MỞ ĐẦU Vật liệu y sinh đã và đang đƣợc nghiên cứu mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu thay thế các bộ phận cơ thể, cấy ghép mô, xƣơng của con ngƣời, hứa hẹn cho việc chữa trị và tái tạo các mô và cơ quan bị mất hoặc bị tổn thƣơng do chấn thƣơng, bệnh tật hoặc lão hóa. Trong lĩnh vực vật liệu dùng cho xƣơng, nhiều loại vật liệu dùng trong cấy ghép và thay thế xƣơng đã phát triển đáng kể trong những thập kỷ qua nhƣ kim loại và hợp kim (titan, hợp kim của titan, thép không rỉ...). Những vật liệu này tuy tƣơng hợp sinh học nhƣng tính chất cơ lý của kim loại, hợp kim khác biệt nhiều so với xƣơng dẫn đến nguy cơ gãy xƣơng do kém tƣơng thích giữa phần xƣơng tiếp xúc với kim loại ghép. Vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới hiện nay quan tâm đến vật liệu trên cơ sở Hydroxyapatite (HAp) và biphase calcium phosphate (BCP). HAp và BCP có tính tƣơng hợp sinh học, hoạt tính sinh học cao, và khả năng chữa lành xƣơng do thành phần tƣơng tự thành phần khoáng trong xƣơng. Mặt khác, HAp và BCP có thể từ từ hòa tan trong cơ thể giải phóng ion calcium và phosphate có lợi trong việc hình thành và phát triển xƣơng. Tuy nhiên HAp và BCP ở dạng bột nên khó tạo hình có thành phần, cấu trúc xốp tƣơng tự nhƣ xƣơng. Hydrogel composit trên cơ sở BCP và polymer sinh học có thành phần, cấu trúc xốp tƣơng tự xƣơng, tƣơng hợp sinh học, suy giảm sinh học và BCP thúc đẩy sự tạo khoáng, cải thiện tính chất cơ học của vật liệu. Nhƣng các vật liệu này suy giảm nhanh, chƣa phù hợp với sự phát triển của xƣơng. Để giải quyết vấn đề trên cần thiết phải biến tính các polymer sinh học nhằm giảm khối lƣợng suy giảm, hƣớng tới ứng dụng các vật liệu hydrogel composit này trong cấy ghép và tái tạo xƣơng. Trên cơ sở đó, chúng tôi đề xuất đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu mới trong cấy ghép và tái tạo xƣơng trên cơ sở hydrogel composit sinh học gồm biphasic calcium phosphate và polymer sinh học (gelatin, chitosan)”. Mục tiêu của luận án: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu mới trên cơ sở hydrogel composit sinh học gồm biphasic calcium phosphate và polymer sinh học (gelatin, chitosan) nhằm mục đích tạo ra vật liệu có khả năng tƣơng hợp sinh học, kích thích sự phát triển xƣơng, có thời gian suy giảm phù hợp với thời gian xƣơng phát triển để có thể ứng dụng trong lĩnh vực cấy ghép và tái tạo xƣơng. Nội dung nghiên cứu luận án bao gồm: - Nghiên cứu tổng hợp nano BCP bằng phƣơng pháp kết tủa kết hợp sóng siêu âm ứng dụng trong vật liệu sinh y. - Nghiên cứu tổng hợp và xác định các tính chất của hydrogel tyramin gelatin (TA-Gelatin) và hydrogel composit TA-Gelatin/BCP. - Nghiên cứu tổng hợp và xác định các tính chất của hydrogel tyramin polyethyleneglycol gelatin (TA-PEG-Gelatin) và hydrogel composit TAPEG-Gelatin/BCP. - Nghiên cứu tổng hợp và xác định các tính chất của hydrogel hydroxyphenyl acetic chitosan (HPA-Chitosan) và hydrogel composit HPAChitosan /BCP. - Nghiên cứu tổng hợp và xác định các tính chất của hydrogel tyramin tetronic chitosan (TA-TE-Chitosan) và hydrogel composit TA-TEChitosan/BCP. - Nghiên cứu tổng hợp và xác định các tính chất của hydrogel tyramin polyethyleneglycol chitosan (TA-PEG-Chitosan) và hydrogel composit TAPEG-Chitosan/BCP.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU NGUYỄN THỊ PHƢƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU MỚI TRONG CẤY GHÉP VÀ TÁI TẠO XƯƠNG TRÊN CƠ SỞ HYDROGEL COMPOSIT SINH HỌC GỒM BIPHASIC CALCIUM PHOSPHATE VÀ POLYMER SINH HỌC (GELATIN, CHITOSAN) LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KHOA HỌC VẬT LIỆU THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH-2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU NGUYỄN THỊ PHƢƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU MỚI TRONG CẤY GHÉP VÀ TÁI TẠO XƯƠNG TRÊN CƠ SỞ HYDROGEL COMPOSIT SINH HỌC GỒM BIPHASIC CALCIUM PHOSPHATE VÀ POLYMER SINH HỌC (GELATIN, CHITOSAN) Chuyên ngành: VẬT LIỆU CAO PHÂN TỬ VÀ TỔ HỢP Mã số: 62440125 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KHOA HỌC VẬT LIỆU Những ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN CỬU KHOA TS TRẦN NGỌC QUYỂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH-2015 LỜI CÁM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Cửu Khoa TS Trần Ngọc Quyển, người Thầy dành cho động viên giúp đỡ tận tình định hướng khoa học hiệu suốt trình thực luận án Tôi xin cảm ơn giúp đỡ khích lệ cán bộ, đồng nghiệp khác Viện Khoa học vật liệu ứng dụng – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Tôi xin cảm ơn giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi Viện Khoa học vật liệu tơi q trình thực luận án Luận án hỗ trợ kinh phí đề tài nghiên cứu Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED), mã số 104.04-2011.49 Sau cùng, xin cảm ơn thực quên giúp đỡ tận tình thầy cô, bạn bè, anh em xa gần động viên, tạo điều kiện người thân gia đình suốt q trình tơi hồn thành luận án Tp HCM, tháng 01 năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Phƣơng i LỜI CAM ĐOAN Cơng trình thực phịng Hóa dược − Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng − Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Thành phố Hồ Chí Minh Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu hướng dẫn khoa học PGS TS Nguyễn Cửu Khoa TS Trần Ngọc Quyển Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực, hoàn thành dựa kết nghiên cứu kết nghiên cứu chưa dùng cho luận văn cấp khác Tác giả luận án Nguyễn Thị Phƣơng ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.GIỚI THIỆU VẬT LIỆU DÙNG CẤY GHÉP VÀ TÁI TẠO XƢƠNG 1.1.1.Thành phần, cấu tạo xƣơng 1.1.2.Vật liệu dùng cấy ghép tái tạo xƣơng 1.2.HYDROGEL 12 1.2.1.Giới thiệu hydrogel 12 1.2.2.Tính chất hydrogel 20 1.3.HYDROGEL COMPOSIT 23 1.3.1.Giới thiệu hydrogel composit 23 1.3.2.Biphasic calcium phosphate 27 1.3.3.Polymer sinh học phản ứng biến tính, polyethyleneglycol hóa polymer sinh học (gelatin chitosan) 32 1.3.4.Ứng dụng hydrogel composit cấy ghép tái tạo xƣơng 37 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 42 2.1 HÓA CHẤT 42 2.2 THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ 43 2.3 PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 44 2.3.1 Tổng hợp BCP 44 2.3.2 Tổng hợp hydrogel composit TA-Gelatin/BCP 45 2.3.3 Tổng hợp hydrogel composit TA-PEG-Gelatin/BCP 46 2.3.4 Tổng hợp hydrogel composit HPA-Chitosan/BCP 48 2.3.5 Tổng hợp hydrogel composit TA-Te-Chitosan /BCP 50 2.3.6 Tổng hợp hydrogel composit TA-PEG-Chitosan/BCP 52 2.3.7 Tổng hợp hydrogel composit TA-PEG-Chitosan oxi hóa/BCP 55 iii 2.4 CÁC KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA HYDROGEL VÀ HYDROGEL COMPOSIT 58 2.4.1 Khảo sát thời gian tạo gel hydrogel hydrogel composit 58 2.4.2 Khảo sát hình thái hydrogel hydrogel composit 58 2.4.3 Khảo sát khối lƣợng suy giảm hydrogel hydrogel composit 58 2.4.4.Đánh giá tính tƣơng hợp sinh học hydrogel hydrogel composit 58 2.4.5 Khảo sát khả tạo khoáng hydrogel hydrogel composit 59 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 62 3.1 TỔNG HỢP BCP 62 3.1.1 Kết phân tích XRD BCP 62 3.1.2 Kết phân tích IR BCP 65 3.1.3 Kết khảo sát hình thái BCP hình ảnh SEM 66 3.2 HYDROGEL COMPOSIT TA-Gelatin/BCP 68 3.2.1 Tổng hợp TA-Gelatin 68 3.2.2 Tổng hợp hydrogel TA-Gelatin hydrogel composit TAGelatin/BCP 70 3.2.3 Khảo sát hình thái hydrogel TA-Gelatin hydrogel composit TA-Gelatin/BCP 73 3.2.4 Khảo sát khối lƣợng suy giảm sinh học hydrogel TA-Gelatin hydrogel composit TA-Gelatin/BCP 73 3.3 HYROGEL COMPOSIT TA-PEG-GELATIN/BCP 74 3.3.1 Tổng hợp TA-PEG-Gelatin 75 3.3.2 Tổng hợp hydrogel TA-PEG-Gelatin hydrogel composit TAPEG-Gelatin/BCP 80 iv 3.3.3 Khảo sát hình thái hydrogel TA-PEG-Gelatin hydrogel composit TA-PEG-Gelatin/BCP 82 3.3.4 Khảo sát khối lƣợng suy giảm sinh học hydrogel TA-PEGGelatin hydrogel composit TA-PEG-Gelatin/BCP 83 3.3.5 Đánh giá tính tƣơng hợp sinh học hydrogel TA-PEG-Gelatin hydrogel composit TA-PEG-Gelatin/BCP 84 3.3.6 Khảo sát khả tạo khoáng hydrogel TA-PEG-Gelatin hydrogel composit TA-PEG-Gelatin/BCP 86 3.4 HYROGEL COMPOSIT HPA-CHITOSAN/BCP 89 3.4.1 Tổng hợp HPA-Chitosan 89 3.4.2 Tổng hợp hydrogel HPA-Chitosan hydrogel composit HPAChitosan/BCP 91 3.4.3 Khảo sát hình thái hydrogel HPA-Chitosan hydrogel composit HPA-Chitosan/BCP 93 3.4.4 Khảo sát khối lƣợng suy giảm sinh học hydrogel HPAChitosan hydrogel composit HPA-Chitosan/BCP 93 3.5 HYROGEL COMPOSIT TA-Te-Chitosan 95 3.5.1 Tổng hợp TA-Te-Chitosan 95 3.5.2 Tổng hợp hydrogel TA-Te-Chitosan hydrogel composit TATe-Chitosan/BCP 100 3.5.3 Khảo sát hình thái hydrogel TA-Te-Chitosan hydrogel composit TA-Te-Chitosan/BCP 101 3.5.4 Khảo sát khối lƣợng suy giảm sinh học hydrogel TA-TeChitosan hydrogel composit TA-Te-Chitosan/BCP 102 3.5.5 Đánh giá tính tƣơng hợp sinh học hydrogel TA-Te-Chitosan hydrogel composit TA-Te-Chitosan/BCP 104 v 3.5.6 Khảo sát khả tạo khoáng hydrogel TA-Te-Chitosan hydrogel composit TA-Te-Chitosan/BCP 106 3.6 HYROGEL COMPOSIT TA-PEG-CHITOSAN/BCP 108 3.6.1 Tổng hợp TA-PEG-Chitosan 108 3.6.2 Tổng hợp hydrogel TA-PEG-Chitosan hydrogel composit TA-PEG-Chitosan/BCP 111 3.6.3 Khảo sát hình thái hydrogel TA-PEG-Chitosan hydrogel composit TA-PEG-Chitosan/BCP 113 3.6.4 Khảo sát khối lƣợng suy giảm sinh học hydrogel TA-PEGChitosan hydrogel composit TA-PEG-Chitosan/BCP 113 3.6.5 Đánh giá tính tƣơng hợp sinh học hydrogel TA-PEGChitosan hydrogel composit TA-PEG-Chitosan/BCP 114 3.6.6 Khảo sát khả tạo khoáng hydrogel TA-PEG-Chitosan hydrogel composit TA-PEG-Chitosan/BCP 117 3.7 HYROGEL COMPOSIT TA-PEG-CHITOSAN OXI HÓA/BCP 119 3.7.1 Tổng hợp TA-PEG-Chitosan oxi hóa 119 3.7.2 Tổng hợp hydrogel TA-PEG-Chitosan oxi hóa hydrogel composit TA-PEG-Chitosan oxi hóa/BCP 122 3.7.3 Khảo sát hình thái hydrogel TA-PEG-Chitosan oxi hóa hydrogel composit TA-PEG-Chitosan oxi hóa/BCP 124 3.7.4 Khảo sát khối lƣợng suy giảm sinh học hydrogel TA-PEGChitosan oxi hóa hydrogel composit TA-PEG-Chitosan oxi hóa/BCP 125 3.7.5 Đánh giá tính tƣơng hợp sinh học hydrogel TA-PEG-Chitosan oxi hóa hydrogel composit TA-PEG-Chitosan oxi hóa/BCP 126 3.7.6 Khảo sát khả tạo khoáng hydrogel TA-PEG-Chitosan oxi hóa hydrogel composit TA-PEG-Chitosan oxi hóa/BCP 128 vi 3.8 SO SÁNH CÁC HỆ HYDROGEL VÀ HYROGEL COMPOSIT TRÊN CƠ SỞ POLYMER SINH HỌC (GELATIN, CHITOSAN) VÀ BCP 130 KẾT LUẬN 135 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Sơ đồ tổng hợp BCP P1 Phụ lục 2: Sơ đồ tổng hợp TA-Gelatin P2 Phụ lục 3: Sơ đồ tổng hợp TA-PEG-Gelatin P3 Phụ lục 4: Sơ đồ tổng hợp HPA-Chitosan P4 Phụ lục 5: Sơ đồ tổng hợp TA-TE-Chitosan P5 Phụ lục 6: Sơ đồ tổng hợp TA-PEG-Chitosan P6 Phụ lục 7: Sơ đồ tổng hợp TA-PEG-Chitosan oxi hóa P7 Phụ lục 8: Xây dựng đƣờng chuẩn β-TCP P8 Phụ lục 9: Giản đồ XRD HAp β-TCP với tỉ lệ Ca/P=1,57 pH: (a) pH=7, (b) pH=9 (c) pH=11 P9 Phụ lục 10: Giản đồ XRD HAp β-TCP với tỉ lệ Ca/P=1,61 pH: (a) pH=7, (b) pH=9 (c) pH=11 P10 Phụ lục 11: Phổ FTIR HAp β-TCP với tỉ lệ Ca/P=1,57: (a) pH=7, (b) pH=9 (c) pH=11 P11 Phụ lục 12: Phổ FTIR HAp β-TCP với tỉ lệ Ca/P=1,61: (a) pH=7, (b) pH=9 (c) pH=11 P12 Phụ lục 13: Xây dựng đƣờng chuẩn độ hấp thu A nồng độ Tyramin P13 Phụ lục 14: Phổ FTIR gelatin P14 Phụ lục 15: Phổ FTIR TA-PEG-gelatin P14 vii Phụ lục 16: Giản đồ XRD (a) hydrogel TA-PEG-gelatin hydrogel composit TA-PEG-gelatin/BCP trƣớc ngâm dung dịch SBF, (b) hydrogel composit TA-PEG-gelatin/10%BCP sau ngâm dung dịch SBF P15 Phụ lục 17: Xây dựng đƣờng chuẩn độ hấp thu A nồng độ HPA P16 viii Phụ lục 3: Sơ đồ tổng hợp TAPEGgelatin P3 Phụ lục 4: Sơ đồ tổng hợp HPA-Chitosan P4 Phụ lục 5: Sơ đồ tổng hợp TATetronicchitosan P5 Phụ lục 6: Sơ đồ tổng hợp TAPEGchitosan P6 Phụ lục 7: Sơ đồ tổng hợp TAPEGchitosan oxi hóa P7 Phụ lục 8: Xây dựng đƣờng chuẩn HAp Tỷ lệ cƣờng độ đƣợc sử dụng để phân tích định lƣợng calcium phosphate hai pha chứa HAp β-TCP đƣợc xác định nhƣ sau [106]: R1 = Lập đƣờng chuẩn R1 theo lƣợng %HAp Bảng P.1: R1 theo lƣợng %HAp % khối lƣợng HAp R1 0,05 0,12 0,20 0,28 0,35 0,41 0,46 10 15 20 25 30 35 Hình P.1: Đƣờng chuẩn HAp P8 Phụ lục 9: Xây dựng đƣờng chuẩn β-TCP Tỷ lệ cƣờng độ đƣợc sử dụng để phân tích định lƣợng calcium phosphate hai pha chứa HAp β-TCP đƣợc xác định nhƣ sau [106]: R2 = Lập đƣờng chuẩn R2 theo lƣợng % β-TCP Bảng P.2: R2 theo lƣợng % β-TCP % khối lƣợng β-TCP 10 20 25 30 35 R2 0,8 1,25 1,45 1,9 2,2 2,4 2,7 15 Hình P.2: Đƣờng chuẩn β-TCP P9 Phụ lục 10: Giản đồ XRD HAp β-TCP với tỉ lệ Ca/P=1,57 pH: (a) pH=7, (b) pH=9 (c) pH=11 P10 Phụ lục 11: Giản đồ XRD HAp β-TCP với tỉ lệ Ca/P=1,61 pH: (a) pH=7, (b) pH=9 (c) pH=11 P11 Phụ lục 12: Phổ FTIR HAp β-TCP với tỉ lệ Ca/P=1,57: (a) pH=7, (b) pH=9 (c) pH=11 P12 Phụ lục 13: Phổ FTIR HAp β-TCP với tỉ lệ Ca/P=1,61: (a) pH=7, (b) pH=9 (c) pH=11 P13 Phụ lục 14: Xây dựng đƣờng chuẩn độ hấp thu A nồng độ tyramin Tiến hành đo độ hấp thu A bƣớc sóng 270nm ta có độ hấp thu dung dịch tyramin chuẩn nhƣ sau: Bảng P.3: Độ hấp thu dung dịch TA chuẩn bƣớc sóng 270nm Nồng độ dung dịch STT chuẩn C (mg/ml) Độ hấp thu A 0,3000 2,1601 0,1500 1,0877 0,0750 0,5631 0,0375 0,3124 0,0188 0,1976 0,0094 0,1112 Từ ta dựng đƣợc đồ thị đƣờng chuẩn nhƣ sau: Hình P.3: Đồ thị đƣờng chuẩn TA Từ đồ thị ta có phƣơng trình đƣờng chuẩn sau: A = 7,0128C+ 0,0484 P14 Phụ lục 15: Phổ FTIR gelatin Phụ lục 16: Phổ FTIR TA-PEG-gelatin P15 Phụ lục 17: Giản đồ XRD (a) hydrogel TA-PEG-gelatin hydrogel composit TA-PEG-gelatin/BCP trƣớc ngâm dung dịch SBF, (b) hydrogel composit TA-PEG-gelatin/10%BCP sau ngâm dung dịch SBF P16 Phụ lục 18: Xây dựng đƣờng chuẩn độ hấp thu A nồng độ HPA Tiến hành đo độ hấp thu A bƣớc sóng 270nm ta có độ hấp thu dung dịch HPA chuẩn nhƣ sau: Bảng P.4: Độ hấp thu dung dịch HPA chuẩn bƣớc sóng 270nm Nồng độ dung dịch STT chuẩn C (mg/ml) Độ hấp thu A 0,3 2,16017 0,15 1,08772 0,075 0,56313 0,0375 0,31239 0,01875 0,19764 0,009375 0,11120 Từ ta dựng đƣợc đồ thị đƣờng chuẩn nhƣ sau: Hình P.4: Đồ thị đƣờng chuẩn HPA Từ đồ thị ta có phƣơng trình đƣờng chuẩn sau: A = 6,3435C + 0,0514 P17 ... VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU NGUYỄN THỊ PHƢƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU MỚI TRONG CẤY GHÉP VÀ TÁI TẠO XƯƠNG TRÊN CƠ SỞ HYDROGEL COMPOSIT SINH. .. xƣơng sở hydrogel composit sinh học gồm biphasic calcium phosphate polymer sinh học (gelatin, chitosan)? ?? Mục tiêu luận án: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu sở hydrogel composit sinh học gồm biphasic calcium. .. tính polymer sinh học nhằm giảm khối lƣợng suy giảm, hƣớng tới ứng dụng vật liệu hydrogel composit cấy ghép tái tạo xƣơng Trên sở đó, đề xuất đề tài ? ?Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cấy ghép tái tạo