Luận văn thạc sĩ Công nghệ hóa học: Tổng hợp Forsterite bằng Pháp SOL-GEL ứng dụng làm vật liệu y sinh

Kết quả thực nghiệm forsterite tổng hợp được có thể dùng để nghiên cứu trong ứng dụng làm vật liệu y sinh... Phân loại về vật liệu y sinh Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ngày nay

GIỚI THIỆU

Tổng quan về vật liệu y sinh

Vật liệu y sinh có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như: y học và nha khoa, sinh học, công nghệ sinh học, di truyền học con người hóa học, kỹ thuật Đặc biệt các vật liệu này được ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh, phần lớn được sử dụng để thay thế cho các mô bị bệnh và bị hư hỏng với ưu điểm có khả năng tương thích sinh học cao, cơ tính tốt… [1]

1 1 Phân loại về vật liệu y sinh

Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ngày nay càng có nhiều loại vật liệu được nghiên cứu và sử dụng trong y học với mục đích thay thế hoặc hỗ trợ hình thành mô xương cho các phần bị khiếm khuyết của cơ thể Các vật liệu y sinh được nghiên cứu sử dụng như: vật liệu kim loại và oxit kim loại; vật liệu polmer và vật liệu gốm sứ y sinh [1]

Các vật liệu này bao gồm tự nhiên hoặc tổng hợp, vô cơ hoặc hữu cơ, kim loại, polymer, hoặc gốm sứ Sự phân loại các vật liệu này được mô tả ở hình 1.1 [1]

Hình 1.1: Phân loại của các vật liệu y sinh

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 2

1.2 Vật liệu y sinh kim loại

Bảng 1.1: Các vật liệu kim loại sử dụng trong cấy ghép chỉnh hình

Kim loại Ứng dụng chính/(phụ) Phương pháp

Thép không rỉ Cấy ghép xương/nối ghép chỉnh hình

Tạo hình làm nóng/ ủ, gia công

Hợp kim CoCrMo Nối ghép chỉnh hình/ cấy ghép xương Đúc, tạo hình làm nóng/ ủ, p/m

Hợp kim Co-Ni Cấy ghép xương/nối ghép chỉnh hình

CP Ti Cấy ghép xương Tạo hình làm nóng/ ủ, gia công

Hợp kim (  ) Ti Cấy ghép xương và nối ghép chỉnh hình

Tạo hình làm nóng/ ủ, gia công

Hợp kim ( / near-) Ti Cấy ghép xương Tạo hình làm nóng/ ủ, gia công

Ni-Ti Cấy ghép xương Tạo hình làm nóng/ ủ, gia công

Ta Sự gia tăng xương Sự thấm hóa học bằng pha hơi

Vật liệu y sinh kim loại được chế tạo liên tục, dùng rộng rãi trong phẫu thuật cấy ghép (là vật liệu cách ghép đầu tiên được dùng cách đây vài thập kỷ) Lớp vật liệu này có độ bền, tính chống chịu gãy cao, nên được chế tạo làm các chi tiết chịu tải trong ứng dụng lâm sàn (như tạo răng, xương, ) Thêm vào đó, kim loại có tính dẫn

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 3 điện tốt, thích hợp cho việc chế tạo các thiết bị y sinh sử dụng trong hệ thần kinh-tim mạch, ví dụ: thiết bị tạo nhịp tim Hơn nữa, các tính chất như kháng gãy tốt, dẫn điện, dễ tạo hình là tính chất đặc trưng và là ưu điểm của lớp vật liệu này Nhưng chỉ có một lượng nhỏ kim loại được sử dụng làm vật liệu cấy ghép nhân tạo, là do sự lo ngại về sự ăn mòn và khả năng tương thích sinh học của kim loại [2]

Vật liệu y sinh kim loại có thể đáp ứng điều kiện chịu tải của vật liệu cấy ghép có thể phức tạp hơn và xảy ra linh hoạt hơn trong môi trường cơ thể, yêu cầu phải có khả năng kháng ăn mòn mỏi Đồng thời, ứng dụng thay thế đòi hỏi phải có khả năng kháng sự mài mòn Các vật liệu kim loại được ứng dụng làm vật liệu cấy ghép nhân tạo được mô tả ở bảng 1.1[2]

Vật liệu y sinh có vai trò rất quan trọng trong sự thành công của lĩnh vực kỹ thuật cấy mô nhân tạo Do đó, việc lựa chọn vật liệu y sinh phù hợp đáp ứng chất lượng yêu cầu dùng trong vật liệu cấy ghép lâm sàn là một vấn đề khó khăn Để giải quyết các vấn đề trên, người ta lợi dụng các ưu điểm của từng loại vật liệu bằng cách chế tạo các vật liệu composite Sự kết hợp của các vật liệu polymer tự nhiên và tổng hợp có thể làm tăng cường khả năng tương tác giữa các tế bào Vật liệu composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau, tạo thành vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu Mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite.) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước Thuật ngữ "composite" thường được dùng cho các vật liệu mà có các pha khác nhau được phân tách với quy mô lớn hơn so với nguyên tử, và trong đó các đặc tính như các mô đun đàn hồi bị thay đổi đáng kể so với vật liệu đồng thể Các vật liệu composite có nhiều ưu điểm hơn so với vật liệu đồng thể như là cải thiện độ cứng, độ bền và trọng lượng của vật liệu nhẹ hơn có thể thay đổi linh hoạt và phù hợp cho từng ứng dụng Do đó, composite rất thích hợp trong ứng dụng làm vật liệu y sinh, và điều quan trọng nhất là vật liệu composite phải có khả

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 4 năng tương thích sinh học cao Hơn nữa, giao diện giữa các thành phần không bị phân hủy trong môi trường cơ thể Một số ứng dụng của vật liệu composite làm vật liệu y sinh: (1) làm răng, (2) cấy ghép chỉnh hình với các bề mặt xốp như làm xương, mạch máu, hệ thống thần kinh [3]

Hiện nay, composite ceramic-polymer được xem là vật liệu y sinh có tiềm năng trong ứng dụng làm vật liệu nhân tạo, do các ceramic (calcium phosphate ceramic, tricalcium phosphate và hydroxyapatite) sử dụng làm composite có khả năng tương thích sinh học cao và tính dẫn xương, tái tạo xương tốt Nhưng các ceramic này lại quá cứng và quá giòn khi được sử dụng đơn lẻ Hơn nữa, khi các ceramic này kết hợp với khung polymer để tạo composite, sẽ làm tăng tiềm năng dẫn xương và liên kết xương của pha vô cơ với các lỗ xốp và khả năng kết nối bên trong của cấu trúc ba chiều Sự kết hợp này, tạo ra khung xương hoạt tính sinh học và nâng cao khả năng hình thành mô xương có độ bền tốt hơn Đồng thời, vật liệu composite có cấu trúc nano làm tăng cường cơ tính như cải thiện độ bền kéo, độ bền uốn, modul đàn hồi tương tự như xương tự nhiên [4]

Bên cạnh việc kết hợp giữa vật liệu ceramic với khung là polymer để làm tăng sự tái phát triển của xương, vật liệu composite còn được tạo ra bằng cách phủ lên bề mặt khung bởi các vật liệu tự nhiên, để cải thiện khả năng bám dính và sự sinh sôi phát triển của tế bào xương Hơn nữa, đây là quá trình loại bỏ tính kỵ nước bên trong cấu trúc, do đó làm tăng khả năng tổ hợp tế bào xương khi cấy ghép Bảng 1.2 cho biết một số loại composite được tổng hợp bằng cách phủ [4]

Nhưng hạn chế của vật liệu composite y sinh là [4]: Khó tạo khung có kích thước hạt nano, do đó làm hạn chế sự phân bố của các pha khác vào, dẫn đến làm giảm chất lượng của vật liệu cấy ghép Tuy nhiên, theo một số nghiên cứu trong vivo gần đây cho thấy rằng khi composite được sử dụng cấy ghép trong cơ thể trong một thời gian dài, thì các hạt nano hydroxyapatite có thể kích thích sự viêm nhiễm trong tế bào bạch cầu trung tính của người Do đó, tốc độ phân hủy của khung nano-composite có thể làm tăng sự giải phóng nano hydroxyapatite, và có thể tạo ra một số phản ứng không thể dự đoán trước Thêm vào đó, composite có chứa sợi nano cacbon và nano tube tuy có khả năng cải thiện cơ tính của vật liệu cấy ghép nhưng không có khả năng

Tiến sĩ Lê Minh Viễn cũng giải thích thêm, vi khuẩn phân hủy sinh học sản sinh ra các chất độc hại, gây ảnh hưởng xấu đến phản ứng miễn dịch và quá trình oxy hóa của vật liệu cấy ghép, dẫn đến sự suy giảm chức năng, đôi khi gây phản ứng từ chối của cơ thể.

Thép không rỉ 316L Pyrolytic carbon

Thép không rỉ 316L  Al 2 O 3 -HA-TiN

Thép không rỉ 316L SE51(45S5) Bioglass ®

Hợp kim Co-Cr 45S5 Bioglass ® và Bioglass ® 52S4.6

Hợp kim Co-Cr HA

Hợp kim Ti-6AI-4V 45S5 Bioglass ®

Hợp kim Ti-6AI-4V HA

Hợp kim Ti-6AI-4V TCP

Hợp kim Ti-6AI-4V HA

Hợp kim Ti-6AI-4V Al 2 O 3

Hợp kim Ti-6AI-4V + porous beads TiO 2 -HA

Hợp kim Ti-6A1-4V + bột Ti HA

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 6

Bước vào thế kỹ XXI, lĩnh vực gốm sứ y sinh đang trở thành một trong những lĩnh vực thú vị nhất của khoa học và kỹ thuật vật liệu Ứng dụng đầu tiên, trong lĩnh vực này (50 năm trước) là tổng hợp và chế tạo vật liệu cấy ghép sử dụng trong y học và nha khoa (bảng 1.3) Có rất nhiều loại vật liệu gốm sứ được tổng hợp nhằm thay thế các bộ phân cơ thể người như: đầu gối, hông, răng [1]

Các gốm sứ y sinh là một nhánh của vật liệu y sinh chiếm 50% tổng số vật liệu y sinh của thế giới Chúng rất cần thiết cho sự giảm bớt đau và phục hồi các chức năng bị bệnh hoặc bị hư hỏng trong cơ thể Sự đóng góp của gốm sứ y sinh là rất cần thiết cho xương đặc biệt là ở người lớn tuổi (xương dễ bị gãy), do mật độ xương bị mất và độ bền giảm theo tuổi thọ [1]

Bảng 1.3: Ứng dụng lâm sàn của gốm sứ y sinh [1]

Các vật liệu ceramic Ứng dụng

Alumina, Zirconia viên Chịu tải trong chỉnh hình

Thủy tinh hoạt tính sinh học, thủy tinh ceramic, alumina, Zirconia viên bền

Alumina, hydroxyapatite, thủy tinh hoạt tính sinh học Cấy ghép răng

Tricalcium phosphate Bộ đệm tạm thời của xương Thủy tinh ceramic hoạt tính sinh học, alumina Sườn ổ răng Thủy tinh ceramic hoạt tính sinh học, hydroxyapatite Cột sống

Kính hoạt tính sinh học và gốm sứ thủy tinh đang được sử dụng rộng rãi trong phẫu thuật phục hồi hàm mặt Theo Báo cáo thị trường Acmite Intelligence, thị trường gốm y sinh và các thành phần liên quan dự kiến sẽ đạt 9,8 tỷ đô la Mỹ vào năm 2028, tăng từ 6,2 tỷ đô la Mỹ vào năm 2020.

Tổng quan về forsterite và các phương pháp điều chế

Forsterite và enstatite là vật liệu y sinh thuộc nhóm olivine, là vật liệu quan trọng trong hệ thống magnesia-silica [25]

Forsterite là tinh thể magnesium silicate có công thức hóa học Mg 2 SiO 4 , có thành phần từ hệ thống magnesia-silica Nếu tỉ lệ mol của magnesium và silicon có mặt trong ceramic là 1:1, thì thành phần được thiết kế như steatite, nếu tỉ lệ mol Mg:Si có mặt trong ceramic là 2:1 thì ceramic đó là forsterite [28]

Forsterite có cấu trúc orthorhombic (tà phương), với nhóm không gian Pbnm và hằng số mạng a = 4,76 Å; b = 10,2 Å; c = 5,99 Å (hình 1.4) Nó có hai vị trí tinh thể không tương đương cho Mg, vị trí M 1 nghịch đối xứng (C i ), và vị trí M 2 đối xứng gương (C s ) Hai vị trí này có thể thay thế bởi các ion kim loại chuyển tiếp khác nhau như Mn 2+ ,Fe 2+ ,Co 2+ ,Ni 2+ … Sự kết hợp của các ion khác nhau này sẽ ảnh hưởng đến tính chất vật lý của forsterite như tính đàn hồi, tính dẫn điện, tính quang học…[30]

Forsterite bao gồm anion SiO 4 2- tứ diện và cation Mg 2+ bát diện với tỷ lệ phân tử là

Anion SiO4 2- trong liên kết phối trí có silic là nguyên tử trung tâm Các liên kết cộng hóa trị đơn kết nối silic với bốn nguyên tử oxy, tạo ra điện tích âm cho chúng Do đó, những nguyên tử oxy này sắp xếp ở dạng tứ diện để giảm tương tác đẩy giữa chúng.

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 14

Forsterite có độ dẫn điện thấp, được dùng làm vật liệu nền cho điện tử Bên cạnh đó, có tính chịu nhiệt tốt vì có điểm nóng chảy cao (1890 0 C), sự giản nỡ nhiệt độ thấp, bền hóa học và tính chất cách nhiệt tốt khi ở nhiệt độ cao [32-34] Có khối lượng riêng 3,21-3,33 (g/cm 3 ) và có màu xanh lá, trắng sữa, đỏ cam, trong suốt… Đặc biệt forsterite được cấu tạo từ hai nguyên tố Si và Mg, đây là hai nguyên tố quan trọng trong quá trình trao đổi chất và khoáng hóa của xương [18, 20-21] Vì vậy, forsterite được xem là vật liệu tiềm năng trong ứng dụng làm vật liệu y sinh [16, 25, 27]

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 15

2.1.4 Ứng dụng của forsterite trong vật liệu y sinh

Hầu hết các nghiên cứu trước đây, forsterite chỉ được ứng dụng cho các vật liệu lazer và quang học [18-19] Các nghiên cứu tổng hợp forsterite ứng dụng cho mục đích sinh học chỉ bắt đầu cách đây vài năm Vì vậy, forsterite được xem là một vật liệu y sinh tiềm năng cho ứng dụng cấy ghép, do có khả năng tương thích sinh học tốt và cơ tính vượt trội hơn so với các vật liệu khác, nên có thể được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trong ứng dụng lâm sàn [19, 25, 27]

2.2 Các phương pháp tổng hợp forsterite

Forsterite được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp phản ứng pha rắn [11, 26-27, 35-37], phương pháp kết dính polymer [17] và phương pháp sol-gel [16-17, 23, 38]

2.2.1 Phương pháp phản ứng pha rắn

Phản ứng pha rắn là phương pháp được sử dụng để tổng hợp các chất rắn đa tinh thể với nguyên liệu ban đầu là hỗn hợp chất rắn (oxyt, muối) [39]

Phương pháp này thường được thực hiện ở nhiệt độ cao (1000 o C – 1600 o C) do tốc độ khuếch tán của các chất rắn ở nhiệt độ thường rất thấp (D = 10 -20 cm 2 /s) [60]

Đối với phản ứng pha rắn, thông số nhiệt động học và động học đóng vai trò quan trọng Dưới tác động của nhiệt độ, phản ứng xảy ra tại bề mặt tiếp xúc pha Tốc độ phản ứng giảm dần theo thời gian do lớp sản phẩm hình thành có độ dày tăng dần.

Quá trình tổng hợp forsterite bằng phương pháp phản ứng pha rắn được thực hiện ở nhiệt độ cao và thời gian phản ứng kéo dài và dễ gây ra sự dị pha trong quá trình phản ứng Theo nghiên cứu của C Kosanovi’c và các cộng sự [14], forsterite được tổng hợp bằng phương pháp này, sử dụng các tác chất từ NH4-zeolite A và MgO phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao trên 900 0 C Sản phẩm thu được ngoài sản phẩm chính là fosterite còn có sản phẩm khác ở dạng vô định hình và tinh thể nhỏ (spinel và sapphirine) Tuy nhiên, hầu hết trong phản ứng pha rắn, FS được tổng hợp từ talc và magnesium cacbonate, thu được bột forsterite đơn pha ở nhiệt độ 1000 0 C kích thước tinh thể là 35 nm và ở 1200 0 kích thước tinh thể tăng từ 90 đến 130 nm nung trong 1h

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 16 [11] Quá trình tạo forsterite được giải thích như sau: đầu tiên MgO sẽ phản ứng trên bề mặt SiO2 để tạo thành enstatite và sau đó SiO 2 khuếch tán qua lớp enstatite tạo thành pha forsterite [11] Tương tự, bột forsterite đơn pha cũng thu được ở nhiệt độ 1000 0 C, với kích thước tinh thể 26-35 nm Độ xốp của vật liệu thay đổi trong giới hạn

Forsterite (FS) tổng hợp từ các nguyên liệu ban đầu trên có cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi xấp xỉ 2,43 MPa và 182 MPa, tương ứng, khi nung ở nhiệt độ khác nhau trong khoảng 81-86% Ngoài ra, việc thêm các tác nhân ammonium fluoride (NH4F) hoặc ammonium chloride làm chất xúc tác có thể cải thiện quá trình tổng hợp FS Nhờ có sự hiện diện của ion fluoride hoặc chloride, tốc độ phản ứng và tốc độ hình thành forsterite tăng lên, giúp thu được bột forsterite đơn pha ở 1000 °C Kích thước tinh thể của forsterite thu được khoảng 36 nm khi sử dụng ion fluoride và khoảng 31 nm khi sử dụng ion chloride.

K Y Sara Lee [40] đã tổng hợp forsterite từ bột talc và magnesium oxide, cơ tính của vật liệu được đánh giá ở nhiệt kết khối từ 1200 0 C đến 1500 0 C Kết quả thu được forsterite đơn pha ở tất cả các nhiệt độ kết khối, có độ bền chống gãy 4,9 MPa.m 1/2 và độ cứng Vicker cao (7,1 Gpa) khi được kết khối ở 1400 0 C Đồng thời, các tác giả cũng cải tiến phương pháp tổng hợp FS có sự hỗ trợ của sóng siêu âm để rút ngắn thời gian nghiền mẫu Bột được nung ở 1200 0 C sau 2 h dưới sự hỗ trợ của sóng siêu âm và 3 h nghiền, kết quả phân tích giống với mẫu bột được nghiền trong 10 h và thu được kích thước hạt tốt từ 28-35 nm [41] Fei Shi cùng các cộng sự [42] đã tổng hợp forsterite từ các nguyên liệu cơ bản là magnesium carbonate (Mg(OH)2•4MgCO3•6H2O) và SiO 2 Các tác giả đã tiến hành tối ưu hóa quá trình tổng hợp bằng cách điều chỉnh tỉ lệ mol Mg/Si, kết quả thu được forsterite đơn pha ở các tỉ lệ mol Mg/Si tương ứng là

2,05～2,01 được nung kết khối ở nhiệt độ 1350 0 C trong 3 h trong không khí Forsterite được kết khối ở 1350-1360 0 C sẽ cho các tính chất điện môi εr=7,4 và tanδ =7,5×10 -4 tốt hơn

Tóm lại, trong suốt quá trình tổng hợp forsterite khó tránh khỏi sự hình thành enstatite (MgSiO 3 ) hoặc periclase (MgO) hoặc cả hai pha enstatite và periclase [11]

Nhiệt độ nung cần thiết để thu được forsterite đơn pha là 1000-1600 0 C [43] Sự có mặt của enstatite trong forsterite có thể gây bất lợi cho vật liệu có các tính chất nhiệt độ cao vì enstatite gây tách pha forsterite và vô định hình giàu SiO2 ở nhiệt độ 1557 0 C

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 17 [44] Đồng thời, sự có mặt của enstatite là nguyên nhân làm thay đổi thể tích và khả năng chịu áp lực bên trong, dẫn đến làm giảm cơ tính của vật liệu trong ứng dụng y học [45-47] Do đó, yêu cầu quá trình tổng hợp phải hạn chế sự tách pha và tạo được sự đồng thể cao, đồng thời giảm nhiệt độ phản ứng

Là quá trình tổng hợp cơ bản của dung dịch ở nhiệt độ thấp để vừa tạo ra hạt nano tinh thể vừa là các tinh thể ceramic trong quá trình sol-gel Quá trình này gồm hai giai đoạn chính: hình thành sol (là huyền phù colloide của các hạt rắn trong pha lỏng) thông qua sự thủy phân và phản ứng trùng hợp của các tác nhân, và theo sau là quá trình hình thành các lỗ bán gel, đó là chất rắn lỗ xốp có cấu tạo mạng liên kết ba chiều bên trong môi trường phân tán chất lỏng, điểm gel hình thành có thể xem giống như là điểm mà độ nhớt của sol ở trạng thái ổn định, chống lại ứng suất đàn hồi Độ kết tinh của sản phẩm cuối cùng, đạt được sau khi loại bỏ dung môi và phần kết tủa được làm già, sấy khô và ủ, phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện thí nghiệm Hơn nữa, quá trình sol-gel nhằm mục đích tạo ra hình thái các vật liệu cỡ micro và nanomét Gel khô tùy vào phương pháp sấy người ta chia thành xerogel và aerogel Xerogel là quá trình loại bỏ nước hoặc bay hơi gần nhiệt độ phòng, còn aerogel là quá trình loại bỏ dung môi hoặc nước bằng cách nâng nhiệt độ bay hơi lên [48-49]

Kỹ thuật sol-gel là quá trình thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy và nó cho phép tổng hợp các vật liệu ceramic khó tổng hợp bằng các phương pháp truyền thống Quá trình làm tan chảy mạng oxit chứa Mg thì rất khó và tốn kém, vì khi thêm Mg vào làm tăng nhiệt độ nóng chảy [50] Do đó, việc tổng hợp forsterite bằng phương pháp sol-gel thực hiện ở nhiệt độ thấp Tuy nhiên, trong quá trình sol-gel hóa của forsterite thì alkoxide Mg phản ứng với nước nhanh hơn silicon alkoxide, và có thể làm giảm đi sự đồng nhất của khối gel [50] Burlitch và các cộng sự [51] đã tạo ra bột forsterite bằng con đường hydrogen peroxide-chất trợ thủy phân của các alkoxide và tinh thể forsterite đồng thể ở nhiệt độ 1000 0 C Bên cạnh đó, một số nghiên cứu khác về quá trình hình thành forsterite còn có pha thứ hai là enstatite xuất hiện khi gia nhiệt lên đến 1200 0 C [43] hoặc ở 1300 0 C [52] hoặc dưới 1200 0 C [16] Tương tự, Mitchell và các cộng sự [53] đã khảo sát sự tạo phức trong dung môi, 2-methoxyethanol, với một

Hoạt tính sinh học của FS

Hình 1.5 sơ đồ mô tả khả năng tương thích sinh học Khả năng tương thích sinh học là sự tương tác giữa vật liệu cấy ghép với các mô trong cơ thể Môi trường cơ thể sẽ tác động rất lớn trên bề mặt, tính chất cơ tính và hóa học của vật liệu, cũng như khả năng miễn dịch, gây ung thư, và các phản ứng dị ứng của mô [59] Để đánh giá khả năng tương thích sinh học của một vật liệu y sinh gồm nhiều giai đoạn thử nghiệm như: đầu tiên là nghiên cứu trong vitro, sau đó thử nghiệm trên cơ thể sống như các mô hình động vật và các thử nghiệm lâm sàn [60] Giai đoạn thử nghiệm trong vitro đóng vai trò rất quan trọng để dự đoán vật liệu đang được nghiên cứu có khả năng tương thích sinh học trong vivo, để có thể tiếp tục nghiên cứu và khảo sát các bước tiếp theo

Trong nghiên cứu vitro và vivo khả năng liên kết xương với vật liệu được đánh giá là khả năng hình thành apatite trên bề mặt khi ngâm trong dung dịch sinh lý SBF với nồng độ ion gần bằng với huyết tương người Khả năng hình thành apatite trên bề mặt

Khả năng tương thích sinh học

Tế bào Cơ/dây chằng

Sự ăn mòn Hóa học Sự phân hủy

Sự kết tủa protein Cơ tính Sự kết bao

Sự hình thành cục đông cơ học Sự khoáng hóa

Y học Sự khử độc tính

Tính giòn Sự phá hủy tế bào Bề mặt Hệ thống phản ứng

Hình 1.5: Sơ đồ mô tả khả năng tương thích sinh học [59]

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 20 vật liệu trong dung dịch SBF được dùng để dự đoán hoạt tính sinh học của vật liệu trong nghiên cứu vitro và vivo [60]

Do đó, trong nghiên cứu vitro để kiểm tra hoạt tính sinh học của forsterite bằng cách ngâm vật liệu trong dung dịch SBF Forsterite là vật liệu y sinh mới được nghiên cứu cách đây vài năm, nên kết quả các nghiên cứu trước về khả năng tương thích sinh học chưa nhiều Hầu hết các nghiên cứu tập trung vào đánh giá tính chất của FS được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel từ Mg(NO3) 2 6H 2 O và colloidal

SiO 2 [15-16, 54] Các kết quả nghiên cứu cho thấy FS bột có kích thước nanomet có hoạt tính sinh học và tương thích sinh học rất tốt, có thể sử dụng làm xương hoạt tính sinh học Đồng thời, một số nghiên cứu khác về FS được tổng hợp bằng phương pháp phản ứng pha rắn từ MgCO 3 và talc (Mg 3 Si 4 O 10 (OH) [11, 26- 27, 36] cũng cho kết quả khảo sát tương tự Những nghiên cứu gần đây về sự tương thích sinh học của vật liệu, khả năng hình thành apatite trong vitro, trong vivo, hoạt tính sinh học và khả năng phân hủy được cải thiện, và được sử dụng làm vật liệu y sinh cho sự thay thế mô cứng, có cơ tính tốt hơn hydroxyapatite [11, 15-16, 26, 54, 57] Quá trình hình thành apatite trên bề mặt vật liệu khi ngâm trong dung dịch SBF có thể được giải thích là do giá trị pH thay đổi theo thời gian, giá trị này phụ thuộc vào sự hòa tan và khả năng hấp phụ của gốm sứ y sinh Đầu tiên là các ion magnesium sẽ trao đổi với H + trong dung dịch dẫn đến sự hình thành nhóm silanol (Si–OH − ) trên lớp bề mặt, làm cho pH tăng lên Dẫn đến hình thành lớp tích tụ calcium trên lớp giàu silica và dẫn đến sự làm giảm nồng độ phosphorus trên khung forsterite và đó cũng là nguyên nhân hình thành lớp apatite trên bề mặt [61] Bên cạnh đó, kiểm tra độc tính của forsterite được nghiên cứu theo tiêu chuẩn ISO/EN 10993–5, 1999, kết quả các nghiên cứu cho thấy rằng forsterite là vật liệu không gây độc tính [15-16, 57]

Mặc dù có một số giới hạn trong phương pháp này, nhưng để kiểm tra sự hình thành apatite trên bề mặt vật liệu trong dung dịch SBF, thì rất có lợi cho việc dự đoán hoạt tính sinh học của vật liệu ứng dụng làm xương hoạt tính sinh học trong vivo, không chỉ về chất lượng mà cả về số lượng Phương pháp này được sử dụng kiểm tra hoạt tính sinh học làm xương của vật liệu trước khi thử nghiệm trên động vật, để có thể làm giảm thời gian nghiên cứu và hỗ trợ có hiệu quả cho việc phát triển các vật liệu hoạt tính sinh học mới [60]

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 21

Đặt vấn đề

Các vật liệu gốm sứ y sinh đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu cho các ứng dụng để trám các vết nứt trên xương, thay thế cho các đoạn xương, thay các khớp nối, phủ trên bề mặt vật liệu kim loại hay hợp kim…Trong số các vật liệu gốm sứ y sinh, hydroxy apatite (HA) là vật liệu có nhiều triển vọng cho các ứng dụng trong các lĩnh vực nha khoa và thay thế các bộ phận xương trong cơ thể người Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của HA là độ bền chống gãy thấp (0.6-1.0 MPam 1/2 ) [62] Do đó, các nghiên cứu tập trung cải thiện các tính chất của HA và tìm ra các vật liệu mới có đặc tính vượt trội vẫn đang tiếp tục nghiên cứu và phát triển Để đáp ứng các ứng dụng đa dạng của vật liệu HA, các nhà khoa học tập trung nghiên cứu các phương pháp điều chế khác nhau phù hợp với các ứng dụng của nó

Có rất nhiều phương pháp điều chế có thể liệt kê như: Phương pháp phản ứng pha rắn [63], phương pháp kết tủa [64-65], phương pháp thủy nhiệt [66], phương pháp sol-gel [32-33, 67], phương pháp tổng hợp trong dung dịch sinh học nhân tạo SBF [34, 68]

(simulated body fluid)…Các phương pháp tổng hợp khác nhau, các sản phẩm HA thu được cũng có các tính chất thay đổi Ví dụ HA tổng hợp từ phương pháp phản ứng pha rắn, độ tinh khiết của sản phẩm bị hạn chế, thời gian phản ứng kéo dài, nhiệt độ phản ứng cao, kích thước tinh thể lớn [69-70] Do đó nhiệt độ kết khối cũng phải cao

Trái lại, HA tổng hợp từ phương pháp sol-gel có kích thước nhỏ hơn (thường trong phạm vi vài chục đến vài trăm nm) và đồng đều Do kích thước nhỏ và đồng đều, HA tổng hợp bằng phương pháp này dễ dàng đạt được độ kết khối cao ở nhiệt độ thấp hơn so với HA kết khối theo phương pháp phản ứng pha rắn [69-70] Bên cạnh đó, HA thu được từ phương pháp này thích hợp để sử dụng làm vật liệu trám các vết nứt trên xương, phủ trên các bề mặt kim loại và hợp kim.

Trước đây, hydroxyapatite (HA) được xem là vật liệu gốm sứ y sinh thành công trong nghiên cứu thay thế mô xương [15] HA có tính chất dẫn xương (osteoconductive), cải thiện sự phát triển của mô xương (Sprio et al.,2009) Theo Hench và các cộng sự nghiên cứu HA có cơ tính yếu như độ bền chống gãy thấp hơn xương vỏ não và có Modulus Young’s cao hơn vỏ não nên có giới hạn trong việc ứng

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 22 dụng HA trong lâm sàn (Hench et al., 1998) Hiện nay, sự tương thích sinh học của HA đang được tập trung nghiên cứu đánh giá cũng như các nghiên cứu khác nhằm cải thiện tính chất cơ lý của HA như khả năng chịu tải kém trong ứng dụng lâm sàn

[71-72] Đồng thời, các nghiên cứu tìm ra các vật liệu khác thay thế các hạn chế của HA cũng được quan tâm và đầu tư nghiên cứu phát triển Trong các nghiên cứu tìm kiếm vật liệu mới để khắc phục các nhược điểm của HA, forsterite được coi là vật liệu mới có nhiều triển vọng

Forsterite (Mg 2 SiO 4 ) là vật liệu ceramic y sinh đầy triển vọng [14, 16-17, 35, 54, 73] để thay thế HA do có các đặc tính sau: nhiệt độ nóng chảy cao (1890 o C), hệ số giãn nở nhiệt thấp, bền hóa học, cách điện tốt (ngay cả ở nhiệt độ cao), cải thiện độ bền chống gãy (K IC = 2.4 MPam 1/2 ) tốt hơn so với các vật liệu cấy ghép trước đây còn bị giới hạn trong ứng dụng lâm sàn về khả năng chịu tải [16] Ngoài ra, có mặt trong thành phần của Forsterite, Mg và Si là hai nguyên tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình hình thành và phát triển cấu trúc xương [18, 20-21] Magnesium ảnh hưởng trực tiếp đến sự trao đổi khoáng chất trong cơ thể và liên quan đến quá trình khoáng hóa trong cơ xương Silic là nguyên tố cần thiết cho sự hình thành và bắt buộc cho thời kỳ đầu của giai đoạn canxi hóa của xương So sánh với HA, forsterite có các đặc tính vượt trội khác [54] là: độ cứng cao, khả năng tương thích sinh học lớn, khả năng phát triển các mô trên xương… Vì vậy, về phương diện lý thuyết, FS có thể được chế tạo thành các bộ phận chịu lực cho cơ thể người như: răng, cánh tay, chân, các khớp nối, hộp sọ, đốt sống lưng…

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng forsterite là vật liệu có tính chất cơ học cao và khả năng tương thích sinh học tốt, phù hợp để thay thế cho các mô cứng Tuy nhiên, forsterite có tốc độ phân hủy chậm và khả năng hình thành apatite kém Phương pháp sol-gel tổng hợp bột nano forsterite với kích thước hạt nhỏ hơn (25-45nm) cho thấy tốc độ hình thành apatite tốt hơn so với kích thước hạt micro Forsterite cải thiện khả năng tương thích sinh học, hình thành apatite trong cơ thể, hoạt tính sinh học và khả năng phân hủy, trở thành vật liệu sinh học triển vọng cho thay thế mô cứng với tính chất cơ học vượt trội hơn hydroxyapatite.

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 23 tính chất đó của vật liệu phụ thuộc rất lớn vào kích thước hạt và phương pháp điều chế Các nghiên cứu sự hình thành apatite trên bề mặt vật liệu nhận xét rằng tốc độ hình thành apatite trên bề mặt bột nano forsterite tốt hơn so với FS ở kích thước micromet [15, 22, 54]

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan các hạn chế về cơ tính của HA và kết hợp với ưu điểm của vật liệu ceramic chứa Mg, Si, chúng tôi tiến hành nghiên cứu tổng hợp forsterite để thay thế các nhược điểm của HA

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tổng hợp FS bằng phương pháp sol gel từ Tetra

Ethyl Ortho-Silicate (TEOS) và Mg(NO 3 ) 2 6H 2 O (HNO 3 làm xúc tác) và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm bằng phương pháp XRD Đồng thời đánh giá các tính chất của mẫu bột bằng phương pháp SEM, sự kết khối bằng kính hiển vi nhiệt, phân tích các nhóm chức có trong mẫu bằng phương pháp FTIR, và khảo sát các tính chất của vật liệu cũng như sự hình thành apatite trên bề mặt vật liệu trong dung dịch sinh lý theo thời gian.

Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, ceramics chứa Si và Mg được chú ý đến trong sự phát triển của vật liệu cấy mô xương và có lợi ích kéo dài cho sự phát triển của vật liệu cấy mô [20-21, 74-78] Một vài nghiên cứu cho rằng silic giống như nguyên tố chủ yếu trong sự phát triển của xương tạo khung xương Năm 1970 lần đầu tiên Calrisle [18] báo cáo rằng silic là lựa chọn duy nhất trong lĩnh vực hoạt động của xương non và liên quan đến giai đoạn canxi hóa trong giai đoạn đầu của xương Tương tự, kết quả nghiên cứu của Schawarz và Milne cho rằng silicon có một số bất ổn trong kết quả của Calrisle làm biến dạng hộp sọ, với xương sọ xuất hiện nông hơn bình thường

Yêu cầu đặt ra là các vật liệu y sinh mới phải có cơ tính phải tốt như xương tự nhiên Mặc dù thành phần tổng hợp của hydroxyapatite giống như xương tự nhiên, nhưng cơ tính yếu hơn và bị giới hạn trong các ứng dụng về khả năng chịu tải của vật liệu Do đó, tìm vật liệu thay thế là điều cần thiết cho ứng dụng khả năng chịu tải trong mô kỹ thuật Trong những năm gần đây, các nghiên cứu cho thấy rằng forsterite có cơ tính tốt hơn hydroxyapatite và có khả năng tương thích sinh học cao

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 24 Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về các hạn chế về cơ tính của HA và kết hợp với ưu điểm của vật liệu gốm sứ chứa Mg, Si, chúng tôi đề xuất nghiên cứu tổng hợp

Forsterite (Mg 2 SiO 4 ) dùng cho vật liệu y sinh có độ tinh khiết cao Trên cơ sở Forsterite vừa tổng hợp được, chúng tôi khảo sát các tính chất vật lý của vật liệu (phân tích nhiệt TGA-DTA, XRD, FTIR, TEC, độ cứng…) và khảo sát sự thay đổi tính chất trong dung dịch sinh lý SBF (cấu trúc, khả năng hòa tan của các ion Mg 2+ , Si 4+ , sự thay đổi pH trong dung dịch, sự thay đổi thành phần hóa trong FS bằng phương pháp SEM-EDS) Trong nghiên cứu này, tôi tiến hành tổng hợp forsterite bằng phương pháp sol-gel từ các tác chất Mg(NO 3 ) 2 6H 2 O và tetraethyl ortho silicate (TEOS), với sự có mặt của acid nitric làm chất xúc tác.

Mục tiêu đề tài

Mục tiêu của đề tài là:

- Nghiên cứu “Tổng hợp forsterite bằng phương pháp sol-gel và khảo sát các tính chất của vật liệu như: phân tích nhiệt TGA-DTA, XRD, FTIR, TEC (hệ số giãn nở nhiệt), độ cứng…

- Khảo sát khả năng tương thích sinh học trong môi trường dung dịch nhân tạo SBF

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 25

Phản ứng ở nhiệt độ phòng

Tạo gel 60-65 0 C, tạo gel Cách thủy

THỰC NGHIỆM

Nội dung nghiên cứu

Quy trình điều chế FS bằng phương pháp sol-gel được mô tả (hình 2.1) như sau

Hình 2.1: Quy trình tổng hợp FS

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 26 Bột forsterite được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel từ các tác chất ban đầu là magnesium nitrate hexahydrate, Mg(NO 3 ) 2 6H 2 O, 90%, Tetra ethyl ortho-silicate (TEOS) (HiMedia Laboratories Pvt.Ltd, Ấn Độ, 98%) TEOS được cho từ từ vào trong nước đã có sẵn HNO3 (đang khuấy mạnh) để thủy phân TEOS Khi dung dịch trở nên trong suốt, cho Mg(NO 3 ) 2 6H 2 O vào Hỗn hợp được khuấy mạnh trên máy khuấy từ ở nhiệt độ phòng trong 2 h cho đến khi trong suốt Sau đó, gia nhiệt hỗn hợp lên 65 0 C và khuấy liên tục trong 4 h cho đến khi tạo thành gel trong suốt Gel được làm già và sấy ở nhiệt độ 140 0 C trong 8 h và thu được bột màu trắng (hình 2.2) Mẫu này được xử lý nhiệt ở 500 0 C (hình 2.3a) trong 2 h để đốt cháy các chất hữu cơ và nung ở các nhiệt độ

800 0 C, 1000 0 C, 1200 0 C và 1300 0 C trong 4 h Các mẫu sau nung được nghiền mịn bằng bi zirconia (5mm) trong dung dịch C 2 H 5 OH trong 2 h, sấy ở 100 o C để thu được mẫu bột forsterite (hình 2.3b)

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới độ tinh khiết của sản phẩm như: tỉ lệ mol Mg:Si, ảnh hưởng của tỉ lệ mol HNO3:Si,

 , nhiệt độ nung và thời gian nung

Hình 2.2: Gel forsterite sau khi sấy ở 140 0 C trong 8 h

Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 27

Hình 2.3: Mẫu bột forsterite thu được sau khi nung (a) 500 0 C trong 2 h, (b)

1.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm

1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol Mg:Si

Quá trình khảo sát được thực hiện như sau (bảng 2.1):

Cố định lượng tỉ lệ mol HNO 3 :Si và

 , thời gian và nhiệt độ nung

Khảo sát tỉ lệ mol Mg:Si = 1,9:1,02,1:1,0

Bảng 2.1: Giá trị khảo sát theo tỷ lệ mol Mg:Si

Các mẫu bột forsterite này được đem đi phân tích XRD Trên cơ sở này chọn ra tỷ lệ điều chế FS tốt nhất để khảo sát các yếu ảnh hưởng tiếp theo

1.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol HNO 3 :Si

Theo lý thuyết thì xúc tác ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phản ứng Quá trình khảo sát được thực hiện như sau (bảng 2.2): Cố định tỉ lệ mol Mg:Si = 2,0:1,0;

 , nhiệt độ và thời gian nung Tiến hành khảo sát tỉ lệ mol thay đổi từ HNO 3 :Si = 0,19,29 (tức từ 0