Nghiên cứu biến tính bề mặt titan bằng tẩm thực axít và tạo lớp phủ hydroxyapatite định hướng ứng dụng cho y sinh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BỀ MẶT TITAN BẰNG TẨM THỰC AXÍT VÀ TẠO LỚP PHỦ HYDROXYAPATITE ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG CHO Y SINH NGUYỄN HỮU THÔNG Thong.NH202689M@sis.hust.edu.vn Ngành Vật lý kĩ thuật Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Phạm Hùng Vượng Viện: Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 09/2022 i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Nguyễn Hữu Thông Đề tài luận văn: Nghiên cứu biến tính bề mặt titan tẩm thực axít tạo lớp phủ hydroxyapatite định hướng ứng dụng cho y sinh Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số SV: 20202689M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 15 tháng 10 năm 2022 với nội dung sau: Chỉnh sửa tên luận văn lỗi đánh máy từ “axits” thành “axít” Chỉnh sửa câu chưa hoàn chỉnh (Trang 8, trang 30) Đưa thêm lý thuyết đánh giá thử nghiệm in-vitro tiêu chí đánh giá Mục tiêu luận văn chia thành mục tiêu chung mục tiêu cụ thể Chuyển phần ‘Đánh giá đặc trưng biến tính vật liệu titan tẩm thực’ vào chương I Các hình vẽ việt hóa Cách trình bày tài liệu tham khảo thống Ngày 15 tháng 10 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn PGS TS Phạm Hùng Vượng Nguyễn Hữu Thông CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS Nguyễn Văn Quy ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận văn thành nghiên cứu thân tơi nhóm nghiên cứu suốt thời gian học tập Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ - Đại học Bách Khoa Hà Nội Các kết đạt luận văn xác hồn tồn trung thực, khơng chép tài liệu khác Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Giảng viên hướng dẫn PGS.TS Phạm Hùng Vượng Học viên cao học Nguyễn Hữu Thông iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn PGS.TS Phạm Hùng Vượng hết lòng dạy hướng dẫn em thời gian học làm việc Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) – Đại học Bách Khoa Hà Nội Em xin bày tỏ lòng cám ơn tới Viện Viện Tiên tiến Khoa học Công nghệ (AIST) (nay thuộc viện ITIMS) tạo điều kiện thuận lợi trang thiết bị, sở vật chất cho chúng em có môi trường nghiên cứu cách tốt Nhân tiện, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy cô, anh chị bạn học viên gia đình hỗ trợ, động viên em gặp khó khăn để em hồn thành khóa luận Mặc dù cố gắng hết sức, khó tránh khỏi sai sót Vì vậy, em mong nhận góp ý, bảo q thầy cơ, anh chị bạn Em xin chân thành cám ơn! Tác giả Nguyễn Hữu Thơng TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Sự phát triển vật liệu cấy ghép ngày gia tăng, tỷ lệ việc làm sau ngành cấy ghép nha khoa cao so với ngành chăm sóc sức khỏe khác Phân khúc vật liệu titan thống trị thị trường cấy ghép nha khoa chiếm tỷ trọng doanh thu lớn 92,3% vào năm 2020 nhờ vào việc sử dụng rộng rãi vật liệu cấy ghép nha khoa làm vật liệu titan Bằng việc kết hợp tính học cao vật liệu titan lớp phủ có hoạt tính sinh học HAp tạo vật liệu đáp ứng yêu cầu vật liệu cấy ghép y sinh Trong khn khổ luận văn này, nhóm nghiên cứu xây dựng quy trình tẩm thực axít bề mặt vật liệu titan Tổng hợp thành công lớp phủ hydroxyapatite (HAp) vật liệu titan sau tẩm thực axit phương pháp thủy nhiệt Song song với đó, nhóm nghiên cứu khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến hình thành lớp phủ HAp thời gian thủy nhiệt, nhiệt độ thủy nhiệt nồng độ pH dung dịch thủy nhiệt Bằng phương pháp phân tích vật lý hóa học đại XRD, FESEM, hiển vi kỹ thuật số, FTIR, Raman thử nghiệm in-vitro cho thấy, bề mặt titan sau tẩm thực axit có gia tăng độ nhám, tính ưa nước cải thiện Lớp phủ HAp sau tổng hợp bề mặt titan tẩm thực axit phương pháp thủy nhiệt có hình dạng thanh-cấu trúc lục giác, hoạt tính sinh học độ tinh khiết cao Hướng nghiên cứu nhóm tiến hành thử nghiệm in-vivo động vật cải thiện thêm độ bền bám dính lớp phủ HAp bề mặt titan phương pháp thủy nhiệt nhằm tiến tới thử nghiệm thể người iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN iv DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Nội dung nghiên cứu luận văn Mục tiêu nghiên cứu luận văn Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Những đóng góp luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu titan 1.2 Tổng quan lớp phủ sinh học hydroxyapatite (HAp) Vật liệu HAp Các phương pháp tổng hợp vật liệu phủ HAp 1.3 Đặc trưng bề mặt titan biến tính phương pháp tẩm thực axit 14 1.4 Phương pháp đánh giá thử nghiệm in-vitro cho vật liệu phủ HAp 16 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18 2.1 Dụng cụ, thiết bị, hóa chất 18 Dụng cụ 18 Thiết bị 18 Hóa chất 18 2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu 19 Chuẩn bị vật liệu titan 19 Tổng hợp lớp phủ HAp vật liệu titan tẩm thực phương pháp thủy nhiệt 19 Thử nghiệm in-vitro lớp phủ HAp 20 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến hình thành lớp phủ HAp phương pháp thủy nhiệt 20 2.3 Các phương pháp vật lý đặc trưng cho nghiên cứu cấu trúc- hình thái học vật liệu 21 v Giản đồ nhiễu xạ tia X 21 Phương pháp hiển vi kỹ thuật số 3D 22 Phương pháp hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) 24 Phương pháp phổ hồng ngoại (FTIR) 25 Phương pháp phổ Raman 27 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Ảnh hưởng thời gian tẩm thực axit đến bề mặt vật liệu titan 28 3.2 Đánh giá khả phủ vật liệu HAp vật liệu titan 30 3.3 Phân tích phổ Raman 33 3.4 Phân tích phổ FTIR 34 3.5 Đánh giá hoạt tính sinh học 34 3.6 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến hình thành lớp phủ HAp 35 Ảnh hưởng thời gian thủy nhiệt đến hình thành lớp phủ HAp 35 Ảnh hưởng nhiệt độ thủy nhiệt đến hình thành lớp phủ HAp 37 Ảnh hưởng nồng độ pH đến hình thành lớp phủ HAp 39 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42 4.1 Kết luận 42 4.2 Kiến nghị 43 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 vi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng anh Sa Arithmetical mean height Sp Maximum peak height Sv Maximum pit depth Sz Maximum height EDTA Chữ viết tắt HAp XRD FESEM FTIR Ti Axít tetraacetic etylendiamine Tên tiếng Anh Hydroxyapatite X-ray diffraction Field Emission Scanning Electron Microscope Fourier – transform infrared spectroscopy Titanium Tên tiếng Việt Chiều cao trung bình số học Chiều cao đỉnh tối đa Chiều cao hố tối đa Chiều cao tối đa axít aminopolycarboxylic Tên tiếng Việt Muối Hydroxyapatite Nhiễu xạ tia X Hiển vi điện tử quét phát xạ trường Fourier - quang phổ hồng ngoại biến đổi Kim loại titan CAGR Compounded Annual Growth rate Tỷ lệ tăng trưởng hàng năm kép DCPA Dicalcium phosphate anhydrous (monetite) CaHPO4 Canxi hidro photphat DCPD Dicalcium phosphate dihydrate (brushite) CaHPO4.2H2O Canxi photphat hydrat CDHA Calcium-deficient hydroxyapatite Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2 Muối hydroxyapatite khác Ca/P = 1,5 ~ 1,67 (0 < x < 1) OCP Octacalcium phosphate Ca8(HPO4)2(PO4)4.5H2O) Octa canxi photphat vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số hợp chất canxi phosphate phụ thuộc vào nồng độ pH [55, 56] 12 Bảng 1.2: Một số cấu trúc thường gặp HAp với phương pháp tổng hợp khác [62] 14 Bảng 1.3: Thành phần chất cần tổng hợp dung dịch SBF [66] 16 Bảng 2.1: Bảng thành phần hóa chất cần tổng hợp dung dịch SBF 19 Bảng 2.2: Một vài thông số độ nhám 3D phân tích luận văn: [71, 72] 23 Bảng 3.1: Một vài thông số độ nhám bề mặt 3D titan tẩm thực không tẩm thực 29 Bảng 3.2: Một vài thông số độ nhám bề mặt 3D lớp phủ HAp vật liệu titan tẩm thực 32 Bảng 3.3: Các nhóm dao động lớp phủ HAp phổ tán xạ Raman 33 Bảng 3.4: Các nhóm dao động lớp phủ HAp phổ FTIR 34 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Xu hướng sử dụng vật liệu cấy ghép thị trường U.S [8] (Theo tạp chí Grand view Reseach) Hình 1.2: Vật liệu implant ứng dụng cấy ghép nha khoa [15] Hình 1.3: Cơng thức cấu tạo phân tử HAp [29] Hình 1.4: Thành phần xương với 70% khoáng, 22% hữu 8% nước [27] Hình 1.5: Cấu trúc tinh thể HAp [30] Hình 1.6: Phương pháp chế tạo lớp phủ HAp phương pháp Sol-gel [47] Hình 1.7: Phương pháp chế tạo lớp phủ HAp phương pháp kết tủa hóa học Hình 1.8: Phương pháp chế tạo vật liệu HAp phương pháp học [52] 10 Hình 1.9: Các báo đăng tạp chí Scopus từ năm 2007 đến năm 2016 việc tổng hợp HAp phương pháp khác [53] 11 Hình 1.10: Sự phát triển mầm điều kiện thường điều kiện siêu tới hạn 12 Hình 1.11: Cơ chế hình thành tinh thể HAp phương pháp thủy nhiệt có chất xúc tác EDTA [61] 13 Hình 1.12: Sơ đồ quy trình thử nghiệm in-vitro 20 Hình 2.1: Sơ đồ quy trình chế tạo lớp phủ HAp vật liệu titan phương pháp thủy nhiệt 20 Hình 2.2: Nguyên lý nhiễu xạ tia X 21 Hình 2.3: Giản đồ nhiễu xạ tia X vật liệu hydroxyapatite (HAp) (theo tiêu chuẩn JCPDS số 09-0432) 22 Hình 2.4: Thiết bị hiển vi kỹ thuật số (Model: VHX-7000) 23 Hình 2.5: Thiết bị FESEM model JEOL JSM-7600F 24 Hình 2.6: Nguyên lý tạo ảnh thiết bị FESEM [73] 25 Hình 2.7: Nguyên lý đo phổ hồng ngoại FTIR [76]Error! Bookmark not defined Hình 2.8: Các dao động nguyên tử phân tử [76] 26 Hình 2.9: Thiết bị đo phổ hồng ngoại FTIR Jasco 6300 26 Hình 2.10: Sơ đồ biến đổi Raman 27 Hình 2.11: Các loại tán xạ ánh sáng laser tương tác với vật chất 27 Hình 3.1: Góc thấm ướt bề mặt vật liệu 15 Hình 3.2: Phân loại bề mặt kỵ nước ưa nước [82] 15 Hình 3.3: Ảnh hưởng thời gian tẩm thực axit đến mức độ thấm ướt bề mặt titan (a) Titan chưa tẩm thực, (b) Titan tẩm thực axit 30 phút, (c) Titan tẩm thực axit 60 phút 28 ix