nghiên cứu tổng hợp 3d nanocomposite tinh bột pva ha zno dùng làm giá thể cho xương

Các kết quả cần đánh giá bao gồm cấu trúc xốp, kích thước lỗ rỗng, thành phần pha và các tính chất của giá thể bao gồm Modul Young, khả năng phân hủy, khả năng tạo xương mới của vật liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2023

GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH SVTH: TRẦN LONG NHẬT

SKL011829

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP 3D NANOCOMPOSITE TINH BỘT/PVA/HA/ZnO

DÙNG LÀM GIÁ THỂ CHO XƯƠNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

SVTH: TRẦN LONG NHẬT MSSV: 19128056

GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP 3D

NANOCOMPOSITE TINH BỘT/PVA/HA/ZnO DÙNG LÀM

GIÁ THỂ CHO XƯƠNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP 3D

NANOCOMPOSITE TINH BỘT/PVA/HA/ZnO DÙNG LÀM

GIÁ THỂ CHO XƯƠNG

SVTH: TRẦN LONG NHẬT MSSV: 19128056

GVHD: TS LÊ THỊ DUY HẠNH

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Trần Long Nhật

Mã số sinh viên: 19128056 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học Chuyên ngành: Hóa vô cơ

1 Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp 3D nanocomposite TB/PVA/HA/ZnO dùng làm giá thể cho

xương

2 Nhiệm vụ của khóa luận:

− Tổng quan tài liệu về nanocomposite TB/PVA/HA/ZnO: các phương pháp chế tạo, phân tích cấu trúc, tính chất và ứng dụng

− Tổng hợp vật liệu nano HA/ZnO và nanocomposite TB/PVA/HA/ZnO với các tỉ lệ ZnO:HA khác nhau

− Kiểm tra sự tạo thành HA/ZnO và cấu trúc của giá thể nanocomposite TB/PVA/HA/ZnO − Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng ZnO đến các tính chất cơ tính, khả năng hình thành

xương mới, khả năng phân hủy của vật liệu composite TB/PVA/HA/ZnO

3 Ngày giao nhiệm vụ khóa luận: 02/2023 4 Ngày hoàn thành khóa luận: 31/07/2023 5 Họ và tên giảng viên hướng dẫn: TS Lê Thị Duy Hạnh 6 Nội dung hướng dẫn: Toàn bộ đề tài khóa luận

Nội dung và yêu cầu khóa luận đã được thông qua bởi Trưởng bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 2 năm 2023

TS Lê Thị Duy Hạnh

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC-THỰC PHẨM

BỘ MÔN CN HÓA HỌC -

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-

PHIẾU TRẢ LỜI GÓP Ý NỘI DUNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

I Thông tin chung - Họ và tên sinh viên: Trần Long Nhật Lớp: 191280V - Tên đề tài: Nghiên cứu tổng hợp 3D nanocomposite TB/PVA/HA/ZnO dùng

làm giá thể cho xương

-Mã số khóa luận: ……… - Họ và tên người hướng dẫn chính: TS Lê Thị Duy Hạnh

II Nội dung trả lời

1

2 Câu hỏi phản biện Nếu đánh giá của em về tính chính xác, tính đại diện của phương pháp phân tích cỡ hạt, ví dụ các biểu đồ trang 34 ?

Hình 3.11 cho thấy không có peak của ZnO trong các mẫu trộn, ngoại trừ mẫu 10% ZnO Hãy nhận xét về tính đồng nhất của mẫu ?

1 Trả lời: Kết quả phân tích biểu đồ kích thước hạt từ ảnh FESEM chỉ mang tính đại diện cho một phần nhỏ của vật liệu, nó không thể hiện cho kết quả phân tích kích thước của toàn bộ khối vật liệu bột Để chính xác hơn, phương pháp này phải thực hiện nhiều lần trên nhiều vị trí khác nhau của mẫu bột hoặc trộn chúng lại với nhau rồi đem phân tích mẫu đã được trộn đó để kết quả được tin cậy hơn 2 Trả lời: Kết quả như vậy là do hàm lượng của ZnO so với khối lượng rắn của giá thể còn quá nhỏ, nên ở các mẫu có hàm lượng ZnO bé, các mẫu này dường như không thể hiện được sự xuất hiện của các peak đại diện cho sự có mặt của ZnO Ngoài ra có thể là do tính đồng nhất giữa HA và ZnO

là HA đưa vào từ ban đầu ?

Chỉnh sửa lại các lỗi chính tả, các góp ý về lỗi trình bày của bài khóa luận

trong mẫu giá thể chưa tốt, chúng phân tán không đồng đều với nhau Ở vị trí đo XRD các hạt ZnO không được phân bố ở đây nên chúng sẽ không được thể hiện trong kết quả đo XRD này

3 Trả lời: Ta có thể dựa vào kích thước của các khoáng apatite tạo thành thường sẽ to hơn và sẽ có khuynh hướng là các dạng vô định hình, bao gồm nhiều khối kết hợp lại với nhau Còn HA ban đầu thì ở kích thước nano, thuộc dạng tinh thể nên chúng sẽ bao gồm các đốm trắng li ti và riêng lẻ với nhau và không có hiện tượng kết khối vô định hình như các khoáng apatite kết tinh

4 Đã sửa lại theo góp ý của giáo viên phản biện và hội đồng

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 08 năm 2023

i

LỜI CẢM ƠN

Bài luận văn tốt nghiệp là thành quả của sự nỗ lực không ngừng của bản thân và sự giúp đỡ, động viên khích lệ to lớn của thầy cô, bạn bè và người thân Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những người đã hỗ trợ mình trong thời gian học tập và nghiên cứu vừa qua

Tôi xin chân thành gửi đến TS Lê Thị Duy Hạnh, người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học cũng như chi phí cơ sở vật chất để cho tôi hoàn thành bài luận này lời cảm ơn sâu sắc nhất Tôi xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Mỹ Lệ, cô đã hỗ trợ tận tình và hướng dẫn toàn thể sinh viên nghiên cứu về các trang thiết bị và hóa chất, tạo điều kiện tốt nhất để chúng em hoàn thành khóa luận

Xin cảm ơn ban chủ nhiệm khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm cùng toàn thể các thầy cô giáo Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức trong suốt 4 năm vừa qua và hỗ trợ giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi được thực hiện và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn Nguyễn Võ Thảo Phương, Nguyễn Trần Thành Thuận, Nguyễn Đức Duy, Nguyễn Long Thiên, Nguyễn Thị Ngọc Liên, Nguyễn Thanh Vinh và các bạn lớp hóa vô cơ Khóa 2019 là những người đồng hành, động viên và hỗ trợ tôi trong thời gian thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình đã luôn tin tưởng, tạo động lực to lớn và là chỗ dựa vững chắc cho tôi suốt 4 năm đại học và hoàn thành cuốn luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam kết toàn bộ nội dung của bài luận văn này là kết quả nghiên cứu, tìm hiểu và thực hiện độc lập dưới sự hướng dẫn và giám sát của TS Lê Thị Duy Hạnh Những kết quả thực nghiệm trên đây được đảm bảo hoàn toàn tính trung thực về toàn bộ nội dung Toàn bộ tài liệu tham khảo được thu thập từ những nguồn tin cậy và đã được thể hiện đầy đủ Tôi cam kết sẽ chịu trách nhiệm hoàn toàn nếu có vấn đề gì xảy ra

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 07 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Trần Long Nhật

1.1 Vật liệu nanocomposite dùng làm giá thể cho xương 4

1.1.1 Khái niệm về vật liệu nanocomposite 4

1.1.2 Tổng quan về giá thể xương 4

1.1.3 Cấu trúc của xương 5

1.2 Các đặc tính của giá thể composite 6

1.3 Các phương pháp chế tạo thường dùng 7

1.4 Tinh bột 8

1.4.1 Tổng quan về tinh bột 8

1.4.2 Tính tan trong nước và sự hồ hóa của tinh bột của tinh bột 9

1.4.3 Tính chất hóa học của tinh bột 10

1.4.4 Tinh bột biến tính 11

1.4.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng làm giá thể cho xương 11

1.5 Polyvinyl alcohol 12

1.5.1 Tổng quan về polyvinyl alcohol 12

1.5.2 Tính chất hóa lý của PVA 13

1.5.3 Tình hình ứng dụng của Polyvinyl Alcohol 13

2.2.2 Khảo sát tỉ lệ HA/ZnO ảnh hưởng đến tính chất của giá thể 27

2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của cách thức tạo mẫu đến tính chất của giá thể 28

2.3 Phương pháp nghiên cứu 28

2.3.1 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X 28

2.3.2 Phương pháp phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X 28

2.3.3 Kính hiển vi điện tử SEM kết hợp với phổ tán xạ năng lượng EDX 28

2.3.4 Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại FTIR 29

2.3.5 Phương pháp xác định cơ tính của vật liệu 30

2.3.6 Phương pháp xác định độ phân hủy của vật liệu 30

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 32

3.1 Vật liệu nano HA/ZnO tạo thành từ xương gà và muối kẽm acetate 32

3.1.1 Hình ảnh cảm quan 32

3.1.2 Phân tích hình thái bề mặt qua FESEM 33

3.1.3 Kết quả từ FTIR 35

3.1.4 Kết quả từ XRD 36

3.2 Cấu trúc của giá thể nanocomposite TB/PVA/HA/ZnO 38

3.2.1 Hình ảnh cảm quan của giá thể composite 38

3.2.2 Kết quả từ SEM 38

v

3.2.3 Kết quả từ XRD 41

3.2.4 Kết quả FTIR 42

3.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ ZnO đến các tính chất của giá thể 44

3.3.1 Ảnh hưởng đến cơ tính của giá thể 44

3.3.2 Ảnh hưởng đến khả năng hình thành xương mới của giá thể 45

3.3.3 Ảnh hưởng đến khả năng phân hủy của giá thể 51

3.4 Ảnh hưởng của cách thức tổng hợp đến tính chất của giá thể 52

3.4.1 Ảnh hưởng đến cơ tính của giá thể 52

3.4.2 Ảnh hưởng đến khả năng hình thành xương mới của giá thể 53

3.4.3 Ảnh hưởng đến khả năng phân hủy của giá thể 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 66

vi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Hàm lượng amylose và amylopectin trong một số loại thực vật 8

Bảng 1.2 Nhiệt độ hồ hóa của một số loại tinh bột 10

Bảng 1.3 Một số tính chất vật lý của HA 15

Bảng 2.1 Hàm lượng ZnO theo hàm lượng HA trong vật liệu HA/ZnO 23

Bảng 2.2 Các thông số cố định tạo mẫu giá thể composite TB/PVA/HA/ZnO 27

Bảng 2.3 Hàm lượng ZnO theo hàm lượng HA và khối lượng muối cần phủ 27

Bảng 2.4 Thành phần trong 1 lít dung dịch giả thể SBF 31

vii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ cách thức tiếp cận kỹ thuật mô dựa trên giá thể 5

Hình 1.2 Thành phần và cấu trúc của xương 6

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử của amylose 9

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử của amylopectin 9

Hình 1.5 Phản ứng thủy phân của tinh bột 11

Hình 1.6 Công thức phân tử của PVA 12

Hình 1.7 Một số ứng dụng nổi bật của PVA trong y sinh 14

Hình 1.8 Cấu trúc tinh thể của HA 15

Hình 1.9 Một số ứng dụng nổi bật của HA 16

Hình 1.10 Các dạng cấu trúc tinh thể của ZnO 17

Hình 2.1 Quy trình xứ lý xương gà 21

Hình 2.2 Quy trình tổng hợp nano HA/ZnO 22

Hình 2.3 Quy trình tổng hợp giá thể composite PVA/TB/HA/ZnO 25

Hình 3.1 Mẫu bột nano HA/ZnO 32

Hình 3.2 Ảnh FESEM của vật liệu nano HA/ZnO ở các độ phân giải 1µm 33

Hình 3.3 Ảnh FESEM của vật liệu nano HA/ZnO ở các độ phân giải 400nm 33

Hình 3.4 Biểu đồ phân bố kích thước hạt của vật liệu nano HA/ZnO 34

Hình 3.5 Kết quả FTIR của bột nano HA/ZnO và kẽm oxit 35

Hình 3.6 Kết quả XRD của HA , ZnO và vật liệu nano HA/ZnO 36

Hình 3.7 Hình ảnh cảm quan của nanocomposite TB/PVA/HA/ZnO 38

Hình 3.8 Cấu trúc của giá thể composite ở các hàm lượng ZnO khác nhau 38

Hình 3.9 Ảnh SEM của giá thể composite ở độ phóng đại x1000 39

Hình 3.10 Kết quả EDX của mẫu giá thể 40

Hình 3.11 Kết quả XRD của giá thể composite ở các hàm lượng ZnO khác nhau 41

Hình 3.12 Kết quả FTIR của các giá thể composite TB/PVA/HA/ZnO 43

Hình 3.13 Phổ FTIR của các giá thể composite ở vùng 1000 cm-1 - 380 cm-1 43

Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn cơ tính của giá thể theo hàm lượng ZnO 44

viii

Hình 3.15 Ảnh SEM của giá thể sau 7 ngày ngâm SBF 45

Hình 3.16 Ảnh SEM của giá thể sau 14 ngày ngâm SBF 45

Hình 3.17 Ảnh SEM của giá thể sau 30 ngày ngâm SBF 46

Hình 3.18 Ảnh SEM của giá thể sau 60 ngày ngâm SBF 46

Hình 3.19 Ảnh Mapping của giá thể 0% ZnO sau 60 ngày ngâm SBF 48

Hình 3.20 Ảnh Mapping của giá thể 0.5% ZnO sau 60 ngày ngâm SBF 48

Hình 3.21 Ảnh Mapping của giá thể 2.5% ZnO sau 60 ngày ngâm SBF 49

Hình 3.22 Ảnh Mapping của giá thể 5% ZnO sau 60 ngày ngâm SBF 49

Hình 3.23 Ảnh Mapping của giá thể 10% ZnO sau 60 ngày ngâm SBF 50

Hình 3.24 Biểu đồ biểu thị độ phân hủy của các mẫu giá thể theo hàm lượng ZnO 51

Hình 3.25 Đồ thị biểu diễn cơ tính của giá thể theo cách thức tạo mẫu 52

Hình 3.26 Ảnh SEM của giá thể tạo từ vật liệu nano HA/ZnO sau 7 ngày ngâm SBF 53

Hình 3.27 Ảnh SEM của giá thể trộn cơ học sau 7 ngày ngâm SBF 54

Hình 3.28 Ảnh SEM của giá thể tạo từ vật liệu nano HA/ZnO sau 14 ngày ngâm SBF 55

Hình 3.29 Ảnh SEM của giá thể trộn cơ học sau 14 ngày ngâm SBF 56

Hình 3.30 Biểu đồ biểu thị độ phân hủy của giá thể theo cách thức tạo mẫu sau 14 ngày ngâm 57

ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt: Nghĩa TB: Tinh bột PVA: Polyvinyl Alcohol HA: Hydroxylapatite TBBT: Tinh bột biến tính GA: Glutaraldehyde R/L: Tỷ lệ rắn/lỏng SEM: Scanning Electron Microscope – Kính hiển vi điện tử quét FESEM: Field Emission SEM – Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường EDX: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy – Phổ tán sắc năng lượng tia X XRD: X-ray Diffraction – Nhiễu xạ tia X

FTIR: Fourier Transform Infrared Spectroscopy – Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier AAS: Atomic Absorbtion Spectrometric – Quang phổ hấp thụ nguyên tử

SBF: Simulated Body Fluid – Dung dịch mô phỏng cơ thể PBS: Phosphate Buffered Saline – Dung dịch đệm Phosphate

1

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Nội dung của bài nghiên cứu là mô tả quá trình chế tạo và đánh giá các kết quả đạt được từ các phương pháp nghiên cứu đối với giá thể nanocomposite TB/PVA/HA/ZnO Các kết quả cần đánh giá bao gồm cấu trúc xốp, kích thước lỗ rỗng, thành phần pha và các tính chất của giá thể bao gồm Modul Young, khả năng phân hủy, khả năng tạo xương mới của vật liệu, từ các kết quả trên để đánh giá khả năng ứng dụng làm giá thể để sửa chữa và tái tạo mô xương Các phương pháp phân tích được sử dụng trong bài nghiên cứu này bao gồm: Kính hiển vi điện tử quét (SEM), Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM), Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), Nhiễu xạ tia X (XRD), Phân tích phổ hồng ngoại (FTIR)

Trong nghiên cứu này, vật liệu nano Hydroxylapatite/ZnO được tạo thành từ xương gà trộn muối kẽm acetate cho nung ở 700oC lưu trong 1 giờ được đánh giá bằng các phương pháp XRD, FESEM, EDX, FTIR cho kết quả vật liệu có kích thước từ 80 nm đến 240 nm bao gồm Hydroxylapatite (HA) và Kẽm oxit (ZnO) Bên cạnh đó, kết quả EDX cũng cho thấy vật liệu còn tồn tại một số nguyên tố tạp chất bao gồm Na, Mg, Al, Sr, C trong mẫu do đây là các thành phần tạp chất trong xương gà còn sót lại, chúng góp phần tăng tính linh hoạt của vật liệu nano HA/ZnO

Giá thể composite được tạo thành từ 2 cách thức tổng hợp vật liệu HA/ZnO khác nhau, bao gồm chế tạo từ vật liệu nano HA/ZnO và bằng cách trộn cơ học từ 2 thành phần riêng biệt là HA và ZnO Trên cơ sở cố định hàm lượng HA trong mẫu giá thể là 10% trên tổng khối lượng chất rắn, được tham khảo từ đề tài “Nghiên cứu cơ tính và khả năng phân hủy của giá thể TB/PVA/HA” của anh Nguyễn Văn Tiến khóa 2018, ta khảo sát với các tỉ lệ ZnO : HA từ 0%; 0.5%; 2.5%; 5.0% và 10.0% Kết quả khảo sát cấu trúc của vật liệu cho thấy giá thể composite TB/PVA/HA/ZnO có tính chất xốp, kích thước lỗ rỗng tương đối phù hợp với cấu trúc của xương tự nhiên nhằm mục đích làm giá thể xương Sự có mặt của vật liệu nano HA/ZnO giúp cải thiện độ bền cơ của vật liệu Cụ thể, giá trị cơ tính tăng từ 122.60 KPa đến 179.52 KPa khi hàm lượng ZnO tăng từ 0% đến 5%, sau đó giảm về 159.26 KPa ở hàm lượng 10% ZnO Khi khảo sát sự hình thành xương mới, kết quả cho thấy khi tăng hàm lượng kẽm oxit thì các giá thể có hàm lượng ZnO cao tỏ ra tín hiệu tạo khoáng apatite tốt hơn so với các mẫu có hàm lượng ZnO

2 thấp Khảo sát từ hai cách thức tạo mẫu khác nhau, kết quả chỉ ra rằng các giá thể composite tạo từ bột HA/ZnO có giá trị cơ tính tốt hơn so với các mẫu trộn cơ học do ảnh hưởng của kích thước hạt nano Việc tạo mẫu từ bột HA/ZnO cũng cho thấy khả năng hình thành khoáng apatite trên bề mặt giá thể composite tốt hơn, phân bố đồng đều hơn so với các mẫu trộn cơ học

3

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế và xã hội, vấn đề về sức khỏe là mục tiêu chú trọng hàng đầu của con người hơn bao giờ hết Các nghiên cứu trong lĩnh vực y học đang được đẩy mạnh phát triển để cố gắng tạo ra các sản phẩm mới nhằm đáp ứng nhu cầu của thực tiễn, và việc chế tạo ra các giá thể sinh học ứng dụng trong cấy ghép xương là một ví dụ điển hình Song song với đó, ở các quốc gia đang phát triển, tình trạng lao động nặng nhọc của người công nhân diễn ra rất phổ biến cùng với ngày càng có nhiều môn thể thao mới ra đời làm gia tăng các vận động mạnh của cơ thể rất dễ gây chấn thương, đặc biệt là chấn thương về xương khớp Từ những thực trạng đó, việc nghiên cứu ra các phương pháp chữa trị và tái tạo xương khớp càng được tập trung đẩy mạnh hơn nữa

Hiện nay, vật liệu y sinh 3D nanocomposite được dùng làm giá thể để tái tạo xương đang được xem như là một hướng đi rất triển vọng để chữa trị các vấn đề về xương Giá thể cần phải có tính tương thích sinh học đối với tế bào/ mô, phải có độ xốp cao và phân hủy sinh học tốt để tạo không gian cho xương mới hình thành Ngoài ra, giá thể còn phải có các lỗ rỗng liên kết với nhau cho phép vận chuyển đủ chất dinh dưỡng và có các tính chất cơ học tốt để đáp ứng với tốc độ phân hủy của nó Việc sử dụng các vật liệu có thành phần nguồn gốc từ tự nhiên được đánh giá rất khả quang do có tính an toàn và khả năng thúc đẩy quá trình chữa bệnh với tốc độ nhanh hơn Từ các tính chất đó, ta thấy giá thể PVA/TB/HA/ZnO về cơ bản có cấu trúc và những đặc tính phù hợp với mục đích nuôi cấy và tái tạo mô xương

Chính vì vậy, mục đích của đề tài này là để: − Tổng hợp vật liệu nano HA/ZnO và nanocomposite TB/PVA/HA/ZnO với các tỉ lệ

ZnO:HA khác nhau − Đánh giá cấu trúc, thành phần hóa học của nano HA/ZnO và giá thể nanocomposite

TB/PVA/HA/ZnO − Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng ZnO đến các tính chất của giá thể composite − Khảo sát sự ảnh hưởng của cách thức tổng hợp đến các tính chất của giá thể

composite

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Vật liệu nanocomposite dùng làm giá thể cho xương

1.1.1 Khái niệm về vật liệu nanocomposite

Định nghĩa về vật liệu nanocomposite trong những năm qua đã được mở rộng để bao gồm một cách tổng quát hơn như là vật liệu một chiều, hai chiều, ba chiều và vật liệu vô định hình, được tạo thành từ các thành phần khác nhau rõ rệt và được trộn lẫn ở quy mô nanomet Theo Azonano (2009), “Nanocomposite là những vật liệu có cấu trúc kích thước nano giúp cải thiện các đặc tính vĩ mô của sản phẩm” [1] Theo Kamigaito (1994), ông định nghĩa “Nanocomposite là vật liệu rắn đa pha, trong đó một trong các pha có một, hai hoặc ba chiều nhỏ hơn 100 nm hoặc các cấu trúc có khoảng cách lặp lại ở cấp độ nano giữa các pha khác nhau tạo nên vật liệu” [1]

Tóm lại, nanocomposite có thể được định nghĩa nó là vật liệu đa pha, trong đó có ít nhất một pha có một, hai hoặc ba chiều nhỏ hơn 100 nm hoặc các pha hỗn hợp có khoảng cách kích thước nano giữa các pha khác nhau tạo nên vật liệu Vật liệu nanocomposite có thể cải thiện đáng kể các đặc tính như: các tính chất cơ học bao gồm độ bền, môđun và độ ổn định kích thước; độ dẫn điện, điện hóa, nhiệt, quang học và xúc tác; giảm tính thấm khí, nước và hydrocacbon Vì vậy, nó được ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vực, cụ thể như làm hệ thống phân phối thuốc trong y học; lớp phủ hàng rào chống ăn mòn; gel chống tia cực tím; chất bôi trơn và sơn không trầy xước; làm vật liệu chống cháy, chống mài mòn; tạo sợi và màng có độ bền vượt trội; … [1]

1.1.2 Tổng quan về giá thể xương

Tái tạo mô xương là một lĩnh vực dựa trên nguyên tắc khả năng tái sinh của cơ thể sống để tạo ra các loại mô mới nhằm mục đích thay thể sự mất mác, hư tổn của các mô xương cũ [2] Các vật liệu sử dụng để tái tạo mô xương được gọi là giá thể Như vậy, giá thể được hiểu là một vật liệu có cấu trúc ba chiều, nó có thể là vật liệu composite kết hợp giữa các polymer sinh học với một số thành phần tương ứng khác được ứng dụng vào kỹ thuật tái tạo xương trong y học Để đáp ứng làm với chức năng làm giá thể xương, giá thể composite cần phải có cấu trúc xốp, phải tương thích với môi trường cơ thể và đặc biệt phải có tính phân hủy sinh học tốt [2]

5 Hình 1.1 Sơ đồ cách thức tiếp cận kỹ thuật mô dựa trên giá thể Dựa trên công dụng của nó, giá thể được chia thành nhiều loại Nhưng với chức năng tái tạo mô xương, nó cơ bản được chia thành 2 loại chính là giá thể truyền dẫn xương và giá thể mang [3] Có nhiều phương pháp để chế tạo nên giá thể, bao gồm: phương pháp quay điện, đông khô, tự lắp ráp, thiêu kết laser chọn lọc, tách pha, … Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm Tuy nhiên, cần phải chọn một phương pháp mà nó có thể kiểm soát được các tính chất về cấu trúc như độ xốp, kích thước lỗ rỗng nhằm phù hợp với vai trò làm giá thể xương [4] Quan trọng hơn, nguyên vật liệu làm giá thể cần phải có những đặc tính phù hợp với các tính chất của nó Vì vậy, việc lựa chọn ra các vật liệu thích hợp để chế tạo nên một loại giá thể một việc làm rất quan trọng

1.1.3 Cấu trúc của xương

Xương là một cấu trúc phức tạp, được tạo thành từ mô đặc (lớp cứng, bên ngoài) và mô xốp (lớp xốp, bên trong chứa tủy đỏ) Mô xương được duy trì bởi các tế bào tạo xương gọi là nguyên bào xương và các tế bào phân hủy xương gọi là hủy cốt bào Mô xương bao gồm từ 50 – 70% là thành phần vô cơ hoặc pha khoáng, 20 – 40% là thành phần hữu cơ, 5 – 10% là nước và 3% là lipid Thành phần chính của pha khoáng là Hydroxylapatite (Ca10(PO4)6(OH)2 và các muối của Magie, Mangan, Silic, Kẽm, Đồng… Thành phần chính của pha hữu cơ là các collagen và các phức hợp protein Khoáng chất vô cơ có chức năng hỗ trợ độ bền cơ học và khả năng chịu lực còn các pha hữu cơ thì tạo ra tính đàn hồi và tính linh hoạt Chúng được liên kết chặt chẽ với nhau đảm bảo cho xương đặc có tính đàn hồi và rắn chắc.[4] Xương được chia thành 4 loại chính, đó là: xương ngắn ( được tìm thấy trong xương cổ chân, xương cổ tay, xương bánh chè), xương dài ( được tìm thấy trong xương bàn tay, xương đùi, xương cánh tay

6 xương đòn, xương trụ), xương dẹt ( có trong xương sọ, xương sườn, xương hàm và xương bả vai) và xương không đều ( có trong xương sống, xương cụt) [4]

Hình 1.2 Thành phần và cấu trúc của xương

1.2 Các đặc tính của giá thể composite

Giá thể composite để sử dụng trong kỹ thuật tái tạo mô xương cần phải có tính chất sau: • Độ xốp: Giá thể phải có độ xốp phù hợp để vận chuyển các chất dinh dưỡng, loại bỏ chất thải và trao đổi chất với nhau nhờ sự trợ giúp của các lỗ rỗng, vì vậy các lỗ rỗng phải được liên kết chặt chẽ với nhau trong một giá thể Hơn nữa, độ liên thông tốt của các lỗ rỗng sẽ giúp các mao mạch phát triển tốt hơn Nếu tỉ lệ thể tích bề mặt trên diện tích lớn sẽ cho phép tế bào phát triển và nó sẽ phân bố trong toàn bộ cấu trúc của giá thể, nhờ đó việc tái tạo tế bào mới xung quanh giá thể composite sẽ diễn ra thuận lợi [5] Tuy nhiên, độ xốp của giá thể cũng ảnh hưởng đến các tính chất khác của vật liệu, điển hình là độ bền cơ học Khi giá thể có quá nhiều lỗ rỗng thì độ bền cơ của giá thể sẽ bị giảm, vì vậy cần phải xem xét cân bằng giữa độ xốp và độ bền để vật liệu có thể đáp ứng đầy đủ các đặc tính của một giá thể cho xương

• Kích thước lỗ rỗng: Đây cũng là một tiêu chí quan trọng để chế tạo giá thể xương Kích thước lỗ rỗng phù hợp sẽ giúp cho sự trao đổi và vận chuyển chất dinh dưỡng bên trong diễn ra thuận lợi, đồng thời độ bền cơ học của vật liệu cũng sẽ được đảm bảo Theo nghiên cứu, kích thước lỗ rỗng của giá thể thường nằm trong khoảng từ 300 µm đến 900 µm được cho là phù hợp [6], do các kích thước này có những ưu điểm cụ thể về tỉ lệ bề mặt trên thể tích, tạo điều kiện thuận lợi cho tế bào, mô và mạch máu phát triển

7 • Tính chất cơ: Để tồn tại trong môi trường cơ thể, giá thể composite phải có đủ độ

bền cơ học để chống chịu với áp suất và sự chèn ép của các cơ quan khác khi được cấy vào cơ thể người Vì thế, tính chất cơ học là một đặc tính quan trọng và được quan tâm nhất trong quá trình chế tạo nên vật liệu [7]

• Tính tương thích sinh học: Khi tiếp xúc với cơ thể sống, giá thể phải tương thích với môi trường bên trong cơ thể Giá thể không được tạo ra bất kì ảnh hưởng tiêu cực nào đến mọi cơ quan trong cơ thể, không gây hại cho hệ miễn dịch và không làm biến đồi các thành phần trong môi trường cơ thể

• Khả năng phân hủy sinh học: Sau khi được cấy ghép vào phần xương bị tổn thương, giá thể phải suy thoái để tạo không gian cho xương mới tái tạo và phát triển Ngoài ra, tốc độ phân hủy của vật liệu phải phù hợp với tốc độ phát triển của tế bào, sao cho sau khi xương mới được lắp đầy thì vật liệu phải hoàn toàn bị phân hủy [8]

1.3 Các phương pháp chế tạo thường dùng

Việc chế tạo giá thể phải được xem xét để sau giá thể được hình thành, nó phải thể hiện đầy đủ các tính chất của một giá thể xương Các phương pháp chế tạo thường sử dụng như: [4]

+ Phương pháp đông khô: Nó bắt đầu bằng sự đông đặc của một dung dịch polymer, dẫn đến sự hình thành của các tinh thể dung môi được bao quanh bởi các tập hợp polymer, sau đó dung môi trải qua quá trình thăng hoa trực tiếp thành khí từ pha rắn Ưu điểm là không cần phải lọc riêng biệt và không sử dụng nhiệt độ để sấy vật liệu nhưng mất nhiều thời gian cho quá trình sấy mẫu

+ Phương pháp quay điện: Sử dụng điện trường đặt bên ngoài để kéo các sợi tích điện của dung dịch polymer hoặc polymer nóng chảy dưới dạng các tia phản lực mỏng từ ống mao Ưu điểm của phương pháp là vật liệu được chế tạo nhanh chóng, kiểm soát được kích thước lỗ xốp nhưng độ bền cơ học thấp

+ Phương pháp tự lắp ráp: Phương pháp sử dụng các sợi nano tự lắp ráp với nhau thông qua quá trình điều khiển của phần mềm máy tính tự động Nó có ưu điểm là kiểm soát được độ xốp, kích thước lỗ rỗng nhưng lại gây tốn nhiều chi phí vật tư và thông số thiết kế phức tạp

8 + Phương pháp rửa trôi muối: Kỹ thuật này sử dụng các chất để phân tán vào một

cấu trúc khuôn và sau đó nó bị hòa tan để loại bỏ sau khi cấu trúc đã ổn định Ưu điểm của phương pháp là đơn giản, dễ thực hiện nhưng khó kiểm soát được kích thước lỗ xốp

1.4 Tinh bột

1.4.1 Tổng quan về tinh bột

Tinh bột là một carbohydrate có rất nhiều trong tự nhiên, thường được lưu trữ trong cây thực vật Đây là nguồn năng lượng quan trọng sử dụng rộng rãi hằng ngày để làm thực phẩm cho con người Công thức phân tử của tinh bột là (C6H10O5.H2O)m .Tinh bột được cấu tạo từ hai polymer bao gồm các D- glucose lặp lại là amylose và amylopectin có công thức được mô tả như hình 1.3 và 1.4 [9] Amylose là một polymer mạch thẳng, bao gồm các phân tử glucose liên kết α (1,4) còn amylopectin có khối lương phân tử lớn hơn vì có nhiều nhánh hơn với các liên kết nhánh α (1,6) Tỷ lệ amylose/amylopectin trong tinh bột thay đổi theo loại thực vật và có thể thay đổi theo điều kiện thời tiết và trồng trọt như bảng 1.1 [10],[11]

Bảng 1.1 Hàm lượng amylose và amylopectin trong một số loại thực vật

9 Hình 1.3 Cấu trúc phân tử của amylose

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử của amylopectin

1.4.2 Tính tan trong nước và sự hồ hóa của tinh bột của tinh bột

Amylose khi hòa tan vào nước sẽ nhanh chóng bị thoái hóa và không tan trong nước Ở nhiệt độ thường, amylopectin ít tan trong nước, chỉ tan trong nước nóng Khi ngâm tinh bột vào nước, nước sẽ bị hấp thụ vào tinh bột nên thể tích hạt sẽ tăng Hiện tượng này được gọi là sự trương nở của tinh bột Độ trương nở tùy thuộc vào tỷ lệ giữa amylose và amylopectin [12]

Nhiệt độ hồ hóa: là nhiệt độ mà tại đó hạt tinh bột sẽ bị phá vỡ chuyển từ trạng thái ban đầu có mức độ oxi hóa khác nhau tạo thành dung dịch keo Các biến đổi hóa lý sẽ diễn ra bao gồm hạt tinh bột trương lên, tăng độ nhớt và độ trong suốt, các phân tử mạch thẳng và nhỏ sẽ bị hòa tan và sau đó liên hợp lại tạo thành dạng gel Nhiệt độ hồ hóa của các loại tinh bột là một khoảng nhiệt độ chứ không phải là một điểm Tùy vào điều kiện như nhiệt độ, nguồn gốc, kích thước hạt mà nhiệt độ phá vỡ và trương nở của tinh bột biến đổi trên một khoảng lớn, như bảng 1.2 dưới đây [13]

10 Bảng 1.2 Nhiệt độ hồ hóa của một số loại tinh bột

Tinh bột từ loại thực vật Khoảng nhiệt độ hồ hóa (

1.4.3 Tính chất hóa học của tinh bột

Quá trình oxi hóa tinh bột trong môi trường kiềm hypochlorite là một trong những phản ứng tạo ra nhóm cacboxyl và cacbonyl Quá trình này sẽ làm giảm chiều dài mạch tinh bột kèm theo tăng khả năng tan trong nước Các nhóm hydroxyl có thể tiến hành este hóa, ete hóa, Ngoài ra các nhóm này còn có thể phản ứng với aldehyde trong môi trường acid khi nó sẽ xảy ra phản ứng nối mạng giữa các phân tử tinh bột tạo ra sản phẩm không tan trong nước [14]

Phản ứng thủy phân giữa các đơn vị glucose bằng acid hay enzyme là một trong các tính chất hóa học quan trọng của tinh bột Tinh bột dù là ở dạng hạt ban đầu hay đã bị hồ hóa thì đều có thể bị thủy phân bằng acid, còn enzyme thì chỉ thủy phân tốt khi tinh bột ở dạng hồ hóa Cả hai đều thủy phân tinh bột bằng cách thủy phân liên kết α-D (1,4) – glucose Sự giảm nhanh về độ nhớt và sinh ra saccharose là đặc trưng của phản ứng này Các nhóm hydroxyl trong tinh bột có thể bị oxy hóa thành aldehyde hay cetone và tạo thành các nhóm cacboxyl [15]

11 Hình 1.5 Phản ứng thủy phân của tinh bột Tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên khi tương tác với các chất bị hấp thụ thì bề mặt bên trong và bên ngoài của chúng đều tham gia Vì vậy trong quá trình bảo quan tinh bột, chúng ta cần quan tâm đến điều này Các ion liên kết với tinh bột có ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của chúng Khả năng này phụ thuộc vào cấu trúc bên trong và khả năng hấp thụ của chúng

Ngoài ra, tinh bột còn có khả năng tạo phức với iode và với một số chất hữu cơ khác như: các alcohol no, alcohol thơm và các cetone phân tử khối thấp

1.4.4 Tinh bột biến tính

Nhìn chung, tinh bột biến tính có thành phần tương tự như tinh bột thường Nhưng theo nghiên cứu, tinh bột biến tính sau khi trải qua quá trình biến tính sẽ làm giảm mắt xích trong cấu tạo tinh bột tạo ra các mạch ngắn hơn so với các mạch ban đầu Chính vì vậy, mạch phân tử của TBBT có độ linh động cao hơn, tạo ra được nhiều liên kết bền hơn tinh bột chưa biến tính Ngoài ra, TBBT còn có tính ổn định nhiệt và chịu được trong môi trường acid tốt hơn tinh bột chưa biến tính [16] Một số phương pháp biến tính tinh bột có thể kể đến như phương pháp hóa học, phương pháp enzyme, phương pháp vật lý Ngoài ra, ta còn có thể sử dụng phương pháp thủy phân bằng acid để oxi hóa hồ tinh bột [17]

1.4.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng làm giá thể cho xương

Các vật liệu composite trên nền tinh bột đang được sử dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng tương thích và phân hủy sinh học tuyệt vời cùng với chi phí thấp, nguồn cung dồi dào, có nguồn gốc từ thiên nhiên và tính an toàn khi sử dụng

12 Một trong những ứng dụng được nghiên cứu nhiều nhất hiện nay là dùng làm giá thể để tái tạo xương Trong nghiên cứu của Beh Chong You và các cộng sự, khung xương nano Hydroxylapatite/Tinh bột cho thấy khả năng phân hủy sinh học tuyệt vời sau 14 ngày ngâm với dung dịch mô phỏng cơ thể SBF cùng với sự hình thành khoáng apatite trên bề mặt khung xương đã mở ra hướng nghiên cứu cho việc chế tạo vật liệu tái tạo xương [18] Gomes và các cộng sự của ông cũng đã chứng minh rằng, giá thể làm từ tinh bột hỗ trợ sự gắn kết, tăng sinh và biệt hóa của các tế bào mô đệm tủy xương [19] Tawari và các cộng sự đã chứng minh rằng mặc dù hình thái và các tính chất cơ học của giá thể được điều chỉnh thông qua các kỹ thuật xử lý khác nhau nhưng đặc tính tương hợp của vật liệu composite làm từ tinh bột vẫn không bị ảnh hưởng [20] Bên cạnh các nghiên cứu đã được nêu như trên, còn có rất nhiều nghiên cứu khác đã được công bố trong giới khoa học trên thế giới liên quan đến tinh bột, các tính chất và sự ứng dụng của nó vào thực tiễn

1.5 Polyvinyl alcohol

1.5.1 Tổng quan về polyvinyl alcohol

Polyvinyl alcohol (PVA) là một polymer tổng hợp mạch thẳng và có dạng xoắn ốc, có công thức phân tử là (-CH2-CHOH-)n .Trọng lượng phân tử của nó dao động từ 20.000 đến 40.000 g/mol [21] Do bản chất không ổn định, PVA không được tổng hợp bằng cách trùng hợp rượu vinyl Nó được tổng hợp thương mại bằng cách thủy phân hoàn toàn hoặc một phần vinyl axetate với sự có mặt của một baze, do đó các nhóm este được thay thế bằng các nhóm hydroxyl [22] PVA có thể phân hủy sinh học, tương thích sinh học, ưa nước, không độc hại, sở hữu cơ học tốt, tính linh hoạt và chi phí tương đối thấp PVA có sẵn ở dạng hạt, màng, khung, gel, lưới, thảm, vật liệu tổng hợp,…[23], [24]

Hình 1.6 Công thức phân tử của PVA

13

1.5.2 Tính chất hóa lý của PVA

PVA có khối lượng phân tử riêng nằm trong khoảng 1.19 – 1.31 (g/cm3), điểm nóng chảy của nó là 180 - 190 °C tùy thuộc vào cách thức tổng hợp và phân tử khối của nó Với sự có mặt nhóm hydroxide trong công thức giúp PVA có tính ưa nước [25] Ở nhiệt độ thường, PVA có độ hòa tan trong nước thấp, độ bám dính cao do bề mặt ưa nước và không hòa tan trong dung môi hữu cơ, este, ceton và hydrocarbon thơm Polyvinyl alcohol có đặc tính tạo màng, nhũ hóa và kết dính tốt [26] Nó có độ bền kéo cao và tính mềm dẻo, cũng như các đặc tính ngăn oxy và mùi cao Tuy nhiên, những tính chất này phụ thuộc vào độ ẩm Nước hấp thụ ở độ ẩm cao hơn đóng vai trò như một chất hóa dẻo, làm giảm độ chịu kéo của polymer, nhưng lại làm tăng độ giãn nở của nó [27]

1.5.3 Tình hình ứng dụng của Polyvinyl Alcohol

Từ các tính chất nổi trội có được, PVA và các vật liệu polymer tổng hợp từ PVA được sử dụng để sản xuất hydrogel có các đặc điểm hình thái và tính chất cơ lý thú vị Ngày nay, PVA được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực từ kỹ thuật sang y học

Trong kỹ thuật, PVA được sử dụng cho màng để phân tách hóa học, hấp phụ các kim loại, pin nhiên liệu và bao bì Trong công nghiệp, PVA được sử dụng để chế tạo các loại ống dẫn, cao su, dây đai vận chuyển, chất kết dính cho giấy bìa, hàng dệt, da [28] Trong y sinh, PVA cung cấp môi trường vi mô cho sụn để bôi trơn khớp Nhờ đặc tính tương thích, phân hủy sinh học tốt và không độc hại, PVA được ứng dụng vào kỹ thuật cấy ghép xương Vật liệu tổng hợp PVA với tinh bột, gelatin với acid polylactic có khả năng phân hủy sinh học và tăng cường độ bền kéo trong ứng dụng y sinh [24] Hydrogel PVA kết hợp với Hydroxylapatite (HA) giúp tăng cường khả năng hấp thụ protein và tạo độ bám dính chắc chắn cho các mô xương [29]

14 Hình 1.7 Một số ứng dụng nổi bật của PVA trong y sinh

1.6 Hydroxylapatite (HA)

1.6.1 Tổng quan về Hydroxylapatite

Apatite là một thuật ngữ chung cho các khoáng chất kết tinh có thể được biểu diễn bằng công thức M10(PO4)6X2, trong đó M là thành phần có thể thay thế từ các cation kim loại hóa trị II bao gồm Ca2+, Ba2+, Mg2+, Zn2+, Sr2+, Mn2+,… và X là thành phần có thể thay thế từ các anion hóa trị I bao gồm: (OH)- , Cl-, F-, Br-,…nhưng thành phần hóa học thường thấy trong tự nhiên của Hydroxylapatite là Ca10(PO4)6(OH)2 [30] Tùy thuộc vào thành phần của M và X mà các hợp chất họ apatite sẽ có tên và tính chất khác nhau HA nguyên chất chứa 39,68% khối lượng Canxi, 18% khối lượng phospho dẫn đến tỉ lệ Ca/P rơi vào khoảng 1,67 [31] HA chiếm đến hơn 50% trọng lượng của xương, là thành phần rất quan trọng trong cấu trúc của xương tự nhiên Vì vậy, nó có khả năng tương thích sinh học (khả năng liên kết trực tiếp với mô xương) và hoạt tính sinh học tốt [32] Hoạt tính sinh học được thể hiện qua việc khi được cấy ghép vào cơ thể người, vật liệu sẽ tương tác với môi trường cơ thể và giải phóng ra các ion Ca2+ , PO43-, OH- Chúng sẽ kết hợp với các protein sinh ra trong quá trình trao đổi chất và dần dần tạo lớp khoáng apatite trên bề mặt vật liệu, làm cầu nối cho sự gắn kết giữa giá thể và xương tự nhiên Từ đó xương hỏng sẽ được sửa chữa và làm đầy [33] Những điều này cho thấy HA là một trong những vật liệu sáng giá để ứng dụng vào lĩnh vực cấy ghép và tái tạo xương Giá trị Ca/P càng gần 1,67 thì HA bên trong cơ thể người càng ổn định Người ta cũng đã chỉ ra độ bền cơ học của HA tăng lên khi tỷ lệ Ca/P tăng và độ bền cơ học lớn nhất khi tỷ lệ Ca/P ~ 1,67

15 Hình 1.8 Cấu trúc tinh thể của HA

Trong số các phương pháp kể trên, các hạt tinh thể nano HA được tạo thành nhiều nhất từ việc nung xương động vật ở nhiệt độ cao (thường là trên 700 oC), bởi vì đây là các nguyên liệu có nhiều trong tự nhiên, phù hợp với các tiêu chí như giá thành thấp, bảo vệ môi trường, khả năng tương hợp sinh học và hoạt tính sinh học của sản phẩm tạo thành

16 tốt hơn các phương pháp còn lại Hydroxylapatite được tạo thành từ việc nung xương gà ở 700 oC đã được Soo-Ling Bee và các cộng sự chế tạo để tổng hợp màng Chitosan/Hydroxylapatite ứng dụng trong nha chu [34] S.Mondal và cộng sự [35] đã chế tạo HA từ xương cá tra để tạo giá thể từ kỹ thuật xương thay thế Tác giả Hồ Quốc Phong và nhóm nghiên cứu của ông đã khảo sát HA nung từ xương cá tra ở 1000 oC cho hạt tinh thể HA có kích thước khoảng 100 nm và kích thước hạt khoảng 1,1µm [36] Từ đó chúng ta thấy HA tạo thành từ xương động vật là phương pháp thường được người nghiên cứu lựa chọn trong việc chế tạo nên các hạt HA ở kích thước nano cho các hoạt tính sinh học phù hợp với các ứng dụng y sinh

1.6.3 Tình hình ứng dụng của Hydroxylapatite

Hydroxylapatite là một vật liệu đặc biệt hấp dẫn để cấy ghép xương và răng vì nó gần giống với khoáng chất của răng và xương của động vật có xương sống và đã được chứng minh là tương thích sinh học với các mô này, vì vậy nó được ứng dụng rất phổ biến trong chỉnh hình và nha khoa [37]

Giá thể trên nền tinh bột gạo và HA do M.Riza Roslan và cộng sự [38] tạo thành cho ứng dụng chế tạo khung mô xương cho kết quả khi tăng tỷ lệ tinh bột thì độ xốp tăng và mật độ giảm Màng composite trên nền chitosan và hydroxylapatite đã được Z.A.Abdul Hamid [34] sử dụng làm vật liệu phủ trong cấy ghép nha chu cho kết quả tăng quá trình hình thành và tái cấu trúc xương Petricca và cộng sự [39] đã phát triển vật liệu tổng hợp dựa trên PLGA/HA (PLGA: Poly Lactic –co – glycolide) với các đặc tính và tính chất cơ học được cải thiện và có thể sử dụng làm giá thể thay thế xương Ngoài ra, HA còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác bao gồm xử lý nước, vận chuyển thuốc, chế phẩm bổ sung canxi, cảm biến sinh học và màng kháng khuẩn [40]

Hình 1.9 Một số ứng dụng nổi bật của HA

Ba dạng cấu trúc tinh thể của ZnO bao gồm lập phương đơn giản (Cubic Rocksalt), lập phương giả kẽm (Zinc Blend) và lục phương (hexagonal wurtzite) [42] được mô tả như hình 1.10 (hình cầu màu xám biểu thị cho Zn và hình cầu màu đen biểu thị cho O)

Hình 1.10 Các dạng cấu trúc tinh thể của ZnO Ở nhiệt độ và áp suất thường, ZnO có cấu trúc lục phương Wurtzite với các ion Zn2+ bao quanh tứ diện O2- và ngược lại Sự phối trí tứ diện này tạo nên sự đối xứng phân cực dọc lục phương tạo thành những tính chất đặc biệt của ZnO Vì vậy, nó được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như kỹ thuật điện tử, laser UV, đầu dò quang UV, cảm biến khí, cảm biến sinh học, cảm biến hóa học và chất kháng khuẩn [42]

1.7.2 Ứng dụng của ZnO

Hạt nano kẽm oxit cũng có các đặc tính quang, điện và xúc tác quang ứng dụng trong pin mặt trời, quang xúc tác, linh kiện điện tử nền spin và sản xuất thiết bị điện tử Hạt nano oxit kẽm cũng có cấu trúc cứng nên rất hữu ích trong ngành công nghiệp gốm sứ

18 Trong công nghiệp sản xuất cao su, có khoảng 50% lượng ZnO trên thế giới được sử dụng làm chất hoạt hóa trong quá trình lưu hóa cao su [42]

Hạt nano ZnO cũng được biết đến với độc tính thấp và khả năng hấp thụ tia cực tím cao khiến nó trở thành một ứng cử viên sáng giá được sử dụng trong lĩnh vực y sinh Một trong những ưu điểm của việc sử dụng hạt nano oxit kẽm trong lĩnh vực y sinh là do chúng hoạt động như một vật liệu bề mặt tốt, vì vậy nó được biết đến như một chất đề kháng mạnh mẽ của vi khuẩn Vì những lý do này, hạt nano oxit kẽm được sử dụng rộng rãi trong sản xuất mỹ phẩm, vật liệu y tế, cảm biến sinh học, vận chuyển thuốc, vận chuyển gen và y học nano Cơ quan quản lý thực phẩm và dược phẩm đã phê duyệt oxit kẽm là vật liệu an toàn Kẽm oxit cũng có thể hòa tan trong môi trường axit, điều này tạo cơ hội cho vật liệu này được phát hiện dưới dạng chất mang nano đa chức năng để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân phối và giải phóng thuốc [43]

Ngoài ra, ZnO còn được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác, từ đó chúng ta có thể thấy được nó là một vật liệu vô cùng tiềm năng, được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực và sớm sẽ trở thành loại vật liệu có nhiều đóng góp to lớn cho khoa học nhất trong tương lai

1.7.3 Vai trò của Zn đến khả năng hình thành và phát triển xương

Kẽm rất cần thiết cho sự phát triển của con người và động vật Xương chậm phát triển là một phát hiện phổ biến trong các tình trạng khác nhau liên quan đến thiếu kẽm, cho thấy vai trò sinh lý của kẽm đối với sự phát triển và khoáng hóa của mô xương Hàm lượng kẽm trong xương bị giảm do quá trình phát triển và lão hóa của con người dẫn đến xương bị mất đi Vì vậy thiếu kẽm có thể được xem như là một bệnh lý trong sự suy giảm chuyển hóa xương Kẽm cần thiết cho sự tăng trưởng, phát triển và duy trì xương khỏe mạnh [44]

Kẽm đã được chứng minh là có tác dụng kích thích quá trình hình thành và khoáng hóa xương, là kim loại trực tiếp kích hoạt aminoacyl-tRNA synthetase trong các tế bào nguyên bào xương và kích thích quá trình tổng hợp protein của tế bào Từ đó cho thấy kẽm có tác dụng kích thích tạo xương trong việc nuôi cấy và tái tạo xương Hơn nữa, kẽm ức chế quá trình tiêu hủy xương do hủy cốt bào bằng cách ức chế sự hình thành tế bào giống hủy cốt bào từ các tế bào tủy Vì vậy, kẽm đóng vai trò như một yếu tố giúp xương bảo tồn khối lượng, xem như là một loại thuốc chống loãng xương [45]

19 Việc thêm nano ZnO vào giá thể composite nhằm mục tiêu thúc đẩy sự hình thành khoáng apatite, đây là thành phần chính của xương tự nhiên Hi vọng sự hiện diện của kẽm sẽ tăng cường khả năng hình thành xương mới của vật liệu, giúp xương tăng trưởng, phát triển và duy trì tốt khi được cấy ghép vào cơ thể sống và từ đó giúp tăng khả năng ứng dụng của giá thể composite TB/PVA/HA/ZnO trong ứng dụng làm giá thể xương

1.8 Nanocomposite TB/PVA/HA/ZnO

Giá thể composite kết hợp với các polymer sinh học có khả năng phân hủy sinh học tốt đang là một trong những giải pháp hiệu quả trong nghiên cứu chế tạo vật liệu làm giá thể xương hiện nay nhờ có nguồn gốc từ thiên nhiên và mang tính hợp lý về kinh tế Tinh bột về bản chất là một polymer có nguồn gốc tự nhiên, có các tính chất phù hợp để chọn làm nguyên liệu chế tạo giá thể nhờ khả năng tương thích sinh học và phân hủy sinh học tốt [10] Tuy nhiên, khi cho tinh bột hòa tan với nước, tính chất cơ học, độ ổn định nhiệt và khả năng xử lý rất thấp Để khắc phục vấn đề nay, việc nghiên cứu kết hợp giữa tinh bột và một số polymer tổng hợp sinh học khác được đề xuất và các polymer kết hợp cần phải có các tính chất tương ứng và phải giúp cải thiện các đặc tính của giá thể Từ những điều kiện đó, Polyvinyl alcohol (PVA) là một sự lựa chọn hợp lý PVA có thể phân hủy sinh học tốt trong mô xương và trong chất lỏng Ngoài ra, nó còn có khả năng tương thích sinh học, tính ưa nước, tính linh hoạt, tính cơ học tốt, không độc hại và chi phí tương đối thấp [4] Vật liệu tổng hợp PVA với tinh bột, gelatin có khả năng phân hủy sinh học và độ bền kéo được tăng cường trong ứng dụng y sinh [24]

Với ứng dụng làm giá thể xương, HA được xem là một thành phần cần có trong nguyên liệu của giá thể composite với chức năng tái tạo xương Ngoài ra, các hạt nano HA còn giúp giá thể cải thiện độ bền cơ học, nhờ tương tác của các các hạt nano với hỗn hợp polymer composite lồng ghép vào nhau [46] Nghiên cứu của B.K.Tan và các cộng sự, hydrogel PVA phủ Hydroxylapatite giúp tăng cường khả năng hấp thụ protein và khả năng tạo độ bám dính chắc chắn cho các mô xương Hydrogel PVA/HA thúc đẩy tính dẫn điện của xương, hoạt tính sinh học và tăng khả năng kết hợp với thuốc Ngoài ra Hydrogel PVA/HA đa lớp còn tăng cường tính chất cơ học và cải thiện cấu trúc xốp [28] Nghiên cứu của Beh Chong You và các cộng sự [18] về tính chất điện môi và khả năng phân hủy sinh học của khung xương HA/TB khi ngâm chúng với dung dịch mô phỏng cơ thể SBF đã cho thấy đặc tính phân hủy sinh học tốt của các khung xương ở nhiều tỉ

20 lệ HA khác nhau sau 14 ngày ngâm Đồng thời cũng chỉ ra sự tạo thành lớp khoáng apatite trên bề mặt khung xương, từ đó đánh giá về khả năng hình thành xương mới của vật liệu làm giá thể khi có mặt HA

Để kích thích quá trình hình thành và khoáng hóa xương, các hạt nano ZnO đã được thêm vào giá thể composite với chức năng giúp xương tăng trưởng, phát triển và duy trì xương khỏe mạnh Ngoài ra, ZnO còn có chức năng ức chế quá trình hủy cốt bào, giúp các tế bào xương không bị mất mác, bảo tồn khối lượng của xương, từ đó giúp phòng ngừa loãng xương ở người lớn tuổi [45] Hurley đã xem xét các tác động gây quái thai do thiếu kẽm, bao gồm sự phát triển bất thường ở xương sườn và đốt sống, sự phát triển của xương dài, bàn chân khoèo ở loài chuột [47] Đối với giá thể composite, các hạt nano ZnO sẽ kết hợp cùng với HA cải thiện độ bền cơ học của giá thể Hezma và các cộng sự đã chứng minh sự có mặt của các nano ZnO trong vật liệu nano composite Chitosan/Polyvinylalcohol giúp tăng cường đáng kể độ bền cơ học, ổn định nhiệt và hoạt tính kháng khuẩn của hỗn hợp polymer [46]