Phương pháp này không trải qua quá trình nấu nóng chảy thủy tinh mà được thực hiện bằng một chuỗi các phản ứng hóa học trong dung dịch để thủy phân các tiền chất thành các hạt sol sau đó để ngưng tụ sang trạng thái gel. Gel được xử lý nhiệt để tạo thành thủy tinh ở dạng bột. Phương pháp solgel có ưu điểm là tổng hợp vật liệu ở nhiệt độ thấp, vật liệu có độ tinh khiết cao và dễ tạo mẫu theo các hình dáng khác nhau phù hợp với chi tiết ghép mà không cần sử dụng thêm chất bổ trợ.
CHẾ TẠO HẠT NANO GỐM THỦY TINH HOẠT TÍNH SINH HỌC BẰNG CÁCH KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL VÀ ĐỒNG KẾT TỦA TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu phương pháp sol-gel đồng kết tủa 1.1.1 Phương pháp sol-gel Phương pháp sol – gel kỹ thuật tổng hợp hóa keo để tạo vật liệu có hình dạng mong muốn nhiệt độ thấp Sol phân tán hạt rắn có kích thước khoảng 0.1 đến µm chất lỏng Gel trạng thái mà chất lỏng rắn phân tán vào nhau, mạng lưới chất rắn chứa thành phần chất lỏng Hình 1.1 Quá trình biến đổi sol gel Phương pháp không trải qua q trình nấu nóng chảy thủy tinh mà thực chuỗi phản ứng hóa học dung dịch để thủy phân tiền chất thành hạt sol sau để ngưng tụ sang trạng thái gel Gel xử lý nhiệt để tạo thành thủy tinh dạng bột Phương pháp sol-gel có ưu điểm tổng hợp vật liệu nhiệt độ thấp, vật liệu có độ tinh khiết cao dễ tạo mẫu theo hình dáng khác phù hợp với chi tiết ghép mà không cần sử dụng thêm chất bổ trợ Hình 1.2 Diễn biến trình sol gel 1.1.2 Phương pháp đồng kết tủa Phương pháp bảo đảm tính đồng hóa học hoạt tính cao bột ferrit tạo thành Các hạt bột sản phẩm chế tạo theo phương pháp đồng kết tủa thường có kết tụ, gây ảnh hưởng đến tính chất vật liệu sản xuất chúng Vì vậy, người ta thực khuếch tán chất tham gia phản ứng mức độ phân tử (precursor phân tử) “Precursor” phần tử ban đầu để tạo hạt keo (sol) Nó tạo thành từ thành tố kim loại hay kim Các precursor chất vơ kim loại hay hữu kim loại Hỗn hợp ban đầu gọi precursor có tỉ lệ ion kim loại theo hợp thức chất cần tổng hợp, chuẩn bị hỗn hợp dung dịch chứa muối tan thực phản ứng đồng kết tủa dạng hyđroxit, carbonat, oxalate… Cuối tiến hành phản ứng nhiệt phân chất rắn đồng thời kết tủa đó, ta thu sản phẩm 1.2 Mục đích Bộ ba hạt nano gốm thủy tinh hoạt tính sinh học SiO2-CaO-P2O5 chuẩn bị thông qua kết hợp trình sol-gel đồng kết tủa Tiền thân silicon calcium bị thủy phân dung dịch axit gel hóa điều kiện kiềm với diamoni photphat Các hạt gel tách cách ly tâm, sau q trình sấy nung để thu hạt nano gốm thủy tinh hoạt tính sinh học Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ tổng hợp đến tính chất hạt nano cho thấy nhiệt độ phản ứng đóng vai trị quan trọng kết tinh hạt nano Các hạt gốm thủy tinh tổng hợp 55 oC bao gồm khoảng 15% pha tinh thể, 25 40 oC thu tồn bột nano vơ định hình Thử nghiệm “in vitro” cho thấy hạt nano gốm thủy tinh hoạt tính sinh học tạo hình thành Hydroxylaptite (HAP) từ chất lỏng mơ thể cách nhanh chóng Do đó, hạt nano gốm thủy tinh hoạt tính sinh học với khả hoạt động sinh học cao vật liệu phụ triển vọng cho kỹ thuật mô xương GIỚI THIỆU Kể từ nghiên cứu Hench, vật liệu sửa chữa xương đầy triển vọng với hoạt tính sinh học cao tương thích sinh học, thủy tinh hoạt tính sinh học thu hút nhiều nghiên cứu mở rộng [1-4] Trong thập kỷ nhất, ngày có nhiều nhà hóa học nhà sinh học tham gia vào việc phát triển vật liệu thủy tinh hoạt tính sinh học khác [5,6] Người ta nhận thấy hoạt tính sinh học thủy tinh hoạt tính sinh học có nguồn gốc sol-gel tốt so với vật liệu có nguồn gốc nóng chảy [1,7,8] Các nghiên cứu khác liên quan đến thủy tinh hoạt tính sinh học có nguồn gốc sol-gel cơng bố gồm thủy tinh hoạt tính sinh học số lượng lớn [9-12], thủy tinh hoạt tính sinh học xốp [13-17], cầu nối thủy tinh hoạt tính sinh học[18] Trong đó, cầu nối ba chiều làm từ hạt BAG polymer phân hủy sinh học nhận ý cung cấp vật liệu thay tiềm cho kỹ thuật mô xương [19-23] Webster et al báo cáo vật liệu sinh học nano thể tính tương thích sinh học nâng cao [24,25] Ostomel et al cho biết giảm kích thước hạt thủy tinh hoạt tính sinh học đến kích thước nano kích thích hoạt tính sinh học chúng [26] Tuy nhiên, hầu hết vật liệu nano gốm/thủy tinh hoạt tính sinh học thường cụm hạt nano với cấu trúc nano hai chiều Nếu hạt gốm/thủy tinh hoạt tính sinh học tổng hợp đưa vào dãy polymer để sản xuất giá đỡ composite, khơng phục vụ để tăng cường ma trận polymer đến mức độ Để có hạt nano thủy tinh hoạt tính sinh học với khả phân tán cao, trình sol-gel tiến hành đồng thời quy trình sol gel truyền thống chia thành hai giai đoạn khác Tiền chất bị thủy phân thành sol điều kiện axit ngưng tụ thành hạt gel phân tán gần đơn lẻ dung dịch kiềm Sự làm khô lạnh sử dụng để ngăn chặn tổng hợp lần hạt gel thông qua liên kết phân tử H2O trình sấy Sau nung, thu hạt nano thủy tinh hoạt tính sinh học phân tán tốt mà khơng cần mài sàng Phương pháp phục vụ phương tiện để giảm chi phí sản xuất PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3.1 Chế tạo hạt nano thủy tinh hoạt tính sinh học (BGC) dựa SiO2-CaO-P2O5 3.1.1 Nguyên liệu Hóa chất: Calcium nitrate Ca(NO3)2, Tetraethyl orthosilicate TEOS ( hợp chất hóa học có cơng thức Si(OC2H5)4 TEOS chất lỏng không màu phân hủy nước), dd nước ethanol, nước khử ion NH4+ (NH4)2HPO4 , dung dịch mô dịch thể người SBF (Simulated Body Fluid) Các chất điều chỉnh pH: citric acid C6H8O7, nước amoniac 3.1.2 Quy trình thí nghiệm 2,36g Ca(NO3)2 5,47 ml TEOS Dung dịch đồng Thêm 1200 ml dung dịch NH4+ chứa 0,33g (NH4)2HPO4 từ ng nhiệt độ tương ứng 25 oC, 40 o C 55 oC Khuấy từ 6-12h Tách kết tủa cách ly tâm rửa lần nước ion Làm khô kết tủa vơi hóa 500oC, 700 oC, 900 oC 1100 oC Hạt BGC trắng Quy trình điều chế hạt nano BGC với (Si:Ca:P(mol)=66:27:7) 3.2 Hình thái cấu trúc BCG Dụng cụ quan sát: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) Kính hiển vi trang bị với lượng phân tán tia X (EDX) Các thiết bị dụng cụ phân tích tính chất BGC: ⚫ Các tính chất BGC kiểm tra nhiệt phân tích trọng lực (TGA) ⚫ Dụng cụ Quantrachome: Hấp phụ đường đẳng nhiệt nitơ đo Autosorb 1-C 77 K ⚫ Phương pháp Barrett Emmett Teller (BET) phương pháp phổ biến dùng để xác định bề mặt riêng đất sét dựa vào khả hấp phụ khí nitơ: tính tốn cụ thể diện tích bề mặt ( S ) ⚫ Máy quang phổ Bio-Rad Win-IR: phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) Điều kiện mẫu trước đem đo: mẫu thử nung 400 ° C chân không 335 Thử nghiệm hoạt tính sinh học “in vitro”: Ngâm 250 mg bột BGC 50 ml SBF (Na+ 142.0 mM, K+ 5.0 mM, Ca2+ 2.5 mM, Mg2+ 1.5 mM, Cl- 148.0 mM, HCO3- 4.2 mM, HPO42- 1.0 mM, SO42- 0,5 mM) lọ ly tâm giai đoạn ngâm, đặt quỹ đạo máy rung 175 vòng/phút 37 °C Để chấm dứt phản ứng sau thời gian ủ khác nhau, bột loại bỏ cách ly tâm, rửa nước khử ion đông khô tuần KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Chế tạo hạt nano BCG 4.1.1 Nhiệt phân tích trọng lực TGA phân tích nhiệt vi sai DTA Đường cong TGA BGC tổng hợp cho thấy q trình gia nhiệt gel khơ nung từ nhiệt độ phòng đến 750 °C Đường cong đặc biệt chia thành bốn giai đoạn thể hình 4.1 Khoảng 8% trọng lượng giảm giai đoạn A cho bay nước vật lý để hấp thụ hạt gel Khi trình nung tiến hành, xuất đỉnh nhỏ đường cong TGA 180 - 300 oC (giai đoạn B), cho biết hầu hấp thụ bột gel loại bỏ hoàn toàn Với nhiệt độ tăng 300 oC, trọng lượng mẫu BGC giảm khoảng 700 oC (giai đoạn C), sau có xu hướng ổn định (giai đoạn D) Trong giai đoạn C, tiền chất nước hóa học nhúng gel bị phân hủy giải phóng Đường cong DTA cho thấy đỉnh tỏa nhiệt nhỏ 800 oC 850 oC, nên quy cho kết tinh bột BGC Kết xác nhận liệu XRD Hình 4.1 Đường cong TGA DTA bột BGC 4.1.2 Phổ FT-IR điều chế BGC Phổ FT-IR hạt BGC điều chế nhiệt độ khác trình bày hình 4.2 Sự hấp thụ dải rộng mạnh 1100 cm-1 gán cho độ rung kéo dài Si-O-Si P-O Dải nhỏ xuất độ cao 810 cm-1 dải hấp thụ điển hình rung động kéo dài đối xứng Si-O, dải hấp thụ 470 cm-1 cho rung động uốn cong Si-O Một dải phân tán phát sinh từ rung động uốn cong liên kết P-O vơ định hình xuất vùng lân cận 570 cm-1 (Hình 4.2 (a)), sau chia thành hai dải nhỏ 603 cm-1 568 cm-1 với gia tăng nhiệt độ phản ứng (Hình 4.2 (c)) Những dải đôi phải quy cho rung động uốn cong P-O mạng tinh thể phosphate [27,28] Hình 4.2 Phổ FT-IR bột BGC điều chế nhiệt độ khác (a) 25 oC, (b) 40 o C (c) 55 oC tương ứng * Tất mẫu nung 700 oC 4.1.3 Phổ XRD điều chế BGC Hình 4.3 cho thấy mẫu XRD bột BGC điều chế 55 oC Một dải nhiễu xạ tinh thể sắc nét xuất lúc 2θ = 22o 2θ = 32o, độ kết tinh bột BGC 15% Điều cho thấy độ kết tinh bột BGC cải thiện nhiệt độ phản ứng tăng, phù hợp với kết phân tích FT-IR Tăng nhiệt độ phản ứng kích thích thủy phân ngưng tụ chất hữu tiền chất, có lợi cho sản xuất silicat gel silicon nguyên chất Hình 4.3 Mẫu XRD bột BGC điều chế nhiệt độ khác (a) 25 oC, (b) 40 o C (c) 55 oC tương ứng * Tất mẫu nung 700 oC 4.1.4 Ảnh FESEM BGC sau nung Để nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ nung lên hình thái tính chất hạt BGC, bột gel khô nung nhiệt độ khác nhau, từ 500 °C đến 1100 °C Tăng nhiệt độ nung từ 700 oC (hình 4.8 (A)) đến 900 °C (hình 4.4 (A)) khơng thay đổi hình thái hạt BGC đáng ý Tuy nhiên, nhiệt độ nung đạt 1100 °C (hình 4.4 (B)), hạt BGC tổng hợp Nó cho biết hạt BGC bị tan chảy kết khối thành khối kết hợp lớn 1100 °C [27] Hình 4.4 Ảnh vi mô FESEM hạt BGC nung (A) 900 oC (B) 1100 oC * Tất mẫu chuẩn bị 40 oC 4.1.5 Phổ FT-IR BGC sau nung Phổ FT-IR BGC nung nhiệt độ khác trình bày hình 4.5 Dải hấp thụ nước (1632 cm-1) suy yếu dần tăng nhiệt độ nung, biến 900 °C (hình 4.5 (d)) Khi nhiệt độ nung tăng tới 900 °C, dải rộng 570 cm-1 hình 4.5 (a), (b) (c) chia thành hai dải 603 cm-1 572 cm-1 hình 4.5 (d) làm sắc nét tăng cường với gia tăng nhiệt độ nung hình 4.5 (e) Tại khoảng 930-960 cm-1 gán cho oxy không liên kết với Si [28,29] Hình 4.5 (C) Đường cong FT-IR bột BGC chuẩn bị (a) nung (b) 500 oC, (c) 700 oC, (d) 900 oC (e) 1100 oC tương ứng * Tất mẫu chuẩn bị 40 oC 4.1.6 Phổ XRD BGC sau nung Các mẫu XRD cho thấy sau nung 900 °C giờ, số đỉnh nhiễu xạ tinh thể xuất 2θ = 22,8 °; 2θ = 25,7 ° 2θ = 31,8 ° (hình 4.6 (d)), gán cho tinh thể phosphate hạt gốm Khi nhiệt độ nung tăng thêm tới 1100 °C, đỉnh xuất xung quanh 2θ = 24 ° 2θ = 30,7 ° (hình 4.6 (e)), quy cho kết tinh silicat Độ kết tinh hạt BGC tăng từ 37% đến 60% với nhiệt độ nung tăng dần từ 900 °C đến 1100 °C Phép đo diện tích bề mặt cụ thể thực đường đẳng nhiệt hấp phụ nitơ cho BGC tổng hợp 40 °C nung 700 °C (Đường cong BET không hiển thị đây) Các diện tích bề mặt cụ thể khoảng 120 m2/g So với bột thủy tinh hoạt tính sinh học có nguồn gốc tan chảy, diện tích bề mặt cụ thể có tăng đáng kể [8] Một số báo cáo cho việc giảm kích thước hạt thủy tinh hoạt tính sinh học tăng diện tích bề mặt hạt thủy tinh hoạt tính sinh học khơng đẩy nhanh q trình khống hóa hydroxyapatite cịn kích thích khả tương thích tế bào [24-26,30] Do đó, tăng cường hoạt động sinh học tương thích sinh học mong đợi hạt nano BGC sản xuất trình Hình 4.6 Các mẫu XRD bột BGC điều chế (a) nung (b) 500 oC, c) 700 oC, (d) 900 oC (e) 1100 oC tương ứng * Tất mẫu chuẩn bị 40 oC 4.2 Thử nghiệm hoạt tính sinh học “in vitro” hạt BGC Cùng cơng thức hóa học, kết tinh thủy tinh hoạt tính sinh học làm giảm hoạt tính sinh học [31,32] Dựa ngun tắc này, bột BGC tổng hợp 40 o C nung 700 oC 3h chọn để trải qua trình đánh giá hoạt động sinh học “in vitro” 4.2.1 Trước sau ngâm SBF Trước ngâm SBF, hạt nano BGC đồng phân tán dung dịch ethanol (hình 4.7 (A)) Tuy nhiên, sau ủ SBF 14 ngày, bề mặt hạt BGC trở nên thô sần sùi Nhiều chỗ lên phát triển bề mặt cụm BGC (hình 4.7 (B)) Đường cong EDX tăng hàm lượng P Ca làm giảm nguyên tố Si bề mặt hạt BGC sau ngâm SBF Hình 4.7 Kính hiển vi điện tử quét ESEM đường cong EDX bột BGC trước (A) sau (B) ngâm SBF 14 ngày (B) Thanh 200 nm 4.2.2 FT-IR BCG trước sau ngâm SBF Hình 4.8 minh họa quang phổ FT-IR bột BGC sau ngâm SBF thời gian khác Sau ngày tiếp xúc với SBF, đỉnh dao động nhỏ uốn cong cực đại PO (570 cm-1) carbonate (1410-1460 cm-1) vơ định hình tăng cường tương ứng Điều chứng minh calcium phosphate vơ định hình hình thành tác dụng trao đổi ion hình thành lớp Si Sau ngày phản ứng, dải phân tán sóng 570 cm-1 chia thành hai đỉnh Phổ bột BGC ngâm SBF ngày giống với phổ điển hình Carbonated Hydroxyapatite Nó xác nhận việc hình thành tinh thể Carbonated Photphate bề mặt hạt BGC Hình 4.8 Phổ FT-IR bột hydroxyapatite BGC trước sau tiếp xúc SBF Phổ FT-IR HAP trình bày để so sánh Từ kết phân tích XRD cho thấy hình thành hydroxyapatite (HAP) (hình 4.9) Sau ngâm SBF, đỉnh HAP xác định rõ nhìn thấy 2θ = 32° 2θ = 25,9° đỉnh tăng cường với kéo dài thời gian bảo quản Hình 4.9 Các mẫu XRD bột BGC ngâm SBF cho khoảng thời gian khác (ngày) Các đỉnh 2θ = 44,5o phát sinh từ giá đỡ nhôm KẾT LUẬN Bộ ba hạt nano BGC SiO2 -CaO-P2O5 với đường kính 30-100 nm thu thơng qua kết hợp phương pháp sol gel đồng kết tủa Tiền chất bị thủy phân môi trường axit sau ngưng tụ kết tủa dung dịch kiềm Nhiệt độ tổng hợp nung có ảnh hưởng đáng kể kết tinh hạt BGC Các tinh thể bột BGC cải thiện rõ ràng với gia tăng nhiệt độ tổng hợp Sự kết tụ hạt nano q trình sấy khơ giảm q trình đơng khơ hạt gel nhỏ Các đường đẳng nhiệt hấp phụ nitơ cho biết dung mơi BGC có nguồn gốc từ gel nano có diện tích bề mặt riêng cao Thử nghiệm “in vitro” khẳng định hoạt tính sinh học vật liệu qua việc hình thành lớp khống xương bề mặt vật liệu cũ, lớp khoáng xương cầu nối ghép vật liệu nhân tạo xương tự nhiên Kết cho thấy hạt nano BGC tạo vật liệu tiềm để điều chế nanocomposites cầu nối để tái tạo mô xương TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M.M Pereira, L.L Hench, J Sol–Gel Sci Technol (1996) 59 [2] S Shinzato, M Kobayashi, W.F Mousa, M Kamimura, M Neo, Y Kitamura, T Kokubo, T Nakamura, J Biomed Mater Res 51A (2000) 258 [3] C Pritsos, E Kontonasaki, X Chatzistavrou, L Papadopoulou, F Pappas, P Koidis, K.M Paraskevopoulos, J Eur, Ceram Soc 25 (2005) 891 [4] D.C Clupper, L.L Hench, J.J Mecholsky, J Eur Ceram Soc 24 (2004) 2929 [5] M.R Filgueiras, G.P LaTorre, L.L Hench, J Biomed Mater Res 27 (1993) 445 [6] T Peltola, M Jokinen, H Rahiala, E Levanen, J.B Rosenholm, I Kangasniemi, A.Yli-Urpo, J Biomed Mater Res 44 (1999) 12 [7] R Li, A.E Clark, L.L Hench, J Appl Biomater (1991) 231 [8] P Sepulveda, J.R Jones, L.L Hench, J Biomed Mater Res 58B (2001) 734 [9] N Olmo, A.I Martín, A.J Salinas, J Turnay, M Vallet-Regí, M.A Lizarbe, Biomaterials 24 (2003) 3383 [10] W Zhao, J Chang, Mater Lett 58 (2004) 2350 [11] A Balamurugan, G Sockalingum, J Michel, J Fauré, V Banchet, L Wortham, S.Bouthors, D Laurent-Maquin, G Balossier, Mater Lett 60 (2006) 3752 [12] Z Gou, J Chang, W Zhai, J Eur Ceram Soc 25 (2005) 1507–1514 [13] N Li, Q Jie, S Zhu, R Wang, Mater Lett 58 (2004) 2747 [14] J.R Jones, L.M Ehrenfried, L.L Hench, Biomaterials 27 (2006) 964 [15] Y Zhang, J Kim, D Wu, Y Sun, D Zhao, S Peng, J Non-Cryst Solids 351 (2005) 777 [16] X Yan, H Deng, X Huang, G Lu, S.Z Qiao, D Zhao, C Yu, J Non-Cryst Solids 351 (2005) 3209 [17] W Xia, J Chang, J Non-Cryst Solids 354 (2008) 1338 [18] W Liang, M.N Rahaman, D.E Day, N.W Marion, G.C Riley, J.J Mao, J NonCryst Solids 354 (2008) 1690 [19] J.J Blaker, J.E Gough, V Maquet, I Notingher, A.R Boccaccini, J Biomed Mater Res 67A (2003) 1401 [20] K Zhang, Y Wang, M.A Hillmyer, L.F Francis, Biomaterials 25 (2004) 2489 [21] T.J Brunner, R.W Grass, W.J Stark, Chem Commun (2006) 1384 [22] R Yokoyama, S Suzuki, K Shirai, T Yamauchi, N Tsubokawa, M Tsuchimochi, Eur Polym J 42 (2006) 3221 [23] W Cheng, Z Wang, C Ren, H Chen, T Tang, Mater Lett 61 (2007) 3193 [24] T.J Webster, R.W Siegel, R Bizios, Biomaterials 20 (1999) 1221 [25] T.J Webster, C Ergun, R.H Doremus, R.W Siegel, R Bizios, J Biomed Mater Res 51 (2000) 475 [26] T.A Ostomel, Q Shi, C.K Tsung, H Liang, G.D Stucky, Small (2006) 1261 [27] X Chatzistavrou, T Zorba, E Kontonasaki, K Chrissafifis, P Koidis, K.M Paraskevopoulos, Phys Status Solidi A 201 (2004) 944 [28] L Lefebvre, J Chevalier, L Gremillard, R Zenati, G Thollet, D BernacheAssolant, A Govin, Acta Mater 55 (2007) 3305 [29] A.R Boccaccini, Q Chen, L Lefebvre, L Gremillard, J Chevalier, Faraday Discuss 136 (2007) 27 [30] M Vallet-Regi, C.V Ragel, A.J Salinas, Eur J Inorg Chem (2003) 1029 [31] O Peitl, G.P LaTorre, L.L Hench, J Biomed Mater Res 30 (1996) 509 [32] P Li, F Zhang, T Kokubo, J Mater Sci.: Mater Med (1992) 452