TỔNG QUAN
Giá thể 3D trong kĩ thuật mô
1.1.1 Tổng quan về kĩ thuật mô và giá thể 3D
Kỹ thuật mô (TE) là một lĩnh vực liên ngành kết hợp giữa khoa học đời sống và các nguyên tắc kỹ thuật để phát triển sản phẩm sinh học nhằm phục hồi và cải thiện chức năng của mô hoặc cơ quan TE tích hợp sinh học, hóa sinh, y học lâm sàng và khoa học vật liệu để phục vụ cho các ứng dụng lâm sàng Gần đây, TE đã trở thành một giải pháp hứa hẹn trong việc sửa chữa mô bị tổn thương, khắc phục các vấn đề liên quan đến kỹ thuật hiến tạng truyền thống, đáp ứng nhu cầu cấy ghép nội tạng ngày càng tăng trong y học lâm sàng.
Giá thể 3D rất quan trọng trong việc hỗ trợ sự kết dính của tế bào và thúc đẩy sự xâm nhập của tế bào vào ma trận xốp Ngoài ra, trong quá trình tái tạo mô, vật liệu này có thể đóng vai trò như một chất thay thế cho mô bị hỏng, đảm bảo đủ không gian cho việc tái tạo và sửa chữa mô.
Các đặc tính của giá thể trong kỹ thuật mô tùy thuộc vào loại mô cần sửa chữa, như mô cứng (xương) hoặc mô mềm (mô thần kinh) Đối với mô cứng, giá đỡ sinh học cần có khả năng chịu tải và thúc đẩy sự phát triển của xương mới Quá trình chữa lành xương phụ thuộc vào nhiều yếu tố của giá thể, bao gồm kích thước, hình dạng, độ dày thành, liên kết và bề mặt lỗ xốp, cùng với động học tái hấp thu, độ xốp, hình thái bề mặt, hóa học bề mặt, tốc độ phân hủy và độ ổn định cơ học.
Giá thể 3D vượt trội hơn giá thể 2D nhờ vào tỷ lệ thể tích trên bề mặt cao, cấu trúc xốp 3D và đặc tính cơ học thuận lợi Những ưu điểm này hỗ trợ sự gắn kết tế bào, tăng trưởng tế bào, oxy hóa và hấp thụ chất dinh dưỡng, đồng thời thúc đẩy sự phát triển đồng nhất của các mô và tương tác giữa các tế bào.
1.1.2 Các tính năng của giá thể trong kĩ thuật mô
Giá thể đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp tính toàn vẹn cơ học tạm thời tại vị trí khuyết tật cho đến khi mô bị tổn thương được sửa chữa hoặc tái tạo Để hoàn thành chức năng này, giàn giáo cần đáp ứng một số yêu cầu cụ thể nhằm đảm bảo phục hồi chức năng cơ sinh học bình thường.
Giá thể 3D lý tưởng cần có khả năng tương thích sinh học và tính phân hủy sinh học, đồng thời sở hữu đặc tính cơ học tương tự như mô được cấy vào cơ thể Nó phải tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành mô mới và thay thế cấu trúc giá thể theo thời gian Độ xốp cao và cấu trúc liên kết chặt chẽ giúp tế bào và chất dinh dưỡng di chuyển dễ dàng, trong khi bề mặt giá thể được tối ưu hóa để hỗ trợ quá trình gắn kết, tăng sinh và biệt hóa tế bào.
1.1.3 Khả năng phân hủy sinh học và độ xốp của giá thể trong kĩ thuật mô Điều kiện tối thiểu của giá thể trong kĩ thuật mô là khả năng tương thích sinh học của chúng Điều này đòi hỏi các vật liệu tạo khung không gây độc cho tế bào, dễ dàng đào thải khỏi cơ thể và tạo ra phản ứng miễn dịch không đáng kể thông qua sự hiện diện của chúng [9-11] Khả năng phân hủy sinh học được kiểm soát cũng là một đặc tính quan trọng của giá thể Nếu giá thể xuống cấp quá nhanh sẽ ảnh hưởng đến việc hình thành mô mới Điều này đặc biệt quan trọng trong BTE, vì một giá thể được cấy ghép có thể bị gãy do đó không thể hỗ trợ cơ học trong khi xương mới đang hình thành Tương tự như vậy, nếu giá thể không thoái hóa đủ nhanh, phản ứng phụ có thể xảy ra đối với vật lạ của khung, làm suy giảm khả năng tái tạo mô [12]
Khả năng cơ học của giá thể là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển mô xương và biệt hóa tế bào Nếu giá thể không truyền được lực cơ học đến các tế bào trong các điều kiện sinh lý khác nhau, tế bào có thể bị kích thích để biệt hóa không theo hướng mong muốn Do đó, việc lựa chọn vật liệu giá thể có độ cứng tương tự như xương bản địa là rất cần thiết.
1.1.4 Đặc điểm cấu trúc của giá thể
Mô sinh học là một cấu trúc 3D phức tạp với các chức năng cơ học liên quan đến vận chuyển khối lượng lớn Các vật liệu sinh học hiện tại không thể tái tạo được môi trường mô phức tạp Do đó, mục tiêu chính của kỹ thuật tái tạo mô (TE) là đơn giản hóa cấu trúc và chức năng này thông qua việc sử dụng các giá thể sinh học, cung cấp tế bào, protein và gen để hỗ trợ quá trình tái tạo mô.
Sự phát triển của giá thể kỹ thuật mạch máu gặp nhiều thách thức do thiếu hụt mạch máu, ảnh hưởng đến hiệu quả của osseo Việc lựa chọn vật liệu là yếu tố quan trọng quyết định các tính năng vật lý của giàn giáo Độ xốp của giá thể cần được cải thiện để nâng cao đặc tính cơ học, hỗ trợ sự phát triển của tế bào Hơn nữa, kích thước lỗ phù hợp trong giá thể không chỉ cải thiện khả năng di chuyển của tế bào và hấp thụ nước mà còn thúc đẩy quá trình vận chuyển oxy hiệu quả trong toàn bộ cấu trúc.
1.1.5 Thành phần hóa học của giá thể
Hầu hết các giá thể hiện nay được làm từ polyme, gốm sứ sinh học và vật liệu composite, có thể là tự nhiên hoặc nhân tạo Tính tương thích sinh học, thành phần và sản phẩm phân hủy của các chất nền này đều phụ thuộc vào nguồn vật liệu được sử dụng trong quá trình chế tạo.
Polyme được chia thành hai loại: polyme tự nhiên và polyme tổng hợp Polyme tự nhiên như axit hyaluronic, fibrin, chitosan, tinh bột và collagen nổi bật với khả năng tương thích sinh học cao, tính sinh miễn dịch thấp và khả năng tạo xương hiệu quả Tuy nhiên, những polyme này gặp phải vấn đề về tốc độ phân hủy và độ ổn định cơ học không cao.
Synthetic polymers such as polypropylene fumarate (PPF), polyanhydride, polycaprolactone (PCL), polyphosphazene, polyether ether ketone (PEEK), polylactic acid (PLA), and poly(glycolic acid) (PGA) exhibit controlled degradation rates Additionally, these materials can be fabricated into complex shapes and enhance cell adhesion capabilities.
Polyme tổng hợp có khả năng mang điện tích âm và cung cấp các phân tử hòa tan Hơn nữa, chúng có thể được sản xuất với chi phí thấp, số lượng lớn và có thời gian sử dụng lâu dài.
1.1.6 Các phương pháp chế tạo giá thể
Trong cơ thể, các tế bào và mô được tổ chức thành cấu trúc ba chiều, đòi hỏi việc chế tạo các giá thể bằng nhiều phương pháp khác nhau Điều này nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân phối tế bào và định hướng sự phát triển của chúng trong không gian ba chiều.
Vật liệu Silica
Silica có cấu trúc tứ diện SiO4, bao gồm bốn nguyên tử oxy ở bốn góc và một ion silicon ở trung tâm Bốn ion oxy lớn hơn nhiều so với ion Si 4+, cho phép chúng tiếp xúc lẫn nhau trong đơn vị [SiO4] 4- Silica có liên kết Si – O, được coi là liên kết bền nhất trong tất cả các liên kết nguyên tố Si-X, với chiều dài liên kết Si – O là 0,162 nm.
Silica vô định hình có cấu trúc ngẫu nhiên với các đơn vị [SiO4] 4-, tạo thành một cấu trúc không tuần hoàn, khác biệt với silica tinh thể Điều này dẫn đến sự khác nhau về khối lượng riêng, với silica vô định hình có khối lượng riêng nhỏ nhất là 2,20 g/ml tại 273K.
Vật liệu silica đang được chú ý toàn cầu nhờ vào ứng dụng trong sắc ký, vận chuyển thuốc, phát triển xương, cảm biến và vật liệu bán dẫn nano Tuy nhiên, đa số nano silica có cấu trúc xốp là vô định hình, dẫn đến khó khăn trong việc kiểm soát kích thước, bề mặt và tính chất Do đó, việc kiểm soát kích thước và hình dạng của vật liệu là rất quan trọng để tận dụng cấu trúc xốp độc đáo của nó.
Hình 1 1: Cấu trúc tinh thể SiO2
Hình 1 2: Cấu trúc tinh thể (a) và vô định hình (b) của silica
1.2.2 Cấu trúc của nano silica
Nano silica là bột trắng vô định hình, có độ tinh khiết cao, không độc hại, không mùi và thân thiện với môi trường Với diện tích bề mặt lớn và thể tích lỗ xốp cao, nano silica có khối lượng riêng thấp và khả năng phân tán tốt Đặc biệt, loại vật liệu này sở hữu độ bền cao, bao gồm độ bền cơ học, hóa học và nhiệt.
Cấu trúc bề mặt và bên trong của hạt silica bao gồm các nhóm silanol (Si – OH) và siloxane (Si – O – Si) Trên bề mặt, silanol có thể tồn tại dưới dạng đơn (isolated hay hydrogen bonded) hoặc gemini (hai nhóm hydroxyl trên một nguyên tử silic), trong đó silanol dạng đơn và gemini là phổ biến nhất Những nhóm silanol này hình thành trong quá trình tổng hợp qua phản ứng ngưng tụ và polyme hóa của Si(OH)4 hoặc do quá trình hydrat hóa Chúng có thể được phân loại theo tính chất và loại liên kết, với silanol tự do có khoảng cách đủ xa giữa các nhóm hydroxyl bên cạnh để ngăn chặn tạo thành liên kết hydro, tạo ra dải tín hiệu tại số sóng 3750 cm⁻¹.
Trong phổ hồng ngoại, các nhóm OH trên bề mặt silica đóng vai trò là trung tâm hấp phụ chính cho các phân tử nước Nước có thể liên kết thông qua các liên kết hydro với bất kỳ loại silanol nào trên bề mặt và đôi khi với các nhóm silanol bên trong cấu trúc Các cầu siloxane hình thành từ sự ngưng tụ của các nhóm silanol, xảy ra ở nhiệt độ khoảng 500 o C.
Hình 1 3: Cấu trúc của nano silica với nhóm silanol ,nhóm siloxane trên bề mặt (a) và bên trong (b)
Silica là một vi lượng quan trọng trong cơ thể con người, đóng vai trò là yếu tố liên kết ngang và cấu trúc của mô liên kết Nó cần thiết cho sự phát triển xương, cũng như quá trình canxi hóa và khoáng hóa thích hợp.
Việc bổ sung silica có thể là một phương pháp hiệu quả trong việc phòng ngừa và điều trị các vấn đề liên quan đến khối lượng xương, bao gồm loãng xương, thoái hóa xương khớp, chấn thương, gãy xương, và phẫu thuật chỉnh hình Silica không chỉ thúc đẩy mà còn kích hoạt các quá trình tái tạo xương, góp phần quan trọng vào việc phục hồi sức khỏe xương.
Silica có vai trò quan trọng trong hoạt tính sinh học để hình thành xương khi kết hợp với gốm sinh học canxi photphat Những vật liệu gốm sinh học này được ứng dụng làm chất thay thế xương ghép, giúp tăng cường hoặc thay thế xương ghép tự thân trong các thủ thuật phẫu thuật chỉnh hình.
Silica đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các liên kết chéo giữa collagen và proteoglycan thông qua việc liên kết với glycosaminoglycans Mặc dù silica có mặt trong tất cả các mô của cơ thể, nhưng nồng độ cao nhất được tìm thấy ở xương và các mô liên kết như da, tóc, động mạch và móng tay Nghiên cứu in vitro đã chỉ ra rằng silica có khả năng kích thích tổng hợp collagen loại 1 và thúc đẩy sự biệt hóa của nguyên bào xương.
Silica là khoáng chất thiết yếu cho sự hình thành xương Nghiên cứu của Tiến sĩ Edith M Carlisle năm 1981 cho thấy silica ảnh hưởng đến collagen, giúp tăng khả năng canxi hóa của chất nền xương.
Hình 1 4: Loại nhóm silanol trên bề mặt nano silica
Khả năng phân hủy sinh học của nano silica rất quan trọng trong ứng dụng y học, vì nano silica có trọng lượng phân tử phù hợp có thể được thải qua thận và có tính tương hợp sinh học cao Điều này được coi là một ưu điểm vượt trội của nano silica.
Theo dự báo của Cục Mỏ Mỹ (US Bureau of Mines) từ năm 2009 đến 2015, trữ lượng diatomite toàn cầu ước tính vượt quá 2 tỷ tấn, trong đó Mỹ chiếm khoảng 250 triệu tấn và Trung Quốc cũng có nguồn diatomit đáng kể.
110 triệu tấn, tiếp đến là các nước như Đan Mạch, Mexico…
Bảng 1 1: Thống kê trữ lượng diatomite của một số nước trên thế giới
Quốc gia Trữ lượng 1000 tấn) Sản lượng (1000 tấn)
Việt Nam có trữ lượng diatomite ước tính khoảng 69 triệu tấn, với Phú Yên chiếm ưu thế với khoảng 60 triệu tấn và Bảo Lộc (Lâm Đồng) có 8,5 triệu tấn Điều này cho thấy Việt Nam là một trong những quốc gia có trữ lượng diatomite cao nhất.
Thành phần hóa của diatomite
Bảng 1 2: Thành phần hóa của diatomite
SiO2 Fe2O3 Al2O3 TiO2 CaO MgO Na2O SO3 MKN
Vật liệu polimer composite
1.3.1 Tổng quan về vật liệu composite
Sợi thủy tinh và polyme tổng hợp như polypropylene và aramid đã trở nên phổ biến nhờ vào tính chất cơ học xuất sắc, quy trình sản xuất đơn giản và chi phí thấp, thay thế cho các vật liệu tự nhiên Tuy nhiên, sự giám sát ngày càng tăng đối với vật liệu tổng hợp do nguồn cung giảm và tác động môi trường từ sản xuất và thải bỏ đã thúc đẩy nhu cầu tìm kiếm các vật liệu thay thế từ nguồn tài nguyên tái tạo Điều này đã dẫn đến sự hồi sinh quan tâm đối với polyme tự nhiên và các vật liệu composite.
Vật liệu composite là sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu, mang lại các đặc tính vượt trội so với từng thành phần riêng lẻ Khác với hợp kim kim loại, các vật liệu trong composite vẫn duy trì các tính chất hóa học, vật lý và cơ học độc lập của chúng.
Vật liệu composite là yếu tố quan trọng trong sự phát triển của nền văn minh và hạ tầng quốc gia, nhờ vào độ bền cao, chi phí thấp và khả năng chế tạo dễ dàng Việc sử dụng vật liệu composite trong một số ứng dụng cụ thể không chỉ giúp tiết kiệm trọng lượng mà còn giảm chi phí so với kim loại.
1.3.2 Thành phần và phân loại vật liệu composite
Vật liệu composite bao gồm nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục, gọi là vật liệu nền Vật liệu nền đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết các pha gián đoạn, tạo nên sự bền vững và hiệu suất cho sản phẩm composite.
Pha gián đoạn, hay còn gọi là vật liệu cốt hoặc vật liệu tăng cường, được trộn vào vật liệu nền nhằm cải thiện các đặc tính như cơ tính, tính kết dính, khả năng chống mòn và chống xước.
Composite có thể được phân chia thành ba loại chính dựa trên cấu trúc hình học của cốt: composite phân lớp, bao gồm nhiều lớp liên kết với nhau; composite hạt độn hoặc sợi ngắn phân tán; và composite cấu trúc sợi không gian nD.
Tinh bột sắn – PVA
Tinh bột (C6H10O5)n là hợp chất tự nhiên tồn tại dưới dạng hạt bán tinh thể, bao gồm hai thành phần chính: amylopectin (AP) và amylose (AM) Trong đó, amylopectin chiếm ưu thế trong hầu hết các loại tinh bột, trong khi amylose thường chiếm từ 15–35% trọng lượng của tinh bột Ngoài ra, hạt tinh bột còn chứa một lượng nhỏ protein, axit béo và khoáng chất, những yếu tố này ảnh hưởng đến các đặc tính của tinh bột.
Tỷ lệ amylose/amylopectin ảnh hưởng đến nhiều tính chất hóa học và vật lý của tinh bột, bao gồm kích thước hạt, độ hồ hóa và độ nhớt Khi hàm lượng amylose cao hơn amylopectin, tinh bột sẽ có tính dẻo, trong khi khi hàm lượng amylopectin vượt trội, tinh bột sẽ có độ nhớt cao sau quá trình hồ hóa Đặc tính này rất quan trọng liên quan đến khả năng hút nước và trương nở trong các ứng dụng vật liệu.
Tinh bột chủ yếu có trong hạt ngũ cốc, củ và rễ, với các nguồn chính trong công nghiệp là ngô, lúa mì và khoai tây Trong quy trình công nghiệp, khoảng 30% tinh bột được sử dụng ở dạng nguyên bản và 15% ở dạng biến đổi hóa học Những biến đổi hóa học này làm thay đổi cơ chế hóa lý đặc trưng của tinh bột.
Hình 1 5: Một số cấu trúc phổ biến của composite cốt
11 tính của các loại tinh bột khác nhau để tối ưu hóa nguyên liệu đó, ứng dụng vào trong thực phẩm hay những lĩnh vực khác.[50]
Tinh bột sắn có màu trắng, nhưng nếu củ sắn được nghiền khi chưa bóc vỏ, tinh bột thu được sẽ có màu tối Củ sắn và tinh bột sắn có pH dao động từ 6 đến 6.3 Kích thước hạt tinh bột sắn nằm trong khoảng từ 5 đến 40μm, với các hạt lớn từ 25-35μm và hạt nhỏ từ 5-15μm, chủ yếu có hình dạng tròn và bề mặt nhẵn.
Tinh bột sắn chứa hàm lượng amylopectin cao, từ 71-92%, mang lại các tính chất nổi bật như độ nhớt cao, khả năng thoái hóa thấp và độ bền gel cao, tương tự như các loại tinh bột khác có nhiều amylopectin.
1.4.3 Cấu trúc hóa học của tinh bột
Tinh bột là polysaccarit của glucose có công thức phân tử (C6H10O5.H2O)m được tạo bởi hai loại polyme: amylose và amylopectin
Bảng 1 3: Hàm lượng amylose và amylopectin trong tinh bột [52]
Amylose và amylopectin là hai loại polysaccharide khác nhau về cấu trúc và khối lượng phân tử Amylose có trọng lượng phân tử thấp, bao gồm chuỗi dài từ 600 đến 3000 đơn vị glucose, với mạch thẳng được liên kết bởi các liên kết α-1,4 glycoside Ngược lại, amylopectin có trọng lượng phân tử cao hơn, với chuỗi dài từ 43,000 đến 61,000 đơn vị glucose và cấu trúc phân nhánh.
Amylopectin có cấu trúc phức tạp với liên kết chính α-1,4 glucozit giữa các vòng glucose và các nhánh dài khoảng 20-25 đơn vị glucose, được kết nối với mạch chính thông qua liên kết α-1,6 glucozit Mức độ trùng hợp (DP) của glucan chuỗi thay đổi tùy thuộc vào nguồn tinh bột.
Hình 1 6: Cấu trúc amylose và amylopectin
1.4.4 Tính chất vật lý của huyền phù tinh bột trong nước
1.4.4.1 Sự trương nở tinh bột
Khi hòa tan tinh bột vào nước, hạt tinh bột sẽ hấp thụ nước và trương phồng, dẫn đến hiện tượng trương nở Mức độ tăng kích thước của một số loại tinh bột khi ngâm trong nước là: tinh bột bắp tăng 9.1%, tinh bột khoai tây tăng 12.7%, và tinh bột khoai mỡ tăng 28.4%.
Sự trương nở và hòa tan của tinh bột chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố, bao gồm nguồn gốc tinh bột, quy trình sấy, quá trình lão hóa, và phương pháp xử lý nhiệt ẩm.
1.4.4.2 Hiện tượng hồ hóa tinh bột
Nhiệt độ hồ hóa là mức nhiệt mà hạt tinh bột bị phá vỡ, chuyển từ trạng thái ban đầu với độ hydrat hóa khác nhau thành dung dịch keo Quá trình này diễn ra qua nhiều giai đoạn không thể đảo ngược, bắt đầu bằng sự trương nở của hạt, tiếp theo là tan chảy tinh thể tự nhiên và hòa tan phân tử của tinh bột.
Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột không phải là một giá trị cố định mà là một khoảng xác định Nhiệt độ thấp nhất đánh dấu điểm mà các hạt tinh bột bắt đầu mất tính lưỡng chiết, trong khi nhiệt độ cao nhất là mức tại đó khoảng 10% hạt tinh bột vẫn giữ được tính lưỡng chiết.
Nhiệt độ hồ hoá có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào các yếu tố như nguồn gốc tinh bột, kích thước hạt, pH môi trường và nhiệt độ phá vỡ, trương nở hạt.
Bảng 1 4: Nhiệt độ hồ hóa của một số loại tinh bột [58]
STT Loại tinh bột Nhiệt hồ hóa ( o C) STT Loại tinh bột Nhiệt hồ hóa ( o C)
PVA (Polyvinyl alcohol) có công thức phân tử là [CH2CH(OH)]n, khối lượng riêng nằm trong khoảng 1,19 - 1,31 (g/cm 3 ), khoảng nhiệt độ nóng chảy 150 - 230 o C
Polyvinyl ancol (PVA) là một polyme nhiệt dẻo được tạo ra từ quá trình thủy phân poly(vinyl axetat) (PVAc) PVA có tính chất phân cực, không mùi, không độc hại và khả năng phân hủy sinh học, với khả năng phân hủy được cải thiện nhờ thủy phân Ngoài ra, PVA còn tan trong nước, axit và các dung môi phân cực.
PVA được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất sợi, phẫu thuật, và tạo da nhân tạo Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong các sản phẩm như cao su, chất nhũ hóa, và chất kết dính cho giấy, bìa, cũng như các chất kết dính đa dụng cho giấy, hàng dệt, da và bề mặt gốm xốp.
Hình 1 7: Cấu tạo của PVA
1.4.6 Chất nối ngang trong quá trình polymer hóa và hồ hóa tinh bột
1.4.6.1 Tổng quan chất nối ngang
Chất nối ngang giúp biến đổi polyme bằng cách liên kết các chuỗi polyme thông qua liên kết ion hoặc cộng hóa trị, hạn chế sự trượt của các chuỗi và tạo ra tính đàn hồi cho polyme Bất kỳ phân tử nào có khả năng phản ứng với hai hoặc nhiều nhóm hydroxyl đều có thể tạo liên kết ngang giữa các mạch tinh bột Các tác nhân tạo lưới được FDA cho phép như photpho oxyclorua, trimetaphotphat, andehit, đianehit, diepoxy, N,N'-metylenbisacrylamit (M A), và axit boric có khả năng tạo lưới với mạch tinh bột Quá trình tạo liên kết ngang củng cố các liên kết hydro trong hạt cùng với các liên kết hóa học giữa các phân tử tinh bột Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tạo liên kết ngang bao gồm thành phần hóa học của tác nhân, nồng độ, pH, nhiệt độ và thời gian phản ứng.
1.4.6.2 Cơ chế tạo liên kết ngang trong hệ tinh bột/PVA/glutadehyde
Tình hình nghiên cứu vật liệu composite từ Tinh bột/PVA/Diatomite
Bijan Nasri và nhóm của ông đã phát triển thành công giá thể 3D từ bột/xenlulo thông qua quy trình đúc, rửa muối và đông khô Mẫu tạo ra có cấu trúc xốp với 70% sợi nano có đường kính từ 40 đến 90 nm Kết quả khảo sát cho thấy, trong quá trình rửa muối, nồng độ NaCl tăng lên ảnh hưởng đến độ xốp của giá thể.
Hình 1 8: Cơ chế tạo liên kết ngang giữa glutadehyde và tinh bột/PVA
Vật liệu tăng với độ xốp 70% rất phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật mô sụn Khi thêm 10% sợi nano xenlulo, tỷ lệ hấp thụ nước của nanocompozit tăng đáng kể Tuy nhiên, vật liệu này bị phân hủy một phần sau 20 tuần.
Wen-Chuan Hsieh và Jiun-Jia Liau đã phát triển vật liệu composite 3D PVA/tinh bột bằng cách sử dụng máy đồng hóa với tốc độ 500 vòng/phút Vật liệu này có độ xốp cao và khả năng hút nước lớn, với khả năng thấm hút nước tăng lên đến 800% khi nồng độ tinh bột tăng Trạng thái kéo cực đại của vật liệu đạt trên 3,6 × 10.
2 MPa thể hiện độ giãn dài và độ đàn hồi cao Khả năng phân hủy sinh học của vật liệu sau
28 ngày là khoảng 30 - 60%, cho thấy rằng vật liệu có thể được sử dụng làm chất liệu cấy ghép lâu dài [66]
Caitlin Koski và Bonny Onuike đã nghiên cứu việc sử dụng polyme tự nhiên trong công nghệ in 3D từ giá thể HA và tinh bột hồ hóa Kết quả cho thấy, với lượng tinh bột cao, độ bền cơ học tăng từ 4,07 ± 0,66 MPa lên 10,35 ± 1,10 MPa, gần bằng độ bền của xương Việc bổ sung tinh bột và PCL cải thiện sự tăng sinh nguyên bào xương của bào thai người trong ống nghiệm qua phân tích MTT và SEM Nghiên cứu này chỉ ra rằng tinh bột hồ hóa đóng vai trò gia cố cho giàn giáo composite HA và đề xuất cơ chế hòa tan để tích hợp tế bào in vitro.
Albino Martins và các đồng nghiệp đã phát triển giá thể 3D từ tinh bột-polycaprolactone bằng kỹ thuật điện quay Họ đã gieo các tế bào nguyên bào xương của con người lên các giá thể này, sử dụng bình spinner và nuôi cấy trong 7 ngày ở điều kiện tĩnh Nghiên cứu cho thấy rằng việc tích hợp kích thước nano sợi vào giàn giáo 3D cải thiện đáng kể hiệu suất sinh học của chúng trong kỹ thuật mô xương.
Vijaya Sadashiv Waghmare và các đồng nghiệp đã phát triển giàn giáo sợi nano từ tinh bột và polyvinyl alcohol với tỷ lệ 30:70% (w/w) thông qua phương pháp điện quay Đường kính của các sợi nano đạt từ 110 đến 300 nm, với độ bền cơ học dao động từ 0,5 đến 0,8 MPa Thí nghiệm tế bào với tế bào nguyên bào sợi chuột L929 đã được thực hiện để đánh giá tính khả thi của giàn giáo này.
18 khả năng của giàn giáo trong việc thúc đẩy sự tăng sinh tế bào phù hợp cho các ứng dụng chữa lành vết thương [69]
Mirab và cộng sự đã phát triển một giàn giáo có độ xốp cao, sử dụng sợi nano xenlulose và các hạt nano HA trong ma trận PVA được liên kết chéo bởi axit xitric Nghiên cứu của họ đã chỉ ra rằng giá thể nanocompozit này có khả năng kết dính tế bào nguyên bào xương MG-63 được cải thiện, được xác nhận qua phân tích SEM và thử nghiệm MTT.
Tế bào Schwann đóng vai trò quan trọng trong tái tạo dây thần kinh ngoại vi, nhưng phương pháp cắt ghép mô hiện tại vẫn kém hiệu quả hơn so với ghép tự động Nghiên cứu của Liling Zhang đã phát triển giá thể 3D gellan gum/tinh bột thông qua công nghệ in 3D, cho thấy mật độ lỗ trên mặt cắt ngang của hydrogel tăng theo khoảng cách in Cả tốc độ trương nở và tốc độ phân hủy của hydrogel đều tăng dần cho đến khi đạt trạng thái cân bằng Các thử nghiệm độc tính tế bào MTT và thử nghiệm tăng sinh tế bào CCK- đã được thực hiện để đánh giá tính an toàn và hiệu quả của hydrogel này.
Nghiên cứu cho thấy lớp vảy cũ không độc hại và tế bào Schwann có khả năng phát triển tốt trên lớp vảy này sau 5 ngày nuôi cấy Kết quả này chỉ ra rằng giá thể 3D gellan gum/tinh bột có tiềm năng lớn trong ứng dụng tái tạo thần kinh.
THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Hóa chất và vật liệu
Tinh bột sắn được biến tính theo quy trình sau:
Huyền phù được tạo ra từ 400g tinh bột sắn thô trộn với 4 lít nước có chứa 5% NaCl Tinh bột sắn được xử lý bằng phương pháp điện phân, sử dụng 2 điện cực Titan cách nhau 10 cm, với một cực dương và một cực âm đã được mạ chống ăn mòn.
Hỗn hợp chứa RuO2, IrO2 và TiO2 được xử lý bằng dòng điện xoay chiều 10V và 3A trong huyền phù tinh bột ở nhiệt độ 30°C trong 2 giờ, kèm theo sự khuấy nhẹ Sau đó, HCl 1M được thêm từ từ vào huyền phù và pH được điều chỉnh về 7 bằng giấy đo pH Huyền phù tinh bột thu được được rửa bằng nước cất 4-5 lần và lắng để giảm ion Cl- Hàm lượng ion Cl- dư được kiểm tra bằng dung dịch AgNO3 0,1M để xác nhận việc rửa sạch Cuối cùng, tinh bột được sấy ở 50°C trong 10 giờ.
Polyvinyl ancol (PVA) có xuất xứ Ấn Độ, dạng hạt, màu trắng, khối lượng phân tử trung bình 60000 g/mol, độ thủy phân 99%
Tinh bột có nguồn từ Công ty Tinh Bột Khoai Mì- Starch In Food, quận 2, TP.HCM Glutaraldehyde có xuất xứ Trung Quốc, ở dạng dung dịch (nồng độ 50%)
Diatomite được mua tại công ty hóa chất Sigma-Aldrich, Đức Mẫu diatomiteở dạng bột.
Quy trình tạo vật liệu composite 3D
2.2.1 Quy trình tạo vật liệu composite 3D Tinh bột/PVA
Chuẩn bị nguyên liệu ban đầu
Tạo dung dịch giá thể
PVA hòa tan trong 40ml nước ở 90 o C trong 30 phút tạo dung dịch đồng nhất, tốc độ khuấy
400 vòng/phút Tinh bột và glutadehyde được khuấy riêng trong 35ml nước cất khoảng 10
20 phút ở nhiệt độ 30 o C , sau đó trộn chung với PVA theo tỉ lệ ở bảng 2.2 và khuấy tạo dung dịch đồng nhất, quá trình diễn ra tại nhiệt độ 80 o C trong 2h
Giai đoạn tạo vật liệu 3D (Tinh bột/PVA/glutadehyde)
Để thực hiện thí nghiệm, 15ml dung dịch được đổ lên đĩa petri và rải muối có kích thước 630 - 315µm lên mẫu Hàm lượng muối được cố định ở mức 85% so với tổng khối lượng tinh bột, PVA và muối Sau đó, đĩa petri chứa dung dịch được để yên trong 15 phút để các hạt muối phân bố đồng đều Mẫu được sấy ở nhiệt độ 55°C trong 48 giờ Cuối cùng, quá trình rửa trôi muối được thực hiện bằng cách ngâm mẫu trong nước cất, và hàm lượng muối trong mẫu được kiểm tra bằng dung dịch AgNO3.
1M (60 phút/lần) Đông lạnh mẫu ở khoảng -5 o C sau khi đã loại bỏ được hoàn toàn muối Mẫu sau đó được đem sấy đông khô thu được sản phẩm hoàn thiện
Sấy khô Đông lạnh mẫu
Ngâm nước Đổ mẫu Khuấy Khuấy
Tinh bột sắn biến tính
Hình 2 1: Sơ đồ khối quy trình chế tạo vật liệu composite 3D (Tinh bột/PVA)
2.2.2 Quy trình tạo vật liệu composite 3D Tinh bột/PVA/SiO 2
SiO2, tinh bột và glutadehyde được hòa trộn đều trong 35 ml nước cất trong khoảng 10 phút Sau đó, PVA được hòa tan trong 40 ml nước cất ở nhiệt độ 90 o C trong 30 phút Tiếp theo, hỗn hợp này được trộn với dung dịch trước đó và đun trên bếp khuấy từ ở 80 o C trong 2 giờ Các mẫu vật liệu được tạo ra theo quy trình như mô tả trong hình 2.2, với nhiều mẫu ứng với các hàm lượng SiO2 khác nhau được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2 1: Hàm lượng SiO2 theo khối lượng tinh bột/PVA (wt.%)
Hàm lượng SiO2/Tinh bột +PVA+SiO2
Tổng khối lượng Tinh bột/PVA/SiO2
Vật liệu TB/PVA/SiO2
Rửa muối Đổ mẫu Khuấy Khuấy
Tinh bột sắn biến tính
Sấy khô Đông lạnh mẫu
Hình 2 2: Sơ đồ khối quy trình chế tạo vật liệu composite 3D (Tinh bột/PVA/SiO2)
Khảo sát hàm lượng chất nối ngang glutadehyde
Để xác định hàm lượng glutadehyde hợp lý, phần trăm glutadehyde (wt.%) được điều chỉnh Tinh bột và glutadehyde được phân tán đều trong 35 ml nước cất trong khoảng 10 phút PVA được hòa tan trong 40 ml nước cất ở nhiệt độ 90 o C trong 30 phút, sau đó trộn chung với dung dịch trên và đun trên bếp khuấy từ ở 80 o C trong 2 giờ Mẫu vật liệu được tạo thành theo các bước như hình 2.1, với nhiều mẫu ứng với các hàm lượng chất nối ngang glutadehyde khác nhau được thực hiện theo bảng 2.2.
Bảng 2.2: Hàm lượng glutadehyde theo khối lượng tinh bột và PVA (wt.%)
Thể tích dung dịch (ml) glutadehyde 5%
Tổng khối lượng Tinh bột/PVA
Khảo sát hàm lượng SiO 2
Hàm lượng glutaraldehyde được sử dụng là 1.5%, trong khi các tỉ lệ %SiO2 được khảo sát trong khoảng từ 0 đến 5% SiO2, tinh bột và glutaraldehyde được phân tán đồng đều trong 35 ml nước cất trong khoảng 10 phút PVA được hòa tan trong 40 ml nước cất ở nhiệt độ 90 oC trong 30 phút, sau đó được trộn với dung dịch đã chuẩn bị Quá trình tiếp theo là đun hỗn hợp trên bếp khuấy từ ở 80 oC trong 2 giờ Mẫu vật liệu được tạo ra theo các bước đã mô tả trong hình 2.2, với nhiều mẫu được đổ ứng với các hàm lượng SiO2 khác nhau như trình bày trong bảng 2.1.
Khảo sát hàm lượng muối
Khảo sát các hàm lượng muối NaCl trong khoảng 70 – 95% Quy trình tạo vật liệu như hình 2.1 Khối lượng muối được mô tả ở bảng 2.3
Bảng 2 3: Hàm lượng muối theo khối lượng tinh bột và PVA (wt.%)
Khối lượng tinh bột Khối lượng PVA Khối lượng muối(g) Hàm lượng muối
Phương pháp nghiên cứu
2.6.1 Phương pháp đo độ trương của vật liệu
Mẫu được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2752-78 với kích thước 15 x 15 x 3 mm Sau khi đông khô, mẫu sẽ được cân để xác định khối lượng m1, tiếp theo sẽ được ngâm trực tiếp trong nước cất ở nhiệt độ quy định.
Để xác định độ trương nước của mẫu, ngâm mẫu trong nước ở 26 độ C trong 48 giờ, sau đó vớt ra và thấm khô bề mặt bằng giấy khô Khối lượng mẫu sau khi ngâm được ghi nhận là m2, trong khi khối lượng ban đầu là m1 Độ trương nước được tính theo công thức: Độ trương nước = (m2 - m1) / m1 × 100, trong đó m1 là khối lượng ban đầu của mẫu (g) và m2 là khối lượng mẫu sau khi ngâm (g).
2.6.2 Phương pháp đo độ xốp của vật liệu
Mẫu có kích thước 15x15x3 mm sau khi đông khô được ngâm trong ethanol để đo thể tích Sau 30 phút ngâm, tổng thể tích của mẫu và ethanol là V2 Khi lấy mẫu ra, thể tích chất lỏng còn lại là V3 Độ xốp được tính theo công thức đã được chỉ định, và kết quả được lấy trung bình từ 3 lần thử.
Trong đó: V1 là thể tích ethanol ban đầu
V2 là tổng thể tích của ethanol và mẫu
V3 là thể tích ethanol còn lại sau khi lấy mẫu ra
2.6.3 Phương pháp xác định cơ tính giá thể
Quá trình đo độ bền cơ được thực hiện bằng máy phân tích cấu trúc CT3 – BROOKFIELD với đầu đo có đường kính 7 mm Ứng suất nén σ được tính theo công thức σ = F/A, trong đó σ là ứng suất nén tính bằng N/mm².
A: Tiết diện của đầu đo tiếp xúc trực tiếp lên mẫu đo Và được xác định theo công thức
4 ×π=R 2 ×π Trong đó D: Đường kính đầu đo (D= 7 mm)
R: Bán kính đầu đo (R= 3,5 mm) Biến dạng ε được tính theo công thức
𝐿 0 Trong đó ε: Độ biến dạng (%) ΔL: Độ biến dạng bề dày của mẫu vật liệu khi bắt đầu nén (mm)
L0: chiều dài mẫu ban đầu (mm)
Hình 2 4: Mẫu khi bị đâm bởi thanh đo Hình 2 3: Mẫu trước khi bị đâm xuyên bởi thanh đo
Sau khi vẽ đường cong ứng suất và biến dạng từ kết quả đo, modul đàn hồi Young (E) được xác định trong khoảng tuyến tính của ứng suất và biến dạng.
2.6.4 Phương pháp phân tích phổ nhiễu xạ tia X
Phương pháp phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD) là công cụ quan trọng để khảo sát cấu trúc tinh thể và thành phần pha của mẫu diatomite Mẫu diatomite được sử dụng ở dạng bột, và phổ XRD của nó được xác định bằng máy nhiễu xạ tia X Empyrean của hãng Malvern Panalytical.
2.6.5 Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (X – Ray)
Phổ tán xạ sắc năng lượng tia X (EDS) là phương pháp hiệu quả để phân tích các nguyên tố có trong mẫu vật liệu composite 3D Quá trình đo được thực hiện sau khi mẫu đã được sấy đông khô, đảm bảo độ chính xác trong việc xác định thành phần nguyên tố.
Thành phần nguyên tố của mẫu vật liệu được phân tích bằng thiết bị SEM TM4000 Plus (Hitachi, Nhật Bản), kết hợp với đầu thu phổ tán xạ năng lượng tia X (Quantax EDS), tại trường Đại Học Sư Phạm Kĩ Thuật TPHCM.
2.6.6 Kính hiển vi điện tử quét SEM kết hợp với phổ tán xạ năng lượng EDS
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là công cụ quan trọng để quan sát bề mặt mẫu ở độ phóng đại cao, giúp phân tích hình dạng, kích thước lỗ trống của composite 3D và xác định sự hiện diện của diatomite trong vật liệu.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) dùng để xác định kích thước hạt và hình thái học của diatomite
Mẫu vật liệu composite 3D và diatomite đã được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét SEM TM4000 Plus (Hitachi, Nhật Bản) tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Sau khi sấy đông khô, mẫu composite được phủ một lớp Platin trên bề mặt để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
2.6.7 Phương pháp phân tích bằng phổ hồng ngoại (FTIR)
Phân tích phổ hồng ngoại là phương pháp quan trọng để xác định sự hiện diện của các đỉnh đặc trưng cho các liên kết nhóm chức trong cấu trúc vật liệu composite 3D Qua đó, chúng ta có thể đánh giá ảnh hưởng của các liên kết này đối với tính chất của vật liệu.
29 hưởng của SiO2 đối với sự thay đổi cấu trúc (nếu có) của vật liệu Mẫu được đo sau khi đã sấy đông khô
Phổ hồng ngoại được ghi nhận trong khoảng 400 – 4000 cm-1 bằng thiết bị quang phổ hồng ngoại FTIR (Jasco FT/IR-4700, Nhật Bản) tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Hình ảnh cảm quang của vật liệu
Hình 3 1: Vật liệu composite dạng ướt
Hình 3 2: Vật liệu composite hoàn thiện
Kết quả SiO 2 từ diatomite
3.2.1 Kết quả chụp SEM diatomite
Kết quả SEM chỉ ra rằng diatomite có hình thái học dạng hạt với kích thước khoảng 0.5𝜇𝑚, kích thước hạt đồng đều Các hạt được sắp xếp rời rạc, chồng lên nhau theo dạng vẩy, mang cấu trúc san hô và xốp Các lỗ rỗng có nhiều kích thước, hình dạng và thể tích khác nhau, với phần lớn lỗ chân lông thông thoáng.
Hình 3 3: Ảnh SEM của diatomite
3.2.2 Kết quả đo XRD diatomite
Các pha của diatomite được xác định thông qua phân tích XRD, với hình 3.4 cho thấy đỉnh đặc trưng của SiO2 tại góc 21.85° Đỉnh cao và chân đỉnh hẹp cho thấy diatomite có sự lẫn tạp chất là quartz.
Hình 3 4: Kết quả XRD của diatomite
Kết quả vật liệu composite 3D
3.3.1 Kết quả chụp SEM vật liệu composite 3D
Hình ảnh SEM của mẫu vật liệu composite tại các độ phóng đại khác nhau cho thấy vật liệu có kích thước lỗ rỗng đa dạng và bề mặt phức tạp Nhiều vùng trong vật liệu hình thành các mảng lớn với nhiều khoang, tạo nên cấu trúc giống như tổ ong.
Hình 3 5: Ảnh SEM của vật liệu composite tại các độ phóng đại
Cấu trúc xốp của vật liệu hình thành từ quá trình rửa trôi muối, tạo ra các lỗ trống với kích thước hạt muối khác nhau trong khoảng 315 – 630 µm, kết hợp với quá trình sấy đụng khụ làm nước chuyển pha từ rắn sang khí, tạo ra các lỗ trống nhỏ hơn Kích thước lỗ xốp dao động từ 0.4 µm đến 1.25 µm, điều này thuận lợi cho quá trình trao đổi dinh dưỡng và khí trong kỹ thuật mô.
Hỡnh 3 6: Ảnh SEM vật liệu ở độ phõn giải 10àm
35 Hình 3 7: Ảnh SEM hạt diatomite trong vật liệu composite
Hình 3 8: Kết quả EDS của vật liệu ở hình 3.7
Kết quả đo EDS (hình 3.8) cho thấy sự hiện diện của các đỉnh đặc trưng cho Si và O, cùng với các nguyên tố tạp chất Na và Cl do dư lượng muối NaCl trong quá trình rửa Thành phần nguyên tố bao gồm C chiếm 37.89%, O chiếm 41.99% và Si chiếm 18.16%.
3.3.2 Ảnh hưởng của chất nối ngang glutadehyde đến vật liệu composite 3D
Hình 3 9: Mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng của các mẫu vật liệu khi hàm lượng glutadehyde thay đổi
Modul Young của vật liệu tăng mạnh khi có sự hiện diện của glutadehyde Cụ thể, khi thêm glutadehyde với tỉ lệ từ 0% đến 1.5%, modul Young tăng từ 7 kPa lên 9.825 kPa Tuy nhiên, khi hàm lượng glutadehyde tiếp tục tăng từ 1.5% đến 2.5%, modul Young giảm dần từ 9.825 kPa xuống 9.65 kPa Do đó, modul Young đạt giá trị cao nhất là 9.825 kPa tại 1.5% glutadehyde.
Glutaraldehyde là chất tạo liên kết ngang, giúp hình thành mạng lưới không gian giữa PVA và tinh bột, từ đó gia tăng lực liên kết giữa chúng Kết quả là, modul Young của vật liệu được cải thiện đáng kể.
Dựa vào cơ tính của mẫu vật liệu và điều kiện kinh tế phù hợp, tỉ lệ 1.5% glutadehyde được chọn
Hình 3 10: Modul Young của vật liệu khi tăng hàm lượng glutadehyde
3.3.3 Ảnh hưởng của SiO 2 đến vật liệu composite 3D
3.3.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng SiO 2 đến độ trương nước của mẫu vật liệu composite 3D
Vật liệu làm từ tinh bột có nhược điểm lớn là khả năng hấp thụ nước cao, do đó, việc cải thiện khả năng chống thấm nước là rất cần thiết Hình 3.11 minh họa khả năng hấp thụ nước của mẫu vật liệu với các tỷ lệ SiO2 từ 0 đến 5% theo thời gian.
Sau 30 phút, mẫu không chứa SiO2 ghi nhận độ trương cao nhất đạt 794.7%, trong khi mẫu có 3% SiO2 lại có độ trương thấp nhất là 507.93% Trong khoảng thời gian từ 90 đến 240 phút, độ trương của các mẫu có sự thay đổi nhưng không đáng kể.
Hình 3.12 thể hiện rõ độ trương cực đại của các mẫu vật liệu với các hàm lượng SiO2 khác nhau Sự trương nước của vật liệu không có SiO2 và với 1.33% SiO2 có sự thay đổi đáng kể, giảm từ 882.78% xuống 624.64% Nguyên nhân của sự giảm này là do sự hình thành các liên kết silanol (Si – OH) với SiO2, ngăn cản các phân tử nước hòa tan và làm giảm độ trương của vật liệu.
Hình 3 11: Độ trương nước cực đại của các mẫu vật liệu theo thời gian
3.3.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng SiO 2 đến cơ tính của vật liệu composite 3D
Vật liệu composite 3D có khả năng chịu đựng nhiều loại ứng suất trong quá trình sử dụng, do đó, việc xác định các đặc tính cơ học của chúng liên quan đến nhiều yếu tố như khoa học, công nghệ và ứng dụng thực tiễn.
Hình 3 12: Độ trương nước cực đại khi tăng hàm lượng SiO2
Theo hình 3.14, khi tỉ lệ khối lượng SiO2 tăng, modul Young của vật liệu tuyến tính cũng tăng trong một khoảng nhất định Cụ thể, từ 0 đến 3%, modul Young tăng từ 9.83 kPa lên 40.3 kPa Sự gia tăng này xảy ra do SiO2 được phân tán tốt trong chất nền, làm tăng pha rắn của vật liệu, từ đó làm cho vật liệu trở nên đặc hơn và cải thiện cơ tính của nó.
Khi hàm lượng SiO2 tăng lên khoảng 4-5%, modul Young của vật liệu giảm từ 40.3 kPa xuống 24 kPa so với mẫu 3%, do hiện tượng kết tụ của SiO2 làm giảm khả năng phân tán Kết quả này tương đồng với nghiên cứu của Kexin Fu.
Hình 3 13: Mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng của các mẫu vật liệu từ 0 -5% SiO2
Hình 3 14: Modul Young vật liệu khi tăng hàm lượng SiO2
Việc bổ sung nano SiO2 với đặc tính cơ học vượt trội và độ cứng cao vào vật liệu composite 3D đã chứng minh là một phương pháp hiệu quả để nâng cao các tính chất cơ học của chúng.
3.3.3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng SiO 2 đến độ xốp của vật liệu composite 3D
Hình 3.15 cho thấy mối quan hệ giữa hàm lượng chất độn SiO2 và độ xốp của vật liệu, trong đó khi hàm lượng SiO2 tăng, độ xốp của vật liệu giảm từ 91% xuống còn 75%.
Khi hàm lượng SiO2 tăng, SiO2 sẽ lấp đầy các lỗ trống trong vật liệu, dẫn đến việc thu hẹp các lỗ trống này và làm giảm độ xốp của vật liệu.
3.3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng muối đến vật liệu composite 3D
Hình 3 15: Độ xốp của vật liệu khi tăng hàm lượng SiO2
Một giá thể lý tưởng cho kỹ thuật mô cần có cấu trúc xốp cao và độ ổn định cơ học, tuy nhiên, hai yếu tố này thường xung đột Hình 3.16 minh họa độ xốp của vật liệu ở các hàm lượng muối khác nhau, với độ xốp được đo bằng thể tích khoảng trống so với tổng thể tích của vật liệu Cồn được sử dụng làm dung môi trong quá trình này Kết quả cho thấy, độ xốp tăng lên khi hàm lượng muối gia tăng.
Kết quả đo FTIR
Hình 3.17 thể hiện kết quả FTIR của diatomite và các mẫu composite 3D ứng với hàm lượng SiO2 lần lượt là 0%, 2%, 3%, 4%, 5% (wt.%)
Kết quả phổ FTIR của diatomite cho thấy đỉnh phổ tại số sóng 831.16 cm-1 và 1073.67 cm -
1 là do mode đối xứng và bất đối xứng của liên kết Si-O-Si Đỉnh phổ có tâm tại 469.58 cm -
1 là do mode uốn của Si-O-Si
Hình 3 17: Kết quả FTIR của diatomite và các mẫu vật liệu khi tăng hàm lượng SiO2 từ 0 – 5%
Các mẫu có tỉ lệ từ 0 – 5% cho thấy sự xuất hiện của dao động đặc trưng liên kết OH- tại các bước sóng 3278.6 cm -1, 3286.59 cm -1, 3321.5 cm -1, 3335.21 cm -1 và 3315.26 cm -1 Đồng thời, dao động kéo dãn CH2 được ghi nhận ở các bước sóng 1416.9 cm -1, 1417.5 cm -1, 1425.1 cm -1, 1405.5 cm -1 và 1406.6 cm -1 Đối với các mẫu chứa SiO2 từ 2 – 5%, vùng phổ tương ứng có số sóng là 1640.1 cm -1 và 1635.49 cm -1.
Các đỉnh phổ tại 1681.4 cm-1 và 1667.2 cm-1 được xác định là do dao động uốn của phân tử nước (O-H) trong ma trận silica, trong khi các đỉnh tại 3729.9 cm-1, 3736.64 cm-1, 3737.85 cm-1 và 3733.27 cm-1 liên quan đến dao động kéo dãn của nhóm O-H trong silanol, cho thấy sự hấp thụ nước Sự xuất hiện của các peak OH- trong khoảng 3000 – 3800 cm-1 khi thêm SiO2 chứng tỏ rằng SiO2 đã tạo liên kết Si – OH với tinh bột và PVA.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo vật liệu composite 3D rỗng thông qua phương pháp rửa trôi muối, tạo ra các lỗ xốp với kích thước từ 0.4 - 1.25𝜇m, tối ưu cho quá trình trao đổi dinh dưỡng và khí Hình ảnh SEM cho thấy hạt diatomite có kích thước khoảng 0.5𝜇m, với hình thái dạng vẩy và sắp xếp rời rạc Cấu trúc diatomite mang hình dạng san hô, có tính xốp với các lỗ rỗng đa dạng về kích thước, hình dạng và thể tích.
Kết quả XRD diatomite cho peak đặc trưng ở góc 21.85 o Peak cao, chân peak khá hẹp, điều này cho thấy diatomite có lẫn tạp chất là quartz
Kết quả thực nghiệm cho thấy hàm lượng chất nối ngang glutadehyde được khảo sát trong khoảng từ 0 đến 2.5% (wt.%) Dựa trên độ bền cơ và yếu tố kinh tế, tỷ lệ 1.5% glutadehyde đã được lựa chọn để tiếp tục khảo sát các thành phần nguyên liệu khác.
Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng SiO2 từ 0 – 5% (wt.%) trong vật liệu chứa 1.5% chất nối ngang glutadehyde và một hàm lượng tinh bột/PVA Kết quả cho thấy, khi hàm lượng SiO2 tăng lên, cơ tính của vật liệu cũng tăng, đạt mô đun Young tối đa 40.3 kPa tại 3% SiO2 Ngoài ra, khả năng trương nở trong nước của vật liệu đạt cực đại 882.78% khi không có SiO2, trong khi độ xốp của vật liệu giảm dần theo hàm lượng SiO2.
Nghiên cứu đã cố định hàm lượng tinh bột/PVA và chất nối ngang glutadehyde, đồng thời khảo sát các hàm lượng muối từ 70 – 95% (wt.%) Kết quả cho thấy, khi tăng hàm lượng muối, độ xốp của vật liệu tăng lên, đạt giá trị cực đại 94% tại hàm lượng muối 95%.
Phương pháp FTIR đã cho kết quả về một số thay đổi trước và sau quá trình thêm SiO2
Phương pháp rửa trôi muối cho phép điều chỉnh độ xốp và kích thước lỗ của giá thể thông qua việc thay đổi số lượng và kích thước của các hạt muối.
47 này không thể kiểm soát được các khe hở giữa lỗ thông và hình dạng lỗ rỗng của giá thể
Bằng cách kết hợp quá trình rửa trôi muối với các kỹ thuật chế tạo giá thể khác, chúng ta có thể tạo ra các giá thể có cấu trúc và liên kết lỗ rỗng tốt hơn.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] B D Ulery, L S Nair, and C T Laurencin, "Biomedical Applications of
Biodegradable Polymers," J Polym Sci B Polym Phys, vol 49, no 12, pp 832-864, Jun 15 2011
[2] J Sanz-Herrera, J García-Aznar, and M Doblaré, "On scaffold designing for bone regeneration: a computational multiscale approach," Acta Biomaterialia, vol 5, no
[3] L Roseti et al., "Scaffolds for bone tissue engineering: state of the art and new perspectives," Materials Science and Engineering: C, vol 78, pp 1246-1262, 2017
[4] H Seyednejad et al., "In vivo biocompatibility and biodegradation of 3D-printed porous scaffolds based on a hydroxyl-functionalized poly(ε-caprolactone)," (in eng),
Biomaterials, vol 33, no 17, pp 4309-18, Jun 2012
[5] T.-S Jang, H.-D Jung, H M Pan, W T Han, S Chen, and J Song, "3D printing of hydrogel composite systems: Recent advances in technology for tissue engineering," (in eng), Int J Bioprint, vol 4, no 1, pp 126-126, 2018
[6] C Y Foong and N Sultana, "Fabrication of electrospun membranes based on poly
(caprolactone)(PCL) and PCL/chitosan layer by layer for tissue engineering,"
Journal of Applied Membrane Science & Technology, vol 17, no 1, 2015
[7] H Chi et al., "3D-HA Scaffold Functionalized by Extracellular Matrix of Stem Cells
Promotes Bone Repair," Int J Nanomedicine, vol 15, pp 5825-5838, 2020
[8] G Turnbull et al., "3D bioactive composite scaffolds for bone tissue engineering,"
(in eng), Bioact Mater, vol 3, no 3, pp 278-314, Sep 2018
[9] Z Dong, Y Li, and Q Zou, "Degradation and biocompatibility of porous nano- hydroxyapatite/polyurethane composite scaffold for bone tissue engineering,"
Applied Surface Science, vol 255, no 12, pp 6087-6091, 2009
[10] A W Lloyd, "Interfacial bioengineering to enhance surface biocompatibility," Med
Device Technol, vol 13, no 1, pp 18-21, Jan-Feb 2002
[11] S Bose, M Roy, and A Bandyopadhyay, "Recent advances in bone tissue engineering scaffolds," (in eng), Trends Biotechnol, vol 30, no 10, pp 546-54, Oct
[12] P M Mountziaris and A G Mikos, "Modulation of the inflammatory response for enhanced bone tissue regeneration," (in eng), Tissue Eng Part B Rev, vol 14, no 2, pp 179-86, Jun 2008
C Sandino and D Lacroix conducted a study on the dynamic effects of mechanical stimuli on tissue differentiation within a calcium phosphate (CaP) scaffold Utilizing micro-computed tomography (micro-CT) finite element models, their research, published in the journal Biomechanics Model Mechanobiology, provides insights into the interactions between mechanical forces and tissue development The findings, detailed in volume 10, issue 4, pages 565-576, contribute to the understanding of scaffold design for enhanced tissue engineering applications.
[14] A Boccaccio, A Ballini, C Pappalettere, D Tullo, S Cantore, and A Desiate,
"Finite element method (FEM), mechanobiology and biomimetic scaffolds in bone tissue engineering," (in eng), Int J Biol Sci, vol 7, no 1, pp 112-32, Jan 26 2011
[15] D J Kelly and P J Prendergast, "Prediction of the optimal mechanical properties for a scaffold used in osteochondral defect repair," (in eng), Tissue Eng, vol 12, no
[16] G Chen, C Dong, L Yang, and Y Lv, "3D Scaffolds with Different Stiffness but the Same Microstructure for Bone Tissue Engineering," (in eng), ACS Appl Mater
Interfaces, vol 7, no 29, pp 15790-802, Jul 29 2015
[17] R G Breuls, T U Jiya, and T H Smit, "Scaffold stiffness influences cell behavior: opportunities for skeletal tissue engineering," (in eng), Open Orthop J, vol 2, pp 103-9, May 29 2008
[18] U Meyer, T Meyer, J Handschel, and H.-P Wiesmann, "Fundamentals of Tissue
[19] B Nasiri and S Mashayekhan, "Fabrication of porous scaffolds with decellularized cartilage matrix for tissue engineering application," Biologicals, vol 48, pp 39-46,
[20] Y Yang, A C Ritchie, and N M Everitt, "Comparison of glutaraldehyde and procyanidin cross-linked scaffolds for soft tissue engineering," Materials Science and Engineering: C, vol 80, pp 263-273, 2017
[21] O Abdelaal, "Review of Rapid Prototyping Techniques for Tissue Engineering
[22] B Subia, J Kundu, and S C, "Biomaterial Scaffold Fabrication Techniques for
Potential Tissue Engineering Applications," in Tissue Engineering, 2010, ch
[23] V L Tsang and S N Bhatia, "Fabrication of three-dimensional tissues," (in eng), no 0724-6145 (Print)
[24] A Eltom, G Zhong, and A Muhammad, "Scaffold Techniques and Designs in
Tissue Engineering Functions and Purposes: A Review," Advances in Materials Science and Engineering, vol 2019, p 3429527, 2019/03/07 2019
[25] H E R W O Bergna, Colloidal silica : fundamentals and applications Boca
Raton, FL: CRC Taylor & Francis (in English), 2006
[26] J L Vivero-Escoto, B G Trewyn, and V S Y Lin, "MESOPOROUS SILICA
NANOPARTICLES: SYNTHESIS AND APPLICATIONS," in Annual Review of Nano Research, vol Volume 3, (Annual Review of Nano Research, no Volume 3):
[27] G Hui and Y Junling, "Nanoscale Silicon Dioxide Prepared by Sol-Gel Process,"
[28] P K Jal, S Patel, and B K Mishra, "Chemical modification of silica surface by immobilization of functional groups for extractive concentration of metal ions,"
[29] R Jugdaohsingh, K L Tucker, N Qiao, L A Cupples, D P Kiel, and J J Powell,
"Dietary silicon intake is positively associated with bone mineral density in men and premenopausal women of the Framingham Offspring cohort," (in eng), J Bone Miner Res, vol 19, no 2, pp 297-307, Feb 2004
[30] H M Macdonald, A C Hardcastle, R Jugdaohsingh, W D Fraser, D M Reid, and J J Powell, "Dietary silicon interacts with oestrogen to influence bone health: evidence from the Aberdeen Prospective Osteoporosis Screening Study," (in eng),
Bone, vol 50, no 3, pp 681-7, Mar 2012
[31] C Bessa Pereira et al., "Equisetum arvense hydromethanolic extracts in bone tissue regeneration: in vitro osteoblastic modulation and antibacterial activity," (in eng),
Cell Prolif, vol 45, no 4, pp 386-96, Aug 2012
[32] J Costa-Rodrigues, S C Carmo, J C Silva, and M H R Fernandes, "Inhibition of human in vitro osteoclastogenesis by Equisetum arvense," (in eng), Cell proliferation, vol 45, no 6, pp 566-576, 2012
[33] L F Rodella, V Bonazza, M Labanca, C Lonati, and R Rezzani, "A review of the effects of dietary silicon intake on bone homeostasis and regeneration," The journal of nutrition, health & aging, vol 18, no 9, pp 820-826, 2014/11/01 2014
[34] C T Price, K J Koval, and J R Langford, "Silicon: a review of its potential role in the prevention and treatment of postmenopausal osteoporosis," (in eng), Int J Endocrinol, vol 2013, pp 316783-316783, 2013
[35] M Coathup, S Samizadeh, Y Fang, T Buckland, K Hing, and G Blunn, "The
Osteoinductivity of Silicate-Substituted Calcium Phosphate," The Journal of bone and joint surgery American volume, vol 93, pp 2219-26, 12/07 2011
[36] W Waked and J Grauer, "Silicates and bone fusion," (in eng), Orthopedics, vol 31, no 6, pp 591-7, Jun 2008
[37] A Pietak, J Reid, M Stott, and M Sayer, "Silicon Substitution in the Calcium
Phosphate Bioceramics," Biomaterials, vol 28, pp 4023-32, 11/01 2007
[38] K Schwarz, "A bound form of silicon in glycosaminoglycans and polyuronides," (in eng), Proc Natl Acad Sci U S A, vol 70, no 5, pp 1608-12, May 1973
[39] E M Carlisle, "In vivo requirement for silicon in articular cartilage and connective tissue formation in the chick," (in eng), J Nutr, vol 106, no 4, pp 478-84, Apr 1976
[40] E M Carlisle, "Silicon: a requirement in bone formation independent of vitamin
D1," (in eng), Calcif Tissue Int, vol 33, no 1, pp 27-34, 1981
[41] R Jugdaohsingh, "Silicon and bone health," (in eng), J Nutr Health Aging, vol 11, no 2, pp 99-110, Mar-Apr 2007
[42] D M Reffitt et al., "Orthosilicic acid stimulates collagen type 1 synthesis and osteoblastic differentiation in human osteoblast-like cells in vitro," (in eng), Bone, vol 32, no 2, pp 127-35, Feb 2003
[43] F H Nielsen and H H Sandstead, "Are nickel, vanadium, silicon, fluorine, and tin essential for man? A review," (in eng), Am J Clin Nutr, vol 27, no 5, pp 515-20, May 1974
[44] K Cotí et al., "Mechanised Nanoparticles for Drug Delivery," Nanoscale, vol 1, pp
[45] Nguyễn Anh Trung, "Diatomite-nguồn khoáng sản đa dụng," STINFO, 2011, vol 3
[46] S Lapidot, S Meirovitch, S Sharon, A Heyman, D L Kaplan, and O Shoseyov,
"Clues for biomimetics from natural composite materials," (in eng), Nanomedicine
[47] V Vamadevan and E Bertoft, "Structure-function relationships of starch components," Starch - Stọrke, vol 67, no 1-2, pp 55-68, 2015
[48] J D Klucinec and D B Thompson, "Amylopectin nature and amylose‐to‐ amylopectin ratio as influences on the behavior of gels of dispersed starch," Cereal chemistry, vol 79, no 1, pp 24-35, 2002
[49] M Gupta, A S Bawa, and A D Semwal, "Morphological, thermal, pasting, and rheological properties of barley starch and their blends," International Journal of Food Properties, vol 12, no 3, pp 587-604, 2009
[50] J Koòmann et al., "Starch biosynthesis and modification of starch structure in transgenic plants," Macromolecular Symposia, vol 120, no 1, pp 29-38, 1997
[51] Hoàng Kim Anh, Ngô Kế Sương, and Nguyễn Xích Liên, Tinh bột sắn và các sản phẩm từ tinh bột sắn Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật, 2004
[52] Y Cornejo, O Martínez-Cruz, C Toro-Sánchez, F Wong-Corral, J Borboa-Flores, and F Cinco-Moroyoqui, "The structural characteristics of starches and their functional properties," CyTA - Journal of Food, vol 16, pp 1003-1017, 01/01 2018
[53] "American Association of Cereal Chemists (AACC) Annual Meeting 2001, 14–18
October 2001, Charlotte, North Carolina, USA," Chemistry International Newsmagazine for IUPAC, vol 23, no 5, pp 153-153, 2001
[54] Lê Ngọc Tú, Phạm Quốc Thắng, Lê Văn Chứ, and Đặng Thị Thu, Hóa sinh công nghiệp Hà Nội: Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật, 2002
[55] H W Leach, "Structure of the starch granule I Swelling and solubility patterns of various starches," Cereal Chemistry, vol 36, pp 534-544, 1959
[56] K A Ibrahim, M Y Naz, S A Sulaiman, A Ghaffar, Y Jamil, and N M Abdel-
Salam, "Effect of Urea and Borate Plasticizers on Rheological Response of Corn Starch," (in eng), Polymers (Basel), vol 9, no 9, Sep 6 2017
[57] Lê Ngọc Tú, Bùi Đức Hợi, Lưu Duần, and Ngô Hữu Hợp, Hóa học thực phẩm Hà
Nội: Nhà xuất bản Khoa học kĩ thuật, 2001
[58] B P Chan and K W Leong, "Scaffolding in tissue engineering: general approaches and tissue-specific considerations," (in eng), Eur Spine J, vol 17 Suppl 4, no Suppl
[59] D Feldman, "Poly(Vinyl Alcohol) Recent Contributions to Engineering and
Medicine," Journal of Composites Science, vol 4, no 4, 2020
[60] T S Gaaz, A B Sulong, M N Akhtar, A A Kadhum, A B Mohamad, and A A
Al-Amiery, "Properties and Applications of Polyvinyl Alcohol, Halloysite Nanotubes and Their Nanocomposites," Molecules, vol 20, no 12, pp 22833-47, Dec 19 2015
[61] M A Hussein, "Role of Cross-Linking Process on the Performance of PMMA,"
International Journal of Biosensors & Bioelectronics, vol 3, no 3, 2017
[62] M Gui-Jie, W Peng, M Xiang-Sheng, Z Xing, and Z Tong, "Crosslinking of corn starch with sodium trimetaphosphate in solid state by microwave irradiation,"
Journal of Applied Polymer Science, vol 102, no 6, pp 5854-5860, 2006/12/15
[63] J Zhou, J Zhang, Y Ma, and J Tong, "Surface photo-crosslinking of corn starch sheets," Carbohydrate Polymers, vol 74, pp 405-410, 11/01 2008
[64] R V Gadhave, P A Mahanwar, and P T Gadekar, "Effect of glutaraldehyde on thermal and mechanical properties of starch and polyvinyl alcohol blends," (in eng),
Designed monomers and polymers, vol 22, no 1, pp 164-170, 2019
[65] B Nasri-Nasrabadi, M Mehrasa, M Rafienia, S Bonakdar, T Behzad, and S
Gavanji, "Porous starch/cellulose nanofibers composite prepared by salt leaching technique for tissue engineering," Carbohydr Polym, vol 108, pp 232-8, Aug 8
[66] W C Hsieh and J J Liau, "Cell culture and characterization of cross-linked poly(vinyl alcohol)-g-starch 3D scaffold for tissue engineering," Carbohydr Polym, vol 98, no 1, pp 574-80, Oct 15 2013
[67] C Koski, B Onuike, A Bandyopadhyay, and S Bose, "Starch-Hydroxyapatite
Composite Bone Scaffold Fabrication Utilizing a Slurry Extrusion-Based Solid Freeform Fabricator," (in eng), Addit Manuf, vol 24, pp 47-59, 2018
[68] A Martins et al., "Hierarchical starch-based fibrous scaffold for bone tissue engineering applications," J Tissue Eng Regen Med, vol 3, no 1, pp 37-42, Jan
[69] V S Waghmare, P R Wadke, S Dyawanapelly, A Deshpande, R Jain, and P
Dandekar, "Starch based nanofibrous scaffolds for wound healing applications," (in eng), Bioactive materials, vol 3, no 3, pp 255-266, 2017
[70] F Mirab, M Eslamian, and R Bagheri, "Fabrication and characterization of a starch-based nanocomposite scaffold with highly porous and gradient structure for bone tissue engineering," Biomedical Physics & Engineering Express, vol 4, no 5, p 055021, 2018
[71] L Zhang et al., "Fabrication and characterization of 3D-printed gellan gum/starch composite scaffold for Schwann cells growth," Nanotechnology Reviews, vol 10, pp 50-61, 03/01 2021
[72] K S Trinh and T Dang, "Structural, Physicochemical, and Functional Properties of
Electrolyzed Cassava Starch," International Journal of Food Science, vol 2019, pp 1-7, 04/18 2019
[73] M R Mohd Roslan, N Mohd Nasir, C Meng, and N Mohd nor, "The
Characterization of nanoHA-Balik Wangi Rice Starch Tissue Engineering Scaffold," International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering, vol
A molecular dynamics simulation study by Fu et al investigates how the shape and mass fraction of nano-SiO2 influence the thermomechanical properties of nano-SiO2/DGEBA/MTHPA composites The findings reveal significant effects, highlighting the importance of optimizing nano-SiO2 characteristics for enhanced composite performance.
[75] L.-P Yan, J M Oliveira, A L Oliveira, S G Caridade, J F Mano, and R L Reis,
"Macro/microporous silk fibroin scaffolds with potential for articular cartilage and meniscus tissue engineering applications," Acta Biomaterialia, vol 8, no 1, pp 289-
[76] Y Chen, T Xi, Y Zheng, L Zhou, and Y Wan, "In Vitro Structural Changes of
Nano-Bacterial Cellulose Immersed in Phosphate Buffer Solution," Journal of Biomimetics, Biomaterials, and Tissue Engineering, vol 10, 05/01 2011
[77] E Rafiee, S Shahebrahimi, M Feyzi, and M Shaterzadeh, "Optimization of synthesis and characterization of nanosilica produced from rice husk (a common waste material)," International Nano Letters, vol 2, no 1, p 29, 2012/10/24 2012
[78] V H Le, C N H Thuc, and H H Thuc, "Synthesis of silica nanoparticles from
Vietnamese rice husk by sol–gel method," Nanoscale Research Letters, vol 8, no