Để khắc phục nhược điểm này, chúng tôi thực hiện nghiên cứu về khả năng sử dụng hệ khoáng Calcium Silicate Wollastonite, Xonotlite, là những tinh thể hình kim, có khả năng gia tăng cường
Mục tiêu của đề tài
Để xuất quy trình công nghệ sản xuất hệ vật liệu kết hợp HAWollastonite ở quy mô phòng thí nghiệm: từ việc tận dụng nguồn nguyên liệu tro trấu để tổng hợp khoáng Xonolite bằng phương pháp thủy nhiệt, sau đó tạo Wollastonite; đồng thời tổng hợp HA bằng hóa chất trên thị trường bằng phương pháp thủy nhiệt Đánh giá khả năng gây độc tế bào của hệ vật liệu kết hợp HA/Xonotlite cũng như khảo sát một số tính chất cơ lý của hệ.
Nội dung nghiên cứu
- Tổng hợp khoáng Xonotlite, từ nguyên liệu tro trấu và Ca(OH)2 bằng phương pháp thủy nhiệt tạo khoáng Xonotlite; sau đó nung tạo Wollastonite
- Tổng hợp HA từ Ca(OH)2 và H3PO4 bằng phương pháp thủy nhiệt, - Tạo hệ vật liệu kết hợp composite HA/Xonotlite theo nhiều tỷ lệ để khảo sát khả năng ảnh hưởng của nó đến tính chất của sản phẩm,
- Khảo sát khả năng gây độc lên tế bào của hệ vật liệu kết hợp HA/Xonotlite.
Tính hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Tình hình nghiên cứu HA và Calcium Silicate ngoài nước
1.1 Tổng quan về Hydroxyapatite (HA) và vật liệu y sinh (sinh học) 1.1.1 Thành phần và cấu tạo
Hydroxyapatite (HA) có dạng hệ tinh thể lục giác, đơn vị cấu trúc cơ bản là Ca5(PO4)3(OH) nhưng trên thực tế gồm 2 phân tử và có công thức hóa học tỷ lượng là Ca10(PO4)6(OH)2 Tuy nhiên, HA có thể tồn tại dưới dạng các công thức hóa học không tỷ lượng Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2 (0≤x≤2) Trong xương, HA cũng thường tồn tại dưới dạng không tỷ lượng hơn là dạng tỷ lượng [6]
HA tinh khiết có thành phần khối lượng lý thuyết là 39.68% Ca; 18.45% P;
Ca/P về khối lượng là 2.151; tỷ lệ mol của Ca/P là 1.667 Dựa vào tỉ lệ Ca/P, có thể đánh giá được độ tinh khiết của HA Nếu tỉ lệ Ca/P thấp hơn 1.667 thì trong HA có thể có β-TCP, TTCP hoặc các pha khác của calcium phosphate Nếu tỉ lệ Ca/P cao hơn 1.667 thì trong HA có thể có sự hiện diện của CaO Ngoài ra còn có một số nguyên tố khác với hàm lượng nhỏ do tiền chất phản ứng mang vào [6]
Hình 1.1 Mô phỏng cấu trúc tinh thể Hydroxyapatite Ca 5 (OH)(PO 4 ) 3 (University of Liverpool - http://www.chemtube3d.com/solidstate/SShydroxyapatite.htm)
Hydroxyapatite (HA), Ca10(PO4)6(OH)2, dạng bột có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp HA có nhiệt độ nóng chảy 1760 o C và nhiệt độ sôi 2850 o C, độ tan trong nước 0.7g/l, khối lượng mol phân tử 1004.60g, khối lượng riêng là 3.156g/cm 3 , độ cứng
TỔNG QUAN
Tổng quan về Hydroxyapatite (HA)
Hydroxyapatite (HA) có dạng hệ tinh thể lục giác, đơn vị cấu trúc cơ bản là Ca5(PO4)3(OH) nhưng trên thực tế gồm 2 phân tử và có công thức hóa học tỷ lượng là Ca10(PO4)6(OH)2 Tuy nhiên, HA có thể tồn tại dưới dạng các công thức hóa học không tỷ lượng Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2 (0≤x≤2) Trong xương, HA cũng thường tồn tại dưới dạng không tỷ lượng hơn là dạng tỷ lượng [6]
HA tinh khiết có thành phần khối lượng lý thuyết là 39.68% Ca; 18.45% P;
Ca/P về khối lượng là 2.151; tỷ lệ mol của Ca/P là 1.667 Dựa vào tỉ lệ Ca/P, có thể đánh giá được độ tinh khiết của HA Nếu tỉ lệ Ca/P thấp hơn 1.667 thì trong HA có thể có β-TCP, TTCP hoặc các pha khác của calcium phosphate Nếu tỉ lệ Ca/P cao hơn 1.667 thì trong HA có thể có sự hiện diện của CaO Ngoài ra còn có một số nguyên tố khác với hàm lượng nhỏ do tiền chất phản ứng mang vào [6]
Hình 1.1 Mô phỏng cấu trúc tinh thể Hydroxyapatite Ca 5 (OH)(PO 4 ) 3 (University of Liverpool - http://www.chemtube3d.com/solidstate/SShydroxyapatite.htm)
Hydroxyapatite (HA), Ca10(PO4)6(OH)2, dạng bột có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp HA có nhiệt độ nóng chảy 1760 o C và nhiệt độ sôi 2850 o C, độ tan trong nước 0.7g/l, khối lượng mol phân tử 1004.60g, khối lượng riêng là 3.156g/cm 3 , độ cứng theo thang Mohs bằng 5 Các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo, tùy thuộc vào điều kiện hình thành mà có thể tồn tại ở các dạng hình que, hình kim, hình vảy,…
Hydroxyapatite (HA) là một loại vật liệu dựa trên calcium phosphate với mối quan tâm lớn cho các ứng dụng y sinh học Calcium phosphate có tính tương hợp sinh học, hoạt tính sinh học cao và khả năng chữa lành xương Mặt khác Calcium phosphate bên trong cơ thể từ từ hòa tan để giải phóng ion Calcium phosphate có lợi trong việc hình thành xương Sản phẩm của quá trình phân hủy calcium phosphate hình thành cacbonate apatite có thành phần và cấu trúc hóa học giống với pha khoáng trong xương hơn và có hoạt tính sinh học Ngoài ra, nano calcium phosphate có hoạt tính sinh học cao hơn, được dùng trong cấy ghép mô với tính tương hợp sinh học được cải thiện đáng kể [2]
Do lượng calcium hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên rất cần bổ sung calcium cho cơ thể, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi Calcium có trong thức ăn hoặc thuốc thường nằm ở dạng hợp chất hoà tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hoá calcium thành HA Một phương pháp hữu hiệu là sử dụng HA ở dạng bột mịn, kích thước nano để bổ sung calcium [2]
Hình 1.2 Minh họa một loại thuốc bổ sung calcium từ microcrystalline hydroxyapatite trên thị trường
Vật liệu gốm xốp HA có tính tương thích sinh học cao, có nhiều lỗ liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu, có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng Nhờ có khả năng đặc biệt này mà ngày nay, HA dạng gốm xốp được ứng dụng đặc biệt rộng rãi trong y sinh học [14]
Sửa chữa những khuyết tật của răng: các nhà khoa học Nhật Bản đã thành công trong viêc tạo ra một hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thước nano và polymer sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy, nghĩa là tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng cứng chắc, “bắt chước” theo đúng tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên ở dưới [15]
Tuỳ thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra các sản phẩm gốm HA có kích thước và độ xốp khác nhau Sau đó, gia công các sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HA ở dạng hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xương [16]
Bản chất của gốm xốp và màng HA là có độ bền cơ học thấp Một giải pháp để tăng độ bền cơ học là tạo ra một tổ hợp gốm composite bằng cách phân tán HA bột vào các polyme sinh học như collagen, christosan, xenlulozo, đường sacarozo,
Vật liệu ở dạng này được sử dụng làm các chi tiết cấy ghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc có thể làm chất truyền dẫn thuốc Việc sử dụng các polyme sinh học làm chất nền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo các chi tiết dễ dàng hơn Mặt khác, các polyme này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình Đây cũng là ưu điểm vượt trội của vật liệu composite chứa HA [16]
*Vật liệu y sinh (vật liệu sinh học) là bất kỳ chất hoặc hợp chất nào (không phải là thuốc) có nguồn gốc tổng hợp hoặc tự nhiên, được dùng để điều trị, tăng cường hoặc thay thế mô, cơ quan hoặc chức năng của cơ thể [36]
Các vật liệu sinh học phải có các đặc tính đặc biệt như: tính tương hợp sinh học, không sinh khối u, kháng xói mòn, có độc tính thấp Tuy nhiên, tùy thuộc vào ứng dụng, các vật liệu cần đạt các yêu cầu khác nhau Nói chung, các yêu cầu của vật liệu sinh học có thể được phân thành 4 nhóm:
1) Tính tương hợp sinh học: vật liệu phải không được gây ra phản ứng không tốt cho vật chủ nhưng lại có thể kích thích sự hòa hợp mô - vật ghép tốt
2) Có thể khử trùng: vật liệu có thể chịu được sự khử trùng Các kỹ thuật khử trùng gồm: tia gamma, khí hay hấp hơi nước…
3) Có tính chức năng: Tính có chức năng của một bộ phận giả tùy thuộc vào khả năng tạo được hình dáng phù hợp với một chức năng đặc biệt Do đó,vật liệu phải được tạo hình dáng bằng các quy trình chế tạo công nghệ
4) Có thể chế tạo: Nhiều vật liệu có tính tương hợp sinh học nhưng trong khâu cuối cùng (khâu chế tạo thành công cụ) không thực hiện được
*Giá thể y sinh (scaffold) thường được gọi là vật liệu tạo khung, là bộ khung có hình dạng, kích thước giống với bộ phận thay thế để tạo điều kiện cho mô, xương hay tế bào tiếp tục phát triển hoặc dùng để nuôi cấy tế bào ứng dụng trong lĩnh vực kỹ nghệ mô [36] Đặc tính lý tưởng của scaffold là:
- Có cấu trúc lỗ xốp bên trong: tăng trưởng mô, phân bố mạch, cung cấp dưỡng chất
- Được chế tạo từ vật liệu có khả năng phân hủy sinh học hoặc khả năng hấp thu sinh học được kiểm soát để mô sẽ thay thế scaffold
- Có hóa học bề mặt thích hợp để giúp các tế bào bám, biệt hóa và tăng sinh
- Có các đặc tính cơ học thích hợp để tương xứng với vùng ghép
- Không kích thích bất kỳ phản ứng có hại nào
- Dễ tạo theo hình dáng và kích thước mong muốn
Tổng quan về khoáng Wollastonite, Xonotlite
Wollastonite là khoáng Calcium Silicate hình que (hình kim), công thức hóa học là CaSiO3, trọng lượng phân tử 116.2, cấu trúc tinh thể tồn tại 2 loại là: triclinic và monoclinic Thành phần lý thuyết là 48.3% CaO và 51.7% SiO2 (tỉ lệ CaO:SiO2
=1:1), mặc dù vậy một số sản phẩm thương mại thường có chứa một lượng nhỏ các ôxít khác bao gồm nhôm, sắt, titan, mangan, magiê, natri, kali,…
Wollastonite thường có màu trắng, nhưng cũng có thể có màu xám, nâu hoặc đỏ tùy thuộc vào thành phần Hệ số dãn nở nhiệt: 6.5x10 -6 mm/mm/ o C, độ cứng theo thang Mohs là khoảng 4.5~5; mật độ 2.86~3.09 g/cm 3 ; nhiệt độ nóng chảy khoảng 1540 o C,…Wollastonite trong tự nhiên được khai thác ở một số nước trên thế giới như Trung Quốc, Ấn Độ, Hoa Kỳ, Mexico và Phần Lan,
Wollastonite có những đặc tính tốt như: độ co ngót thấp, lượng mất khi nung thấp, độ bền cao, thành phần dễ bay hơi ít, thẩm thấu thấp, độ trắng, hệ số dãn nở nhiệt thấp… [10]
Wollastonite có nhiều ứng dụng “truyền thống” ở nhiều lĩnh vực bao gồm nhiều sản phẩm nhựa, cao su, gốm, luyện kim, sơn, bê-tông, vật liệu xây dựng và các sản phẩm làm vật liệu ma sát, mài mòn,… Đặc biệt trong lĩnh vực gốm sứ, Wollastonite là nguồn cung cấp Calcium Oxide và Silicate Oxide cho men, frit hay engobe giữa men và xương Wollastonite là chất giúp ổn định men, tăng bề dày engobe, chống nứt hay bong men… Thời gian gần đây, Wollastonite còn được dùng nhiều thay thế đá vôi trong sản xuất men nhằm hạn chế khuyết tật chân kim trên men,…
Wollastonite còn được sử dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng: như là chất trợ dung cho xi măng đóng rắn nhanh, cốt liệu cho vữa cường độ cao, chất độn cho các thành phần chống cháy, chất cách nhiệt, vật liệu chịu lửa, sơn silicate… [10]
Bảng 1.1 Ứng dụng của Wollastonite trong nhiều lĩnh vực
Nhựa và cao su Tăng cường các đặc tính vật lý (cường độ, độ cứng và độ ổn định chiều,…)
Cải thiện độ bền, độ cứng và cải thiện tính cách điện
Gốm sứ, thủy tinh, men
Cung cấp màu trắng bền và cải thiện bề mặt trên các chất phụ gia khác Góp phần làm giảm nhiệt độ nung
Giảm sự co rút xương trong quá trình nung và cải thiện bề mặt nhẵn bong Tăng cường cơ tính và giúp cải thiện những đặc tính vật lý khác
Luyện kim Sử dụng như một chất chảy giúp làm giảm nhiệt độ quá trình
Màu trắng sáng màu bền và cải thiện các lựa chọn màu sắc
Tinh thể hình kim đóng vai như tác nhân làm phẳng
Tính chất hóa học ổn định giúp bảo vệ chất nền, cải thiện sự phân tán màu và giảm nhu cầu chất kết dính
Thay thế cho Amiang Có thể thay thế trực tiếp Amiang (một chất gây ung thư cho con người) trong các ứng dụng làm vật liệu hàn, trám kín, trát hay lợp
Các sản phẩm ma sát và mài mòn
Thay thế Amiang hay các loại sợi tự nhiên và nhân tạoBản chất trơ và tính chất lý hóa ổn định giúp nâng cao khả năng chịu mài mòn của gốm sứ
Ngoài những ứng dụng “truyền thống” như trên, còn có rất nhiều ứng dụng của Wollastonite trong những lĩnh vực khác như:
- Trong chăm sóc sức khoẻ, Wollastonite đã được sử dụng như là một thành phần hoạt tính sinh học trong các ứng dụng như bone cerment/cấy ghép, gốm thay khớp và tái tạo nha khoa;
- Trong nông nghiệp, Wollastonite đã được sử dụng làm nguồn silic để ngăn chặn bệnh lúa; tăng độ bền sinh học của một số loại gỗ;
- Trong quản lý chất thải, Wollastonite đã được sử dụng để loại bỏ phospho hòa tan trong nước thải thứ sinh Ngoài ra, một ứng dụng gần đây là việc sử dụng nó trong các hệ thống kiểm soát ô nhiễm nước, trong đó Wollastonite hấp thụ các kim loại nặng từ các dung dịch nước bị ô nhiễm (Theo Hellingwerf (2011): “cơ chế tiềm ẩn có lẽ là độ kiềm cao của Wollastonite khi tiếp xúc với nước làm cho các kim loại nặng kết tủa như các Hydroxit kim loại lên bề mặt bột Wollastonite”).
Có thể thấy Wollastonite có nhiều ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên nguồn nguyên liệu Wollastonite trong tự nhiên ngày càng khai thác sẽ dẫn tới nhu cầu tổng hợp Wollastonite nhân tạo để thỏa mãn nhu cầu sử dụng ngày càng sâu rộng trong công nghiệp cũng như đời sống xã hội
Hiện nay, có khá nhiều phương pháp được sử dụng để tổng hợp Wollastonite từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, tiêu biểu là một số phương pháp bên dưới:
- Phương pháp kết tủa: sử dụng NaOH và NH4OH vào dung dịch ethanol của Ca(NO3)2.4H2O và Si(OC2H5)4;
- Phương pháp pha rắn: sử dụng Diatomite, SiO2 từ tro bay,… nung với CaO ở nhiệt độ cao khoảng 1000 o C trở lên;
- Phương pháp thủy nhiệt: sử dụng SiO2 (thương mại hoặc từ tro trấu) kết hợp với Ca(OH)2 tạo khoáng Xonotlite (hoặc Tobermorite) ở nhiệt độ thấp khoảng 200~250 o C trong lò hấp Autoclave, sau đó đem nung ở nhiệt độ khoảng 1000 o C để tạo Wollastonite
- … Tùy nguồn cung cấp SiO2 và CaO mà sẽ có những phương pháp tổng hợp phù hợp để tạo Wollastonite đáp ứng yêu cầu sử dụng
Xonotlite là khoáng Calcium Silicate Hydrate Ca 6 Si6O17(OH) 2 (hay viết tắt theo công thức oxit là C6S6H) có tinh thể dạng hình kim, hình sợi dài, đan xen vào nhau, màu xám, trắng, hồng hay không màu tùy thành phần hóa học Thành phần chính của Xonotlite là SiO2 50.42% và CaO 47.06% (tỉ lệ SiO2:CaO=1:1) ngoài ra trong thành phần còn có thể chứa một số oxit kim loại như sắt, mangan hay natri,…
Xonotlite có cấu trúc tinh thể đơn tà (monoclinic), độ cứng theo thang Mohs là 6.5 (cao hơn so với Wollastonite), mật độ khối là 2.7 g/cm 3 Xonotlite lần đầu tiên được phát hiện bởi Rammelsberg năm 1866 tại Mexico và được đặt tên theo địa danh Tetela de Xonotla
Hình 1.3 Ảnh khoáng Xonotlite trong tự nhiên (Dokata Matrix Mineral)
Cơ sở khoa học của đề tài
Do có cùng bản chất và thành phần hoá học, HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng Ở dạng màng và dạng xốp, HA có thành phần hoá học và các đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập Chính vì vậy mà vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải Ngoài ra, HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao [9]
Tuy nhiên, hạn chế chủ yếu của việc sử dụng HA như là vật liệu y sinh chịu lực đó là đặc tính cơ học của chúng Cho đến nay, để cải thiện tính chất cơ học của các vật liệu HA vẫn là một thách thức lớn Việc áp dụng Al2O3, ZrO2, TiO2, kim loại và ống nano cacbon là những phương pháp phổ biến nhất để giải quyết vấn đề này
Tuy nhiên, hầu hết các thành phần gia cường này vẫn chưa cải thiện được cơ tính của HA như mong muốn
Cho đến bây giờ, cơ tính của HA tổng hợp được từ nhiều phương pháp khác nhau vẫn còn thấp hơn so với xương tự nhiên (tùy vị trí cấy ghép) Miao et al (2007) đã chế tạo các vật liệu có kích thước lớn (300-500 mm), và cường độ nén từ 5.3-36.8 MPa và mô đun đàn hồi là 0.30-2.25 GPa bằng cách phủ lên bề mặt giá thể HA xốp bằng nhựa ZrO2 Các tính chất cơ học và cấu trúc tương tự như của xương đốm Tuy nhiên, xét đến việc ứng dụng các vật liệu cấy vào nơi chịu tải, sức bền cơ học của gốm HA vẫn còn thấp
Wollastonite là khoáng hình thành trong tự nhiên, thành phần chính là các nguyên tố Ca, Si, O với công thức hóa học là CaSiO3 (CaO:SiO2=1) Wollastonite có cấu trúc là những tinh thể hình kim đan xen nhau giúp làm tăng độ bền cơ của khoáng
Ngoài ra, Wollastonite tự nhiên cũng là khoáng có tính tương thích sinh học tốt và đã từng được nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu y sinh
Năm 2007, In-Kook Jun, Ju-Ha Song [37] cùng các cộng sự thuộc ĐH Quốc Gia Seoul Hàn Quốc đã thực hiện nghiên cứu cải thiện cơ tính cho giá thể Hydroxyapatite (HA) siêu xốp bằng gốm thủy tinh sinh học Apatite/Wollastonite (A/W) Mục tiêu của nghiên cứu này là chế tạo giá thể Hydroxyapatit (HA) sau đó tráng bằng gốm thủy tinh A/W sinh học và kiểm tra tính chất cơ học cũng như sinh học của chúng: Giá thể HA đã được tạo bằng phương pháp tạo khung polymer siêu xốp (polymeric sponge replication method), và sau đó gốm thủy tinh A/W được tráng lên bề mặt của những thanh chống Kết quả cho thấy rằng lớp men thủy tinh sinh học rõ ràng làm tăng cơ tính của giá thể HA Sự gia tăng này có thể là do sự hình thành của một lớp phủ dày đặc và cứng trên thanh HA cường độ yếu Hoạt tính sinh học của giá thể cũng được cải thiện đáng kể bởi các lớp phủ này: khi các giá thể đã được tráng được ngâm trong chất lỏng mô phỏng huyết tương (SBF) và cho nuối cấy dòng tế bào MC3T3 Các tế bào trên giá thể HA tráng bằng thủy tinh cho thấy: khả năng dính chặt, lan rộng, và phát triển tốt trên các giá thể; tỷ lệ tăng sinh nhanh hơn so với trên giá thể HA tinh khiết Những kết quả này cho thấy lớp men gốm thủy tinh sinh học có hiệu quả trong việc cải thiện cơ tính và hoạt tính sinh học của các giá thể HA và cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng của Wollastonite trong việc gia cường các giá thể HA
Một nghiên cứu khác từ Mart’ın A Encinas-Romero và các cộng sự năm 2010 đã thực hiện tổng hợp composite HA/Wollastonite tự nhiên sau đó nung kết khối ở 1200 o C và tạo nên composite HA/W sau đó kiểm tra cơ tính và hoạt tính sinh học của hệ: HA tổng hợp từ phương pháp sol-gel từ Calcium Acetate Hydrate (tỷ lệ Ca/P là 1.67) và trộn với Wollastonite theo tỷ lệ khối lượng HA/W tương ứng là 100, 80, 50, 20 và 0% (HA) Viên composite được đem nung kết khối ở 1200 o C trong 5h Kết quả đo cơ tính của hệ mẫu cho thấy: Độ cứng và mô đun đàn hồi của hệ có xu hướng tăng khi tăng hàm lượng của Wollastonite: mẫu 20H-80W (20%HA+80W) cho kết quả cao nhất với độ cứng tăng 200% và mô đun đàn hồi tăng 45% so mẫu 100%HA Điều này cho thấy khả năng cải thiện cơ tính của Wollastonite trong composite với HA
Tuy nhiên, trong thí nghiệm này cần nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của độ xốp đến cơ tính của composite để có thể kết luận chính xác hơn Ngoài ra, hệ vật liệu này còn được ngâm trong dung dịch SBF để kiểm tra tính tương thích sinh học cho kết quả trên tất cả các mẫu hình thành một lớp apapite mỏng trên bề mặt Kết quả sơ bộ cũng cho thấy lớp apatite này phát triển nhanh hơn một chút khi tỷ lệ Wollastonite tăng lên dẫn đến các lớp này dày và chặt hơn ở các mẫu có hàm lượng Wollastonite cao hơn
Có thể thấy rằng Wollastonite có tiềm năng ứng dụng trong việc gia tăng cường độ HA và có khả năng tương thích sinh học khá tốt Tuy nhiên qua nhiều nghiên cứu thì Wollastonite được sử dụng đa phần là khoáng Wollastonite tự nhiên, độ tinh khiết cao Ở luận văn này, chúng tôi nghiên cứu tổng hợp khoáng Wollastonite từ việc tổng hợp khoáng Xonotlite bằng phương pháp thủy nhiệt từ nguyên liệu tro trấu ở nhiệt độ trong khoảng 200 o C Xonotlite hình thành sau khi hấp thủy nhiệt sẽ được cho vào lò nung ở 950 o C trong 5h để tạo thành Wollastonite
Với cấu trúc là các tinh thể hình kim của Wollastonite, chúng tôi kỳ vọng rằng khi kết hợp HA với tỷ lệ nhất định, khi các tinh thể hình kim xen giữa các khoảng trống trong vật liệu HA, sẽ giúp cải thiện được độ bền cơ hơn vốn là điểm yếu cố hữu của vật liệu HA đồng thời không gây ra độc tính lên tế bào
Hệ vật liệu kết hợp giữa HA và tinh thể hình kim của hệ khoáng Wollastonite theo từng tỷ lệ nhất định sẽ được đánh giá các chỉ tiêu cơ lý tính và quan trọng là đánh giá khả năng tương thích sinh học của hệ, ở đây chúng tôi tiến hành đo khả năng gây độc tế bào của hệ bằng phương pháp đo MTT theo tiêu chuẩn ISO 10993-5&12 (thí nghiệm thực hiện tại phòng thí nghiệm khoa Kỹ Thuật Y Sinh, trường Đại học Quốc Tế - ĐHQG TPHCM).
TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM
Nguyên liệu
Calcium Hydroxide Ca(OH) 2 -Hóa chất thương mại của công ty Guangdong Xilong Chemical, dạng bột mịn đóng chai 500g,
Phosphoric Acid H 3 PO 4 85% - Hóa chất thương mại của công ty Guangdong
Xilong Chemical, chai thủy tinh 500ml
Hình 2.1 Calcium Hydroxide và Phosphoric Acid trên thị trường
Tro trấu – Nguồn gốc từ khu vực đồng bằng Sông Cửu Long, đốt tại PTN Bộ môn Silicate ở 500 o C, lưu trong 4h với thành phần hóa như sau:
Bảng 2.1 Thành phần hóa tro trấu
Tên mẫu SiO2 K2O CaO P2O5 MgO Al2O3 MnO Fe2O3 SO3 PbO Tổng
Tiến hành thí nghiệm
- Hòa tan 0.5 mol Ca(OH)2 (37g) vào 82ml nước cất trong cốc hấp teflon
- Chuẩn bị buret chứa 0.3 mol dd H3PO4 85% (20.4ml)
- Nhỏ từ từ dung dịch acid phosphoric vào cốc hấp chứa hỗn hợp Ca(OH)2, vừa nhỏ vừa khuấy, từ từ từng giọt để phản ứng xảy ra
- Sản phẩm thu được ở dạng huyền phù tiếp tục khuấy bằng máy khuấy đũa với tốc độ từ khoảng 220 v/ph trong khoảng 1.5h
- Đem cốc hấp bỏ vào thiết bị hấp và cho vào tủ hấp ở các nhiệt độ 100 o C, 150 o C và 180 o C trong 12h, 24h và 48h
- Sau khi hấp để mẫu lắng lấy nước đo pH và cho vào tủ sấy hỗn hợp ở 110 o C trong 12h
- Sau khi sấy thu được bột mịn đem đi phân tích XRD, SEM, FTIR, so sánh và chọn ra khoảng nhiệt độ và thời gian hấp phù hợp trong hệ để tạo HA sử dụng cho thí nghiệm kế tiếp
Hình 2.2 Thiết bị hấp teflon, khuôn hấp và tủ sấy – hấp (ảnh chụp)
Hình 2.3 Sơ đồ quy trình thí nghiệm tạo Hydroxyapatite (HA)
Hình 2.4 Bỏ khuôn hấp vào thiết bị hấp – HA sau khi tháo khuôn (ảnh chụp)
2.2.2 Tổng hợp Xonotlite từ tro trấu bằng phương pháp thủy nhiệt
- Tro trấu nung ở 500 o C lưu trong 4h
- Trộn bột Ca(OH)2 với tro trấu theo tỷ lệ thành phần CaO:SiO2=1:1 (Ca(OH)2:tro trấu=1:1.07) và nước cất để tạo ẩm
- Hỗn hợp nguyên liệu được ép thành viên đường kính 10mm, khối lượng khoảng 0.5g, sau đó cho vào cốc hấp teflon Thêm vào cốc khoảng 100ml nước cất, đậy kín cho vào thiết bị hấp và hấp trong tủ hấp ở 150 o C, 180 o C và 200 o C trong khoảng thời gian 6h, 12h, 24h
- Sau khi hấp, lấy mẫu ra cho vào tủ sấy và đem đi phân tích XRD, SEM, FTIR để chọn ra mẫu phù hợp nhất tiến hành tạo composite HA/Xonotlite
Hình 2.5 Sơ đồ quy trình thí nghiệm tạo Xonotlite
2.2.3 Tạo vật liệu kết hợp HA/Xonotlite
- Từ kết quả thu được ở 2 thí nghiệm trên, chọn ra khoảng nhiệt độ và thời gian phù hợp nhất để tạo HA và Xonotlite làm nguyên liệu cho việc tạo composite HA/Xonotlite
- Bột mịn HA sau khi hấp và sấy khụ cho qua sàng 90àm để đồng nhất cỡ hạt - Xonotlite dạng viên sau khi hấp và sấy khô thì đem nghiền mịn và cho qua sàng 90àm - Trộn hỗn hợp HA và Xonotlite ở dạng bột mịn theo tỷ lệ khối lượng như sau:
- Ở mỗi thành phần, tiến hành ép thành dạng viên đường kính 6mm khối lượng khoảng 0.15g/viên để thực nghiệm độc tính tế bào
- Sau đó tiến hành đo tính chất cơ lý và khảo sát khả năng gây độc tế bào trên hệ mẫu theo tiêu chuẩn ISO 10993-5&12
Hình 2.6 Sơ đồ quy trình thí nghiệm tạo viên HA/Xonotlite
Hình 2.7 Máy ép và khuôn ép và viên mẫu đường kính 6mm (ảnh chụp)
2.2.4 Các phương pháp phân tích kết quả 2.2.4.1 Nhiễu xạ tia X - XRD (X-ray Diffraction)
- Mục tiêu: Phân tích nhiễu xạ tia X để xác định thành phần pha của sản phẩm từ đó xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu
- Thiết bị: D2 PHARSER – Hãng Brucker (Chi cục kiểm định hải quan 3)
- Mẫu dạng bột mịn (qua sàng 63àm) - Góc nhiễu xạ 2θ từ 10~80 o
2.2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét - SEM (Scanning Electron Microscope)
- Phân tích ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) ở nhiều độ phân giải khác nhau để xác định hình thái của sản phẩm
- Thiết bị (Phòng thí nghiệm Khu Công Nghệ Cao Q9 Hồ Chí Minh) - Mẫu dạng bột mịn (qua sàng 63àm)
2.2.4.3 Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourior - FTIR (Fourier Transform
- Phân tích hồng ngoại FT-IR để đánh giá các đặc trưng hóa lý của sản phẩm - Thiết bị: Tensor 27 - Bruker – Germany (Viện Công Nghệ Hóa Học)
- Mẫu dạng bột mịn (qua sàng 63àm)
2.2.4.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua - TEM (Transmission Electron Microscopy)
- Phân tích ảnh TEM của sản phẩm để kiểm tra hình thái cấu trúc của sản phẩm tới cấp độ nguyên tử, phân tử
- Thiết bị: JEM 1400 (Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG) - Mẫu dạng bột mịn (qua sàng 63àm)
2.2.4.5 Mật độ thực – Khối lượng thể tích – Mật độ biểu kiến – Độ xốp [33]
Mật độ thực: thể hiện khối lượng của vật liệu rắn trên một đơn vị thể tích, (không bao gồm các lỗ xốp)
Kiểm tra mật độ thực của hệ mẫu bằng phương pháp sử dụng bình pyknomet:
- Sấy mẫu và dụng cụ pyknomet - Cân khối lượng mẫu khô m1
- Đổ chất lỏng đã biết trước mật độ pL (nước cất) vào, lắc đuổi khí có thể đun sôi cách thủy bằng dung dịch nước muối bão hòa Cho thêm nước cất vào tới định mức Cân xác định m2
- Đổ chất lỏng và mẫu ra, rửa sạch pyknomet, sấy khô - Đổ nước cất vào tới định mức để cân m3
- Mật độ thực được tính bằng công thức:
Hình 2.8 Dụng cụ pyknomet (hình chụp) ρ = m 1 m 3 − (m 2 − m 1 )ρ L
Khối lượng thể tích: là tỷ số giữa khối lượng vật rắn trên toàn bộ thể tích bao gồm các lỗ xốp
Mật độ biểu kiến: là tỷ số giữa khối lượng vật rắn trên phần thể tích không có các lỗ xốp hở (biểu kiến)
Kiểm tra khối lượng thể tích:
- Cân mẫu đã sấy khô (mm) - Luộc mẫu trong nước trong 2h Để nguội tới nhiệt độ phòng - Cân mẫu chìm trong nước bằng cân thủy tĩnh (mn)
- Lấy mẫu ra, lau bề mặt sao không có chất lỏng tạo giọt, cân trong không khí để xác định mkk
- Khối lượng thể tích được tính bằng công thức:
- Mật độ biểu kiến tính bằng công thức: Độ xốp hay độ rỗng được định nghĩa là tỷ lệ giữa các phần lỗ rỗng hay khoảng trống nằm trong một khối vật chất hay vật liệu so với tổng thể tích của khối vật liệu đó (%) Độ xốp biểu kiến (hay độ rỗng biểu kiến) được tính bằng công thức:
- Kiểm tra độ bền nén của sản phẩm để xác định sự thay đổi cơ tính của hệ vật liệu kết hợp so với cơ tính của HA
- Mẫu dạng viên: đường kính 6mm, khối lượng khoảng 0.15g (mỗi hệ mẫu 5 lần đo) ρ ′ = m k m kk − m n ρ n ρ bk = m k m k − m n ρ n Độ xốp (%) = 1 −ρ bk ρ 100
- Thiết bị: hãng Asazawa Industrial (Phòng thí nghiệm Vật liệu Kim Loại ĐH Bách khoa Hồ Chí Minh
2.2.5 Quy trình test độc tính tế bào theo ISO 10993-5&12 (2009)
2.2.5.1 Dụng cụ và thiết bị
1 Dòng tế bào: L-929 2 Máy ủ, nhiệt độ 37°C, độ ẩm, 5% CO2/không khí 3 Tủ phân luồng, tiêu chuẩn: "nguy hiểm sinh học"
5 Kính hiển vi tương phản ngược pha
6 Ly tâm 7 Phóng quang 96 tấm, được trang bị bộ lọc 570nm (tham chiếu 650 nm)
9 Phễu nuôi cấy mô 10 Phun vi khuẩn 96 mẫu
1 DMEM-F12 2 Huyết thanh 3 Giải pháp Trypsin / EDTA
4 Dung dịch muối đệm phosphate (PBS) 5 MTT (3-(4,5-dimetylthiazol-2-YL) -2,5-diphenyltetrazolium bromid) 6 Rượu isopropanol, phân tích
Kiểm tra tính tương hợp sinh học bằng phương pháp MTT
Phương pháp kiềm tra độc tính được tiến hành như sau: đầu tiên, tế bào được nuôi trong flask sao cho mật độ đạt 80-90%, sau đó tế bào này được tách ra bằng
Trypsin-EDTA và cho vào mỗi giếng trong đĩa 96 giếng để có mật độ tế bào là 1x10 4 tế bào trên giếng, tế bào này được ủ 24h đồng hồ cho bước tiếp theo
Song song đó, viên HA được khử khuẩn bằng phương pháp hấp cách thủy autoclave cho vào dung dịch môi trường với tỷ lệ là 0.1 g/1 ml môi trường nuôi tế bào và ủ 24h ở 37C trong máy khuấy liên tục (tốc độ 100 v/ph) Sau 24h, dung dịch ngâm mẫu được trích ra và pha thành các dung dịch có chứa dung dịch trích ly là:
0%, 12.5%, 25%, 50% và 100% theo thể tớch, 100 àl của mỗi dung dịch đó pha được cho vào các giếng tế bào chuẩn bị trước và nuôi trong 72h (với mỗi nồng độ, thí nghiệm được thực hiện lặp lại 4 lần)
Sau 72h tiếp theo, 10 àL dung dịch MTT (5mg/ml) được thờm vào mỗi giếng và ủ thêm 3h nữa trước khi bỏ hết hoàn toàn dung dịch trong giếng ra Giếng sau khi cho dung dịch MTT vào ủ cú kết tủa bột tớm Sau đú, 150 àL dung dịch dimethyl sulfoxide (DMSO) được cho vào mỗi giếng để hoà tan bột tím thành dung dịch màu tím Dung dịch này được đo bằng máy máy quang phổ hấp thụ với bước sóng 570 nm
Hình 2.9 Mô phỏng đĩa 96 giếng trong quá trình kiểm tra khả năng độc của hệ mẫu và giải thích vị trí các mẫu cho vào đĩa chứa tế bào
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết quả tổng hợp HA bằng phương pháp thủy nhiệt
Từ kết quả mẫu bột hấp ở các khoảng nhiệt độ và thời gian khác nhau, chúng tôi tiến hành lấy mẫu bột phân tích XRD và so sánh các kết quả với nhau để tìm khoảng nhiệt độ thích hợp tạo HA cho thí nghiệm kế tiếp:
Hình 3.1 Kết quả chồng phổ XRD của mẫu HA hấp ở 100 o C trong 12h, 24h và 48h so với HA ở 0h và nguyên liệu Ca(OH) 2
Hình 3.2 Kết quả chồng phổ XRD của mẫu HA hấp ở 150 o C trong 12h, 24h và 48h so với HA ở 0h và nguyên liệu Ca(OH) 2
Hình 3.3 Kết quả chồng phổ XRD của mẫu HA hấp ở 180 o C trong 12h, 24h và 48h so với HA ở 0h và nguyên liệu Ca(OH) 2
- Đối với mẫu HA hấp ở 100 o C : Sau khi hấp 12h, 24h, 48h đã có phản ứng tạo HA, nhưng Ca(OH)2 vẫn còn dư nhiều chưa phản ứng hết Sản phẩp hấp tạo thành HA lượng rất nhỏ và lượng Ca(OH)2 dư
- Đối với mẫu hấp ở 150 o C: Cả 3 mẫu hấp sau 12h, 24h, 48h đều có sự xuất hiện những peak chính của HA nhưng với cường độ thấp, chưa rõ ràng và vẫn còn peak của Ca(OH)2 còn dư, chưa phản ứng hết
- Đối với mẫu hấp ở 180 o C: Có thể thấy rõ những peak chính của HA đã xuất hiện rõ và có cường độ tương đương với mẫu HA thương mại đối chiếu, peak Ca(OH)2 cũng không còn thể hiện trên phổ XRD Chiều rộng peak lớn hơn so với mẫu đối chiếu, điều này cũng thể hiện độ tinh thể thấp của mẫu hấp Và ở cả 3 khoảng thời gian hấp thì phổ đều có hình dạng tương tự nhau, có thể sử dụng thời gian hấp ở 180 o C trong 12h là thời gian phù hợp để hấp tạo HA
Sau khi phân tích XRD, chúng tôi cũng mang mẫu bột phân tích quang phổ hồng ngoại FTIR để kiểm tra liên kết chính trong mẫu:
Hình 3.4 Kết quả chồng phổ FTIR của mẫu HA ở 180 o C trong 12h, 24h và 48h
- Ở cả 3 mẫu hấp ở 180 o C trong 12h, 24h và 48h đều thể hiện được những liên kết quan trọng trong cấu trúc HA và đều có hình dạng rất tương tự nhau nên củng cố khả năng chọn hấp ở 180 o C trong 12h là thời gian phù hợp để tạo HA với quy mô PTN
- Những peak đặc trưng quan trọng của HA ở: PO4 3-~1100cm -1 ; HPO4 2-
3.1.3 Kết quả ảnh SEM Ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM thể hiện hình thái cấu trúc của hệ ở các nhiệt độ và thời gian khác nhau
Hình 3.5 Ảnh SEM so sánh của mẫu hấp ở 100 o C, 150 o C và 180 o C trong 0h, 12h,
24h và 48h với độ phóng đại 5000 lần
Hình 3.6 Ảnh SEM so sánh của mẫu hấp ở 100 o C, 150 o C và 180 o C trong 0h, 12h,
24h và 48h với độ phóng đại 10000 lần
- Đối với mẫu HA hấp ở 100 o C : Sau khi hấp 12h, 24h, 48h qua ảnh SEM ở nhiều độ phóng độ có thể thấy rằng cấu trúc hình học ở mẫu này chưa có sự thay đổi về hình thái, trước và sau khi hấp đều có cấu trúc tương tự nhau
- Đối với mẫu hấp ở 150 o C: Ở các mẫu này qua ảnh SEM có thể nhận ra sự thay đổi về kích cỡ cũng như hình dạng hạt vật liệu, tuy vậy, phản ứng vẫn chưa hoàn thành
- Đối với mẫu hấp ở 180 o C: Đã có sự hình thành những tinh thể hình que dài tương đối rõ ràng So sánh đối chiếu các mẫu ở 12h, 24h, 48h cũng thấy không có nhiều sự khác biệt giữa các khoảng thời gian hấp với nhau
Kết hợp với những kết quả XRD và FTIR ở trên, ta có thể chọn nhiệt độ và thời gian hấp phù hợp để tạo ra HA là ở 180 o C trong 12h
3.1.4 Kết quả TEM Ảnh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua cho phép quan sát cấu trúc mẫu dưới độ phân giải rất cao, chúng tôi so sánh mẫu HA thương mại với mẫu HA thủy nhiệt
Hình 3.7 Ảnh TEM của mẫu HA hấp ở 180 o C trong 12h ở độ phóng đại 30000 lần
Hình 3.8 Ảnh TEM của mẫu HA JP thương mại ở độ phóng đại 30000 lần
Hình 3.9 Ảnh TEM của mẫu HA hấp ở 180 o C trong 12h độ phóng đại 100000 lần
Hình 3.10 Ảnh TEM của mẫu HA JP thương mại ở độ phóng đại 100000 lần
- So với HA thương mại, HA thủy nhiệt ở 180 o C có kích thước tinh thể bé (dưới 100 nm), hoạt tính hóa học cao, có khả năng hòa tan Ca, P khi cấy ghép trong cơ thể sống, làm tăng độ quá bão hòa của Ca, P , dẫn đến tái kêt tinh xương thật
- HA thương mại (HA kết khối) có kích thước tinh thể hoàn chỉnh, nên khó hòa tan Khi cấy ghép trong cơ thể sống tồn tại dưới dạng trơ, nên bị hạn chế về khả năng ứng dụng
- HA thủy nhiệt ở 180 o C/12h có cấu trúc HA dạng tinh thể thấp như xương thật có khả năng ứng dụng cao, phù hợp với mục tiêu ban đầu trong chương mở đầu (mục tiêu nghiên cứu)
Kết quả tổng hợp Xonotlite bằng phương pháp thủy nhiệt
Dựa trên kết quả nghiên cứu từ luận văn của anh Trần Phạm Quang Nguyên cùng với nhóm cộng sự của TS Phạm Trung Kiên, chúng tôi chọn khoảng nhiệt độ phù hợp nhất để tạo thành khoáng Xonotlite là ở 200 o C thời gian hấp là 24h (quy trình thí nghiệm đã trình bày ở chương 2)
Từ kết quả mẫu bột hấp ở các khoảng nhiệt độ và thời gian khác nhau, chúng tôi tiến hành lấy mẫu bột phân tích XRD và so sánh các kết quả với nhau để tìm khoảng nhiệt độ thích hợp tạo Xonotlite cho thí nghiệm kế tiếp:
Hình 3.11 Kết quả chụp XRD của mẫu hấp ở 200 o C trong 6h, 12h và 24h
Từ kết quả XRD của hệ mẫu, ta có thể thấy đã có sự hình thành khoáng
Xonotlite khi hấp thủy nhiệt ở 200 o C trong 24h, với những peak đặc trưng của Xonotlite ở góc 2θ = 12.5 o , 20.8 o , 24.4 o , 27.5 o Mẫu hấp ở 200 o C 6h và 12h đã có xuất hiện những peak của Xonotlite nhưng vẫn còn peak của Porlandite Dựa trên kết quả thu được có thể chọn nhiệt độ hấp phù hợp nhất là ở 200 o C trong 24h
Cũng với mẫu bột thu được từ quá trình hấp thủy nhiệt ở 200 o C, chúng tôi phân tích phổ hồng ngoại FTIR để kiểm tra những liên kết chính trong mẫu:
Hình 3.12 Kết quả FTIR của mẫu Xonotlite hấp ở 200 o C trong 6h, 12h và 24h
Từ kết quả FTIR của hệ mẫu, ta có thể thấy đã có sự hình thành khoáng Xonotlite khi hấp thủy nhiệt ở 200 o C trong 24h, phổ FTIR với những peak đặc trưng của Xonotlite ở 1205.5 cm -1 , 672 cm -1 , 610 cm -1 và 537 cm -1
3.2.3 Kết quả ảnh SEM Ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM cho kết quả hình thái cấu trúc của mẫu và kiểm tra khả năng hình thành tinh thể hình kim xonotlite qua các khoảng thời gian khác nhau:
Hình 3.13 Ảnh SEM của mẫu Xonotlite hấp ở 200 o C trong 6h, 12h và 24h với độ phóng đại 5000
Hình 3.14 Ảnh SEM của mẫu Xonotlite hấp ở 200 o C trong 6h, 12h và 24h với độ phóng đại 50000
Kết quả ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM cho thấy ở 200 o C 24h đã thu được sự hình thành khoáng với tinh thể hình kim, dài đan xen vào nhau
Kết hợp với kết quả XRD và FTIR ở trên, có thể chọn khoảng thời gian phù hợp nhất để tổng hợp Xonotlite bằng phương pháp thủy nhiệt là ở 200 o C trong 24h
Từ kết quả tổng hợp HA ở 180 o C trong 12h và Xonotlite ở 200 o C trong 24h bằng phương pháp hấp thủy nhiệt, chúng tôi thực hiện việc trộn 2 loại vật liệu bột theo tỷ lệ khác nhau, ép viên 6mm khối lượng khoảng 0.15g và tiến hành khảo sát các tính chất.
Kết quả tạo composite HA/Xonotlite
Bảng 3.1 Giải thích ký hiệu mẫu
KÝ HIỆU MẪU TÊN MẪU
HA JP HA thương mại
HA 180-12 HA hấp thủy nhiệt ở 180 o C, 12h
HA80-XO20 (hay HA 80) HA trộn Xonotlite theo tỷ lệ 80/20 khối lượng
HA60-XO40 (hay HA 60) HA trộn Xonotlite theo tỷ lệ 60/40 khối lượng
HA40-XO60 (hay HA 40) HA trộn Xonotlite theo tỷ lệ 40/60 khối lượng
HA20-XO80 (hay HA 20) HA trộn Xonotlite theo tỷ lệ 20/80 khối lượng
XONOTLITE 200-24 (hay HA 0) Xonotlite tổng hợp ở 200 o C, 24h
3.3.1 Cơ lý tính hệ mẫu 3.3.1.1 Mật độ thực – Mật độ thể tích – Độ xốp
Hình 3.15 Kết quả mật độ của hệ mẫu (n=5)
Hình 3.16 Khối lượng thể tích của hệ mẫu (n=5)
HA THƯƠNG MẠI HA 180-12 HA80-XO20 HA60-XO40 HA40-XO60 HA20-XO80 XONOTLITE
HA 180-12 HA80-XO20 HA60-XO40 HA40-XO60 HA20-XO80 XONOTLITE
Khối lượng thể tích (g/cm 3 )
Hình 3.17 Kết quả độ xốp của hệ mẫu (n=5)
- Mật độ thực: Trong thí nghiệm này, với dụng cụ bình pyknomet, chúng tôi đã tiến hành đo mật độ của hệ mẫu Kết quả cho thấy có sự sai khác Mật độ của các mẫu: HA thương mại có mật độ tương đương với HA tinh khiết, còn HA thủy nhiệt có mật độ thấp hơn Điều này có thể giải thích là do HA thương mại là HA kết khối với độ tinh thể cao, còn HA thủy nhiệt có độ tinh thể thấp, tinh thể còn rất bé, chưa hoàn chỉnh, hoạt tính cao
- Khối lượng thể tích: Khối lượng thể tích của hệ giảm dần theo chiều tăng tỷ lệ Xonotlite trong mẫu, cho thấy được khi trộn Xonotlite và HA thì có thể đã có sự sắp xếp đan xen giữa 2 loại vật liệu làm cho mẫu sít chặt hơn
- Độ xốp: Đối với mẫu HA 100% và Xonotlite 100% thì độ xốp lớn, nhưng khi kết hợp 2 loại vật liệu với nhau thì giá trị độ xốp giảm rõ rệt, thấp nhất là mẫu HA40-XO60 độ xốp chỉ ~17.06%
HA 180-12 HA80-XO20 HA60-XO40 HA40-XO60 HA20-XO80 XONOTLITE 200-
Hình 3.18 Kết quả đo cơ tính của hệ mẫu (n=5)
Cơ tính của mẫu vật liệu kết hợp HA60-XO40 và HA40-XO60 cao hơn so với mẫu HA 100% và XO 100% Điều này có thể kết luận sự kết hợp giữa HA và XO đã có thể cải thiện được một phần cơ tính của HA Dù ở thí nghiệm này, chúng tôi chỉ kết hợp HA và Xonotlite một cách vật lý, nhưng kết quả cơ tính này cho thấy có sự tăng nhẹ cơ tính của hệ vật liệu kết hợp, có thể mở ra triển vọng về sự kết hợp tốt giữa HA và Xonotlite nhằm cải thiện cơ tính của vật liệu HA, mở rộng ứng dụng của vật liệu HA đối với những bộ phận cần có khả năng chịu lực tốt hơn Đặc biệt Xonotlite trong thí nghiệm có nguồn gốc từ tro trấu Việt Nam, mở ra hướng tạo giá trị gia tăng cho sản phẩm sử dụng nguồn nguyên liệu dồi dào trong nước
3.3.2 Khả năng gây độc tố tế bào
Tất cả các vật liệu mới hay thiết bị y tế sau khi được tổng hợp hay được chế tạo đều phải thông qua bước kiểm tra độc tính trước khi đưa vào ứng dụng hay tiến hành các bước tiếp theo trên tế bào, trên động vật hay thực hiện ứng dụng lâm sàn trên người
Trong các phương pháp kiểm tra độc tính thì MTT là phương pháp đơn giản và có tính định lượng để kiểm tra lượng tế bào sống trên vật liệu Trong thí nghiệm này, chúng tôi kiểm tra độc tính của các hạt HA bằng phươn pháp MTT hay còn gọi là 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide theo tiêu chuẩn ISO-10993-5
Theo tiêu chuẩn ISO-10993-5 thì nếu lượng tế bào sống trên 70% trong 100% dung dịch trích ly của một mẫu thì mẫu đó được xem là tương hợp tế bào và có khả năng tiến hành các bước tiếp theo
Hình 3.19 Kết quả kiểm tra độc tố tế bào của hệ mẫu
Kết quả trong biểu đồ cho thấy HA0 (tức mẫu Xonotlite) là mẫu có độc tính ở nồng độ 100%; HA20 (20%HA+80%Xonotlite) có tính tương hợp sinh học không đáng kể (dưới 70%), còn lại tất cả các mẫu còn lại đều tương hợp sinh học đáng kể
Cụ thể như sau, HA thương mại JP và HA100 (HA 100% tạo thành từ hấp thủy nhiệt) có tính tương hợp sinh học tương đương nhau trong khi đó mẫu HA kết hợp với Xonotlite tỷ lệ 80/20 (80%HA+20%Xonotlite) đã tạo ra vật liệu y sinh có tính tương hợp sinh học rất tốt, tốt hơn cả HA JP và HA100 Nếu so mẫu có nồng độ dung dịch chiết là 0%, mẫu HA80-XO20 và mẫu HA100 ở nồng độ chiết 100% có khả năng tăng sinh tế bào tương đương HA thương mại (mẫu đối chứng) Điều này chứng minh HA tổng hợp ở điều kiện trong nước có chất lượng tương đương HA thương mại Tương phản lại, khi sử dụng nồng độ dung dịch chiết là 100%, mẫu HA0-XO100 có khả năng gây độc tế bào và ức chế quá trình tăng sinh của tế bào Điều này có thể được giải thích do trong SiO2 từ tro trấu còn chứa các nguyên tố vi lượng với hàm lượng lớn như K2O, P2O5, MgO, Al2O3, MnO, Fe2O3,…(dữ liệu bảng 2.1) Các nguyên tố vi lượng này dù có lợi trong quá trình tạo xương nhưng có mức giới hạn nhất định Vượt qua mức giới hạn này, các nguyên tố vi lượng sẽ có khả năng gây độc Do đó khi giảm tỉ lệ Xonotlite xuống trong hỗn hợp HA/XO, sẽ giảm hàm lượng các nguyên tố vi lượng xuống mức an toàn, và không gây độc ở hàm lượng nồng độ chiết 100% (HA40, HA 60, HA80).
