liệu 250 * # o Ca3SiO5 (900C) 200 Intensity (u.a) Hình Vật liệu C3S thu sau nung bột gel 1400 oC Kết thảo luận 3.1 Hiệu suất phản ứng Hiệu suất tổng hợp C3S tính dựa khối lượng vật liệu thu thực tế khối lượng thu theo lý thuyết Khối lượng tricalcium silicate Ca3SiO5 tính tốn từ tác chất đầu 22,8 gam, khối lượng tricalcium silicate Ca3SiO5 thu thực tế 20,6 gam Hiệu suất đạt 90,35 % 3.2 Đánh giá vật liệu tricalcium silicate Ca3SiO5 tổng hợp 3.2.1 Phân tích XRD thành phần pha vật liệu tổng hợp Bột gel khô nung nhiệt độ từ 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300 1400oC để thực trình ceramic hóa tạo vật liệu C3S Các phổ XRD vật liệu C3S 700-900oC có hình dáng tương tự phổ tồn pic đặc trưng cho pha CaO Các phổ XRD bột vật liệu nung 1000oC-1300oC, pic đặc trưng cho pha CaO giảm Chỉ phổ XRD bột vật liệu C3S 1400oC pic đặc trưng cho CaO triệt tiêu hoàn toàn, thu vật liệu C3S hồn tồn tinh khiết Kết phân tích phổ XRD vật liệu C3S thu nung bột gel 900 1400 oC trình bày chi tiết Hình 3-4 Ở nhiệt độ 900oC, quan sát pic nhiễu xạ đặc trưng cho vật liệu Ca3SiO5, bên cạnh pic đặc trưng cho CaO [4-7] Kết khẳng định phản ứng tạo vật liệu tricalcium silicate khơng hồn tồn Một phần Ca chưa hoàn toàn kết hợp để tạo vật liệu mà tồn dạng CaO Ở nhiệt độ 1400 oC, pic đặc trưng cho CaO hoàn toàn biến Phổ XRD tồn pic đặc trưng cho vật liệu tricalcium [4-7] Kết khẳng định thành công phương pháp tổng hợp trình xử lý nhiệt vật liệu ceramic tricalcium silicate Ca3SiO5 # * 150 * 100 * * * 50 * * 20 30 40 50 60 70 2θ Hình Phổ XRD Ca3SiO5 nung 900 oC (*Ca3SiO5; # CaO) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 250 * 75 o Ca3SiO5 (1400C) Intensity (u.a) 200 * 150 * * 100 * * 50 20 25 30 35 40 * * 45 * * 50 55 60 65 70 2θ Hình Phổ XRD Ca3SiO5 nung 1400 oC (*Ca3SiO5) 3.2.2 Phân tích mạng lưới liên kết vật liệu Ca3SiO5 FTIR Phổ hồng ngoại vật liệu Ca3SiO5 tổng hợp đặc trưng liên kết đặc trưng Si-O, Si-O-Si mạng lưới vật liệu Hình [5-7] Các vạch đặc trưng cho nhóm OH hay nước kết tinh (H2O (kt)) độ ẩm mẫu vật liệu gửi đo không ảnh hưởng nhiều tới kiến trúc mạng tinh thể vật liệu tổng hợp tricalcium silicate Kết khẳng định phù hợp với phân tích XRD cho thấy thành công phương pháp tổng hợp tricalcium silicate Ca3SiO5 100 Transmittance % 80 OH 60 Ca3SiO5 40 H2O (kt) 20 Si-O Si-O Si-O-Si 3500 3000 2500 2000 1500 wavenumber cm 1000 500 -1 Hình Phổ FTIR vật liệu Ca3SiO5 3.2.3 Phân tích bề mặt vật liệu Ca3SiO5 ảnh SEM Vật liệu tổng hợp quan sát ảnh SEM với độ phóng đại khác cho thấy bề mặt sần cấu trúc khe hở (Hình 6) Bề mặt sần khe hở tạo độ xốp cho vật liệu xương nhân tạo Độ xốp quan tạo khả tiếp xúc tương tác tốt vật liệu môi trường thể nhằm thúc đẩy trình gắn kết vật liệu xương xương tự nhiên Hình Ảnh SEM vật liệu Ca3SiO5 với độ phóng đại khác 3.3 Đánh giá hoạt tính sinh học vật liệu Vật liệu Ca3SiO5 sau tổng hợp ngâm dung dịch giả dịch thể người SBF (Simulated Body Fluid) theo tỷ lệ 1/2 (mg/mL) nhằm kiểm tra hình thành lớp khống xương apatit hình thành Lớp khống cầu nối gắn liền vật liệu xương xương tự nhiên, qua xương hỏng hay lỗ hổng khơi phục làm đầy 3.3.1 Phân tích thành phần pha Phổ nhiễu xạ XRD vật liệu Ca3SiO5 đặc trưng cho vật liệu mạng lưới tinh thể, có kiến trúc mạng tuần hồn, trật tự (Hình 7) Phổ XRD vật liệu Ca3SiO5 sau ngâm dung dịch SBF 2, 10 ngày tập hợp Hình Qua so sánh, nhận thấy thay đổi rõ ràng hình thái đường nét phổ vật liệu Ca3SiO5 sau ngâm dung dịch SBF Kết khẳng định tương tác hóa học vật liệu Ca3SiO5 mơi trường dung dịch SBF Có thể nhận thấy giảm cường độ pic đặc trưng cho vật liệu Ca3SiO5 (ký hiệu *) Bên cạnh hình thành pic đặc trưng cho vật liệu Hydroxyapatite (ký hiệu #), [1-4] Kết khẳng định hoạt tính sinh học vật liệu tricalcium silicate sau ngâm dung dịch SBF qua việc hình thành nên lớp khống apatite bề mặt Lớp khống HA hình thành giống với phần khống vơ xương người, cầu nối vật liệu ghép xương tự nhiên cấy ghép chỉnh hình xương Chúng ta nhận thấy tồn cịn lại pic Ca3SiO5 (*) phổ XRD vật liệu sau ngâm Chứng tỏ lớp khống HA hình thành tồn với pha vật liệu Ca3SiO5 ban đầu 76 Bùi Xuân Vương, Nguyễn Thị Bích Hạnh, Phạm Ngọc Hải (211) C a 3SiO (002) (310) HA * # # # # 10 days * days * days 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 2θ Hình Phổ XRD Ca3SiO5 sau ngâm dung dịch SBF(* HA ; # Ca3SiO5) Hình Ảnh SEM vật liệu Ca3SiO5 sau ngâm SBF ngày 2- CO3 HA H2O (kt) 2- CO3 3- PO4 10 days 3- PO4 days days day Ca3SiO5 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 -1 Transmittance cm Hình Phổ FTIR Ca3SiO5 sau ngâm dung dịch SBF Phổ hồng ngoại Ca3SiO5 thay đổi mạnh sau ngâm 2, 10 ngày dung dịch SBF (Hình 8) Kết khẳng định tương tác hóa học mạng lưới cấu trúc vật liệu dung dịch SBF Chúng ta quan sát dịch chuyển vạch Si-O-Si từ 500 cm-1 450 cm-1 Sự vạch Si-O khoảng 1000 cm-1 Sự xuất vạch 800 cm-1 đặc trưng cho liên kết Si-O-Si gel SiO2 [1-4] Ngoài phổ FTIR vật liệu sau ngâm thể vạch thể cho liên kết khoáng Hydroxyapatite cacbonate HAC Các (560, 600 1042 cm-1), vạch gồm: PO -1 OH (1640cm ), CO (1470cm-1, 874cm-1) [5-8] Kết phù hợp với phân tích phổ XRD Vật liệu tricalcium silicate Ca3SiO5 sau ngâm dung dịch giả dịch thể người SBF hình thành lớp khống xương apatite bề mặt làm cầu nối ghép xương 3.3.2 Phân tích bề mặt vật liệu Hình 10 Ảnh SEM vật liệu Ca3SiO5 sau ngâm SBF ngày Hình 6, 10 thể hình thái bề mặt mẫu bột Ca3SiO5 sau 0,2 ngày ngâm dung dịch SBF Sau ngâm dung dịch SBF, bề mặt vật liệu thay đổi rõ nét tạo nhiều khe hở, xốp bề mặt vật liệu Kết phù hợp với hình thành bề mặt vật liệu lớp apatite phân tích phương pháp XRD FTIR Kết luận Chúng tổng hợp thành công vật liệu y sinh Ca3SiO5 Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) khẳng định cấu trúc mạng tinh thể tính tinh khiết vật liệu tổng hợp Phân tích hồng ngoại (FTIR) khẳng định liên kết mạng lưới cấu trúc vật liệu Quan sát kính hiển vi điện tử (SEM) khẳng định bề mặt sần khe xốp vật liệu Thực nghiệm “in vitro” ngâm vật liệu dung dịch SBF khẳng định hoạt tính sinh học vật liệu qua hình thành lớp khống xương Hydroxyapatite (HA) tương tự thành phần vơ xương người Lớp khống xương cầu nối ghép xương, gắn liền vật liệu nhân tạo xương tự nhiên ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển Các nghiên cứu tương tác vật liệu với tế bào, thử nghiệm lâm sàng hy vọng nhà khoa học chuyên môn thực nhằm đưa vật liệu vào sử dụng việc cấy ghép xương, trám thể người [4] [5] TÀI LIỆU THAM KHẢO [6] [1] E Dietrich, H Oudadesse, A Lucas-Girot and M Mami “In vitro” bioactivity of melt-derived glass 46S6 doped with magnesium’’, Journal of Biomedical Materials Research,88A (2008), pp 1087-96 [2] T Kokubo, H Kushitani, S Sakka, T Kitsugi and T Yamamuro ‘‘Solutions able to reproduce in vivo surface-structure changes in bioactive glass-ceramic A-W’’, Journal of Biomedical Materials Research, 24 (1990), pp 721-34 [3] P Decheyne and J Lemons ‘‘Bioceramics: materials [7] 77 characteristics versus in vivo behaviour’’, Annals of New York Academy of Science, 54 (1988), pp 54 W Zhao and J Chang ‘‘Sol-Gel synthesis and in vitro bioactivity of tricalcium silicate powders’’, Materials letters journal, 21(2004), pp 2350-53 C.C Chen, C.C Ho, S.Y Lin and S J Ding ‘‘Green synthesis of calcium silicate bioceramic powders’’, Ceramics International, 41 (2015), pp 5445-53 X Liao, H Zhu, G Yin, Z Huang, Y Yao and X Chen ‘‘In vitro bioactivity and cytocompatibility of tricalcium silicate’’, Bulletin of Materials Science, 34 (2011), pp 1151-55 H Zhong, L Wang, L He, W Jiang, W Zhai, K Lin, L Chen and J Chang ‘‘Fabrication and characterrization of tricalcium silicates bioceramics with high mechanical properties by Spark Plasma sintering’’, International Journal of Applied Ceramic Technology, (2011), pp 501-10 (BBT nhận bài: 15/8/2016, phản biện xong: 03/11/2014)