báo cáo polyme phân hủy sinh học PLAHAP

MỞ ĐẦU Hiện nay, nghành phẫu thuật chấn thương chỉnh hình có nhiều loại vật liệu khác dùng làm nẹp vít cố định xương trình thay hàn gắn xương như: Thép không gỉ 316L, hợp kim Coban (CoNiCrMo), titan kim loại hợp chất titan (Ti6A14V, TiN, TiO2) Những vật liệu nhìn chung có độ bền lý hóa khả tương thích cao với môi trường dịch thể người Tuy nhiên số trường hợp cấy ghép cụ thể vật liệu kim loại hợp kim nhiều bị ăn mòn dẫn đến phản ứng đào thải làm giảm tuổi thọ vật liệu gây khó chịu định cho bệnh nhân Để nâng cao tính tương đồng sinh học mô thể người với bề mặt vật liệu đáp ứng yêu cầu vật liệu sử dụng lĩnh vực cấy ghép xương, nhiều công trình nghiên cứu tổng hợp composit nano HAp polime phân hủy sinh học nhằm tạo sản phẩm y sinh có chất lượng phù hợp với nhu cầu người PLA polyme nhiệt dẻo đa nên ứng dụng ngày nhiều lĩnh vực kỹ thuật nhờ có độ cứng lớn, có khả tương hợp sinh học phân hủy sinh học Do độ bền kéo cao tỷ trọng nhẹ so với kim loại nên PLA dùng làm vỏ bọc viên thuốc, nẹp đỡ phẫu thuật chỉnh hình, khâu vết thương…trong y tế Sau thời gian sử dụng định thể người, chúng phân hủy mà không gây độc hại thể [28] Tuy nhiên số nhược điểm giòn, độ dãn dài đứt thấp, dễ bị thủy phân, quy trình điều chế phức tạp giá thành cao hạn chế khả sử dụng Để khắc phục nhược điểm này, PLA trộn hợp với polyme khác hay với chất độn nhiều phương pháp khác để tạo polyme blend compozit có tính chất mong muốn, đáp ứng yêu cầu sử dụng [1] Hydroxyapatit (HAp) có công thức hóa học Ca 10(PO4)6(OH)2 Trong tự nhiên HAp tồn dạng khoáng chất, thuộc họ apatit khoáng chất khung xương, người động vật HAp có nhiều ứng dụng y sinh học đặc tính quý giá chúng: Có hoạt tính độ tương thích sinh học cao với tế bào, mô, không bị thể đào thải [35] Tuy nhiên, nhược điểm HAp có độ bền học thấp Để khắc phục nhược điểm tận dụng ưu điểm HAp, nghiên cứu chế tạo tổ hợp compozit cách phân tán bột HAp vào polyme sinh học collagen, chitosan, xenluloza, PLA…trong PLA polyme lựa chọn ưu điểm vốn có Vật liệu nanocompozit PLA/HAp tổng hợp nghiên cứu tính chất nước[24] Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu sử dụng chất phụ gia chất hóa dẻo, chất tương hợp để tăng cường tuơng tác phân tán nano HAp vào PLA, nâng cao tính chất lý nhằm đáp ứng yêu cầu vật liệu lĩnh vực cấy ghép xương I TỔNG QUAN 1.1 Hydroxyapatit (HAp) 1.1.1 Tính chất vật lý Hydroxyapatit (HAp) với công thức Ca10(PO4)6(OH)2 tồn trạng thái tinh thể, có màu trắng, trắng ngà, vàng, nâu xanh lơ nóng chảy nhiệt độ 1760oC sôi nhiệt độ 2850oC Ở 25oC, khả hoà tan 100g nước HAp 7g (0,7g/l), trọng lượng phân tử 1004,6 trọng lượng riêng 3,156g/ml, độ cứng theo thang Mohs Cấu trúc ô mạng sở tinh thể HAp bao gồm ion Ca 2+, PO43- OH- Ô mạng có dạng hình lục phương (hecxagonal), thuộc nhóm không gian P6 3/m với số mạng a = 0,9417 nm, b = 0,9417 nm, c = 0,6875 nm, α = β = 90 o γ = 120o Đây cấu trúc thường gặp HAp nhân tạo HAp tự nhiên xương Hình 1.1 Cấu trúc HAp Tuỳ theo phương pháp tổng hợp khác (như phương pháp kết tủa, phương pháp sol-gel, phương pháp siêu âm hoá học ) điều kiện khác trình tổng hợp (như thay đổi nhiệt độ phản ứng, pH, tốc độ nạp liệu, thời gian già hoá sản phẩm ) mà tinh thể HAp tồn hình dạng khác hình que, hình kim, hình sợi, hình vảy, hình trụ hình cầu [30] Các dạng tồn tinh thể HAp nhận biết nghiên cứu phương pháp kính hiển vi điện tử quét EM Hình 1.2) [4] a) Hình vảy b) Hình cầu c) Hình sợi Hình 1.2 Một số hình dạng khác HAp 1.1.2 Tính chất hóa học Công thức cấu tạo phân tử HAp thể hình 1.3, nhận thấy phân tử HAp có cấu trúc mạch thẳng, liên kết Ca-O liên kết cộng hoá trị Hai nhóm -OH gắn với nguyên tử P hai đầu mạch Hình 1.3 Công thức cấu tạo phân tử HAp [25] Về mặt hoá học, HAp có số tính chất sau đây: - HAp không phản ứng với kiềm, phản ứng với axit tạo thành muối canxi nước: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl → 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O - (1.1) HAp tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm khoảng nhiệt độ từ 800 oC đến 1200oC tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng: Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10-x(PO4)6(OH)2-4xOx + 2xH2O + xCaO ( 1.2) - - Ở nhiệt độ lớn 1200oC, HAp bị phân huỷ thành chất khác nhóm canxi photphat tuỳ theo điều kiện Ví dụ tạo thành β-Ca3(PO4)2 hay tetra canxi photphat Ca4P2O9 phương trình sau: Ca10(PO4)6(OH)2 → 2β-Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + 2H2O (1.3) Ca10(PO4)6(OH)2 → 3β-Ca3(PO4)2 + CaO + H2O (1.4) Không có tính bền lý đủ để thay thế, cấy ghép hoàn toàn cho vùng xương chịu tải nặng thể HAp thường sử dụng dạng bột biến thể bột Bột HAp khó nung kết khối nung dễ bị phân huỷ biến đổi thành phần Nguyên nhân HAp bị phân huỷ tạo thành sản phẩm khác hệ CaO-P 2O5 Để sản xuất khối HAp thành sản phẩm thương mại đòi hỏi phải nung kết nhiệt độ khoảng 1000oC Khi HAp kích thước nano, mật độ tiếp xúc bề mặt sinh học tăng phù hợp với kích thước khoáng xương nên hoạt tính bột HAp tăng lên Ngoài việc kết khối vật liệu trở nên dễ dàng nhiều 1.1.3 Tính chất sinh học Canxi photpho nguyên tố tồn xương răng, chúng tồn tự nhiên dạng flo-apatit Ca 10(PO4)6F2, hợp chất khoáng có tên chung "apatit" Các apatit hợp chất bền hoá, có thành phần tương tự khoáng xương Tuỳ thuộc tỉ lệ Ca/P, pH, diện nước, nhiệt độ, độ tinh khiết sản phẩm mà ta thu pha khác [10] Nói chung vật liệu làm từ canxi photphat có khả chống lại công vi khuẩn, thay đổi pH điều kiện dung môi Tuy nhiên, nhóm vật liệu có tính bền thấp, diện tích bề mặt riêng nhỏ (2 - 5m 2/g) liên kết tinh thể bền chặt Trong đó, thành phần khoáng xương (kích thước nano) có diện tích bề mặt riêng lớn, phát triển môi trường hữu cơ, liên kết tinh thể lỏng lẻo Đặc điểm tạo khác khả hấp thụ chúng [6, 21] Hợp chất HAp tương đối bền với dịch men tiêu hóa, chịu ảnh hưởng dung dịch axit dày Ở dạng bột mịn kích thước nano, HAp thể hấp thụ nhanh qua niêm mạc lưỡi thực quản Vì vậy, bột HAp kích thước nano dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu cao Nhờ ưu việt kể trên, vật liệu HAp ứng dụng y dược dạng sau: dạng bột dùng làm thuốc bổ xung canxi, dạng gốm dùng để nối xương, chỉnh hình chữa xương, dạng màng phủ kim loại hợp kim có độ bền ăn mòn độ bền học cao (thép không gỉ 316L, titan, TiN, Ti6Al4V) dùng làm nẹp để vít xương) dạng compozit dùng để làm thẳng xương, làm kẹp nối làm chất mang thuốc [23] 1.1.4 Các phương pháp tổng hợp HAp Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu từ HAp dạng khác triển khai từ lâu giới đạt thành tựu đáng kể Các nghiên cứu tập trung vào tổng hợp HAp dạng bột mịn siêu mịn phương pháp khác khảo sát đặc tính để nâng cao khả ứng dụng chúng Ở dạng này, nhà nghiên cứu cố gắng điều chế HAp kích thước nano (20 100 nm) để góp phần nâng cao khả hấp thụ thể Để tổng hợp HAp dạng bột, người ta thường dùng phương pháp sau: phương pháp kết tủa, phương pháp sol-gel hay phương pháp kết tinh từ dung dịch bão hoà, phương pháp siêu âm hoá học, phương pháp phun sấy phương pháp hoá Trong luận văn sử dụng bột HAp tổng hợp phương pháp kết tủa hóa học Phương pháp kết tủa học Đây phương pháp để tổng hợp HAp dựa vào phản ứng kết tủa từ dung dịch [7] Phương pháp Hayek Stadlman [27] sử dụng rộng rãi cách tiến hành đơn giản đồng thời cho lượng mẫu lớn độ tinh khiết cao Phản ứng kết tủa hóa học HAp tổng hợp từ Ca(NO 3)2 (NH4)2HPO4 sau: 10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH = Ca10(PO4)6(OH)2 + 6H2O + 20NH4NO3 (1.5) Đầu tiên dung dịch có chứa (NH 4)2HPO4 điều chỉnh pH ≥10 dung dịch NH4OH, sau cho vào dung dịch Ca(NO3)2 điều chỉnh pH ≥10, sau phản ứng đạt cân thu hỗn hợp dung dịch chứa HAp Dựa vào số phân ly axit H 3PO4 thấy có ion HPO 42- bị ảnh hưởng pH trên, tránh đồng kết tủa muối canxi photphat Muối amoni bị thăng hoa nung sản phẩm nhiệt độ 250˚C Sản phẩm phụ phản ứng phụ thuộc vào pH môi trường tổng hợp, tỉ lệ dư hai cấu tử, nhiệt độ tổng hợp điều kiện ổn định pha tinh thể Hệ tạo sản phẩm với tỉ lệ HAp ≥ 93%, phần lại chủ yếu tricanxi photphat, phần nhỏ < 0,1% sản phẩm phụ 1.1.5 Ứng dụng HAp Hydroxyapatit sử dụng rộng rãi lĩnh vực y học [27] Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn ngày tương đối thấp nên cần bổ sung canxi cho thể, đặc biệt với trẻ người cao tuổi Canxi có thức ăn thuốc thường nằm dạng hợp chất hòa tan nên khả hấp thụ thể không cao thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ chuyển hóa canxi thành HAp Một phương pháp hữu hiệu để bổ sung canxi cho thể sử dụng HAp dạng bột mịn, kích thước nano Với kích thước khoảng 20 – 100nm, HAp hấp thụ trực tiếp vào thể mà không cần phải chuyển hóa thêm Vật liệu gốm xốp HAp có tính tương thích sinh học cao, có nhiều lỗ liên thông với nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho xâm nhập mô sợi mạch máu, có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng Nhờ đặc tính mà HAp dạng gốm xốp dùng để chế tạo giả sửa chữa khuyết tật HAp dạng gốm xốp dùng để chế tạo chi tiết để ghép xương sửa chữa khuyết tật xương 1.1.6 Hydroxyapatit biến tính (HAp-bt) Nhằm cải thiện khả ghép HAp với polyme, HAp biến tính với nhiều chất khác chitosan, silica axit lactic (LA) Otto Carl Wilson cộng tiến hành biến tính HAp chitosan Tổng lượng chitosan hấp phụ HAp 2,8-3,1% khối lượng Diện tích bề mặt riêng HAp tăng lên sau làm già dung dịch gel chitosan acetat đạt giá trị cao 160 m2/g so với 85 m2/g HAp HAp biến tính dodecyl ancol axit lactic nhằm cải thiện khả ghép HAp với polyme Các nghiên cứu hiệu suất ghép HAp biến tính cao nhiều so với HAp không biến tính đặc biệt tính chất lý vật liệu composit HAp-polyme nâng lên rõ rệt đáp ứng yêu cầu làm nẹp vít xương chất lượng cao cho vùng xương chịu tải trọng nặng [19, 31] Trong loại vật liệu compozit, độ tương tác thành phần thành phần phân tán vấn đề quan tâm yếu tố quan trọng định tính chất - lý vật liệu Một phương pháp để cải thiện độ phân tán ghép trực tiếp polyme lên bề mặt chất phân tán 1.2 Polyaxit lactic (PLA) 1.2.1.Tính chất Đơn vị cấu thành PLA axit lactic hay axit 2-hydroxypropanoic, có cacbon nhóm chức axit cacboxylic hydroxyl bất đối xứng, tồn hai dạng đồng phân đối quang L- D-axit lactic Hầu hết dạng axit lactic thấy nguồn tự nhiên dạng L(+), ngược lại dạng D(-) gặp Cacbon bất đối xứng làm tăng tính lập thể (diastereoisome) (isotactic, syndiotactic hetero – atactic) mạch PLA polyme, tùy thuộc vào hướng tương đối nhóm metyl trình phát triển mạch polyme axit lactic Polyme từ axit lactic có đơn vị lặp lại hai dạng kết hợp, tùy thuộc vào nguồn monome [2] Hình 1.4: Hai dạng cấu hình LA Do axit lactic tồn dạng đồng phân không gian nên polyaxit lactit tạo thành có dạng cấu hình: D,D-lactit (gọi D- lactit), L,L- lactit(L-lactit) L,D- lactit D,L- lactit (meso-lactit) (trong đó, D L lactit có hoạt tính quang học meso không nên PLA có nhiều loại khác Nói chung PLA thương mại thường copolyme L-lactit D-lactit Để ứng dụng lĩnh vực y sinh người ta thường sử dụng cấu hình dạng L (PLLA) có cấu trúc tinh thể nên có khả tương thích sinh học với thể người tốt PLA chủ yếu điều chế theo phương pháp trùng hợp mở vòng đime lactit Các polyme có hàm lượng dạng L lớn dùng để tạo polyme kết tinh, vật liệu có chứa hàm lượng D lớn (> 15 %) dạng vô định hình [1] PLA polyme dễ gia công, khả tương hợp tốt có khả phân huỷ sinh học Tốc độ phân huỷ, tính chất lý thay đổi khoảng rộng phụ thuộc vào khối lượng phân tử (KLPT), thành phần cấu trúc kết tinh PLA Hàm lượng D- lactit có PLA dùng để điều chỉnh độ kết tinh tính chất PLA thu Độ tan PLA phụ thuộc vào KLPT, độ kết tinh PLA tan dung môi clorua hay florua hữu cơ, đioxan, furan, axeton, pyridin, etyl lactat, tetrahydrofuran, xylen, etylaxetat, dimetylsulfoxit, N,N-dimetylfocmamit metyl etyl xeton Nó không tan nước, rượu (metanol, etanol, propylen glycol) hydrocarbon chưa (hexan, heptan) PLA polyme bán tinh thể, có độ cứng cao, dễ tạo thành nếp gấp, độ bền mài mòn học cao, mođul lớn, độ bền kéo đứt lớn khả dãn dài độ mềm dẻo không cao so với poly etylen (PE) hay poly propylen (PP) Để tăng khả mềm dẻo PLA, người ta thường đưa vào chất hóa dẻo polyetylen glycol, polycaprolacton… Tuy nhiên số nhược điểm giòn, độ dãn dài đứt thấp, dễ bị thủy phân, quy trình điều chế phức tạp giá thành cao hạn chế khả sử dụng Để khắc phục nhược điểm này, PLA trộn hợp với polyme khác hay với chất độn nhiều phương pháp khác để tạo polyme blend compozit có tính chất mong muốn, đáp ứng yêu cầu sử dụng [1] 1.2.2 Phương pháp tổng hợp Trên giới, phương pháp chủ yếu để tổng hợp PLA là: Trùng ngưng trùng hợp mở vòng lactit Trùng ngưng trực tiếp axit lactic thực có mặt xúc tác áp suất thấp thu PLA có khối lượng phân tử thấp (khoảng vài chục nghìn đ.v.C) Trùng ngưng đồng sôi hay gọi trùng ngưng đẳng phí thu PLA có KLPT lớn lên đến 300.000 độ tinh khiết cao Các phương pháp trùng hợp gồm có trùng hơp trạng thái rắn (SSP), trùng hợp nóng chảy trùng hợp mở vòng lactit (ROP) trùng hợp mở vòng ROP sử dụng nhiều Phương pháp ROP cho PLA có KLPT lớn (từ 2,0x10 đến 6,8x105), độ lập thể cao gồm giai đoạn: Tạo vòng đime lactit mở vòng trùng hợp tạo polymer 1.2.3 Ứng dụng 10 hạt HAp PLA tăng lên đáng kể, quan sát đám HAp tích tụ lại có màu trắng hình ảnh SEM Kết kết luận khả phân tán HAp PLA giảm tăng hàm lượng HAp hay nói cách khác giảm tỷ lệ PLA: HAp 80/20 70/30 60/40 40/60 30/70 20/80 Hình 3.19: Ảnh SEM nanocompozit PLA/HAp tổng hợp tỷ lệ PLA: HAp khác Độ bền kéo đứt modun đàn hồi vật liệu nanocompozit PLA/HAp tổng hợp tỷ lệ % khối lượng PLA: HAp khác thể hình 3.20 Khi tỷ lệ PLA: HAp giảm tương ứng với tăng hàm lượng HAp, modun đàn hồi độ bền kéo đứt vật liệu giảm Ở tỷ lệ PLA: HAp 80/20 vật liệu nanocompozit PLA/HAp có độ bền kéo đứt modun đàn hồi đạt giá trị lớn (10 MPa 900 MPa) Từ kết nghiên cứu này, tỷ lệ PLA:HAp 80/20 lựa chọn để tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp phương pháp dung dịch cho nghiên cứu 28 1000 80/20 80/20 60/40 §ébÒnkÐo 800 70/30 70/30 60/40 40/60 30/70 600 20/80 M odun®µnhåi(M P a) ®øt (M Pa ) 10 40/60 30/70 20/80 400 200 Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn độ bền kéo đứt modun đàn hồi nanocompozit PLA/HAp tổng hợp tỷ lệ khác 3.3 Ảnh hưởng thời gian phản ứng Thời gian phản ứng ảnh hưởng đến phân tán HAp PLA Thời gian tăng giúp cho phân tử HAp khuếch tán tốt dung môi làm tăng phân tán PLA Trong phần này, tkhảo sát ảnh hưởng thời gian tổng hợp 30 phút, đến khả phân tán HAp với tỷ lệ PLA:HAp 80/20, dung môi DCM Trong trình phân tán, HAp PLA liên kết với liên kết hydro Do nhóm chức cabonyl có độ phân cực lớn nên liên kết tạo thành nhóm -OH HAp nhóm –C=O cấu trúc phân tử PLA Thời gian phản ứng (thời gian tương tác) HAp PLA ảnh hưởng đến hình thành liên kết Do ảnh hưởng đến dao động nhóm chức vật liệu thu Hình 3.21 giới thiệu phổ IR mẫu nanocompozit PLA/HAp tổng hợp với thời gian 30 phút, Phổ IR nanocompozit PLA/HAp bị dịch chuyển nhẹ so với PLA HAp độc lập Với thời gian phản ứng khác tần số dao động nhóm không thay đổi Như vậy, thời gian phản ứng không ảnh hưởng đến phổ IR vật liệu nanocompozit PLA/HAp 29 Hình 3.21: Phổ IR vật liệu PLA/HAp tổng hợp thời gian phản ứng khác Thời gian phản ứng ảnh hưởng đến phân tán HAp PLA nên làm thay đổi hình thái vật liệu tạo thành Ảnh SEM vật liệu nanocompozit thời gian phản ứng khác được giới thiệu hình 3.22 Ảnh SEM cho thấy, hạt HAp có dạng hình trụ phân bố PLA Khi thời gian tăng từ 30 phút lên mật độ HAp tăng lên cách rõ rệt tăng lên mật độ HAp không tăng Như vậy, thời gian phản ứng thích hợp 30 a b c Hình 3.22: Hình ảnh SEM nanocompozit PLA/HAp tổng hợp thời gian phản ứng khác nhau: a) 30 phút; b) giờ; c) 3.4 Ảnh hưởng chất tương hợp HAp PLA hai hợp chất có chất hóa học khác nên khả phân tán HAp PLA với có mặt dung môi khó khăn Để khắc phục nhược điểm người ta đưa thêm chất tương hợp vào trình tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp Với mục đích tổng hợp vật liệu ứng dụng y sinh nên chất tương hợp sử dụng phải tương thích sinh học hay nói cách khác có khả tự phân hủy học thành chất không gây hại thể sống Trong khuôn khổ luận án em sử dụng hai chất tương hợp polycaprolacton (PCL) polyetylen glycol (PEG) 31 Hình 3.23 giới thiệu ảnh SEM vật liệu nanocompozit sử dụng PCL PEG 5% khối lượng so với PLA Với có mặt chất tương hợp PCL PEG, hạt HAp phân bố đồng so với chất tương hợp So sánh khả cải thiện độ phân tán HAp hai chất tương hợp cho thấy PEG có tác dụng làm HAp phân tán tốt PCL Do đó, PEG chọn làm chất tương hợp trình tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp phương pháp dung dịch a c b Hình 3.23: Ảnh SEM vật liệu PLA/HAp với ảnh hưởng chất tương hợp: (a) chất tương hợp; (b) 5% PCL (c) 5% PEG Để khẳng định lại kết ảnh SEM, em tiến hành đo độ bền kéo đứt mẫu vật liệu có mặt chất tương hợp PCL PEG Hình 3.24 đồ thị biểu diễn độ bền kéo đứt mẫu vật liệu Sự có mặt chất tương hợp làm tăng độ bền kéo đứt vật liệu Khi sử dụng PEG vật liệu có độ bền kéo đứt cao Kết phù hợp với kết ảnh SEM phân tích 32 §é bÒn kÐo ®øt (MPa) 5% PEG 12 10 5% PCL 0% Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn độ bền kéo đứt vật liệu nanocompozit PLA/HAp với 5% PCL PEG Để đánh giá ảnh hưởng hàm lượng PEG đến tính chất lý vật liệu nanocompozit em so sánh độ bền kéo đứt vật liệu tổng hợp với hàm lượng phần trăm khối lượng PEG 5% 10% Kết xác định độ bền kéo đứt vật liệu cho thấy 10%PEG cho giá trị độ bền kéo đứt vật liệu nanocompozit thấp so với 5% PEG Điều giải thích PEG chất hóa dẻo nên hàm lượng PEG cao làm giảm độ bền kéo đứt vật liệu Vì lựa chọn 5% PEG làm chất tương hợp cho trình tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp phương pháp dung dịch 12 5% PEG 10% PEG §é bÒn kÐo ®øt (MPa) 10 33 Hình 3.25 Độ bền kéo đứt vật liệu nanocompozit PLA/HAp với hàm lượng PEG khác Từ kết nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến hình thái tính chất vật liệu nanocompozit PLA/HAp tổng hợp phương pháp dung dịch, em lựa chọn điều kiện thích hợp sau: tỷ lệ phần trăm khối lượng PLA: HAp 80/20, dung môi điclorometan, thời gian phản ứng giờ, 5% PEG 3.5 Vật liệu nanocompozit PLA/HAp-bt Độ tương tác thành phần thành phần phân tán vấn đề quan tâm trình chế tạo vật liệu nanocompozit yếu tố quan trọng định tính chất - lý vật liệu Như phần 3.2.1.4 đưa thêm chất tương hợp nhằm giúp cho HAp phân tán tốt PLA Trong phần em sử dụng HAp biến tính axit lactic monome PLA nhằm cải thiện khả phân tán HAp trình tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp phương pháp dung dịch Tôi sử dụng điều kiện tổng hợp nanocompozit PLA/HAp-bt tương tự điều kiện thích hợp để tổng hợp nanocompozit PLA/HAp phương pháp dung dịch, dung môi điclorometan, thời gian phản ứng 5% PEG, thay đổi tỷ lệ phần trăm khối lượng PLA: HAp-bt 70/30 60/40 Phổ IR vật liệu nanocompozit PLA/HAp-bt tổng hợp với hai tỷ lệ PLA:HAp-bt 70/30 60/40 thể hình 3.26 So sánh với phổ PLA HAp cho thấy vật liệu nanocompozit PLA/HAp-bt tổng hợp hai tỷ lệ 70/30 60/40 xuất pic đặc trưng HAp PLA theo bảng 3.1 Phổ IR vật liệu PLA/HAp-bt có dịch chuyển số liên kết so với HAp PLA độc lập Cụ thể, nhóm liên kết OH- HAp, pic dao động nhóm tương ứng 3572 cm-1, PLA/HAp-bt pic nhóm tương ứng với tần số 3625 cm-1 Nhóm C=O phân tử PLA có tần số 1760 cm-1 PLA/HAp- bt bị dịch chuyển tới số sóng 1772 cm-1 Nhóm CH3 CH PLA bị dịch chuyển từ 2997 cm -1 2950 cm-1 34 thành 2991 cm1 2945 cm-1 PLA/HAp-bt Như tỷ lệ PLA : HAp-bt không ảnh hưởng phổ IR vật liệu nanocompozit PLA/HAp- bt Hình 3.26: Phổ IR nanocompozit PLA/HAp-bt tổng hợp tỷ lệ 70/30 60/40 Hình 3.27 giới thiệu ảnh SEM vật liệu PLA/HAp (80/20), PLA/HAp-bt (70/30) PLA/HAp-bt (60/40) Ảnh SEM cho thấy HAp-bt có khả phân tán tốt HAp không biến tính, nhiên với tỷ lệ PLA: HAp 70/30 hạt HAp-bt phân bố tỷ lệ 60/40, với hàm lượng HAp-bt 40% quan sát rõ tượng hạt HAp-bt bị co cụm a b 35 c Hình 3.27: Ảnh SEM mẫu PLA/HAp: 80/20 (a), PLA/HAp-bt: 70/30 (b) PLA/HAp-bt: 60/40 (c) Độ bền kéo đứt mẫu nanocompozit PLA/HAp PLA/HAp-bt thể hình 3.28 Giá trị độ bền kéo đứt vật liệu PLA/HAp-bt tổng hợp tỷ lệ 70/30 gần xấp xỉ với vật liệu PLA/HAp (80/20) Kết cho thấy, biến tính axit lactic khả tương tác HAp với PLA tăng lên mà không ảnh hưởng đến độ bền kéo đứt vật liệu Tuy nhiên với hàm lượng HAp-bt tăng lên đến 40% độ bền kéo đứt vật liệu giảm xuống co cụm HAp-bt Tỷ lệ PLA: HAp-bt 70/30 thích hợp để tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp-bt phương pháp dung dịch §é bÒn kÐo ®øt (MPa) 10 PLA/HAp: 80/20 PLA/HAp bt: 70/30 PLA/HAp bt: 60/40 36 Hình 3.28: Đồ thị biểu diễn độ bền kéo đứt mẫu PLA/HAp: 80/20, PLA/HAp-bt:70/30 PLA/HAp-bt: 60/40 KẾT LUẬN Giới thiệu khái quát PLA, HAP, compozit PLA/HAp phương pháp tổng hợp ứng dụng chúng Vật liệu nanocompozit PLA/HAp tổng hợp phương pháp dung dịch Tỷ lệ PLA: HAp, dung môi, thời gian phản ứng, chất tương hợp ảnh hưởng đến hình thái, độ bền kéo modun đàn hồi vật liệu HAp biến tính axit lactic tăng khả tương tác PLA HAp Đã lựa chọn điều kiện thích hợp tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp: PLA:HAp 80/20, PLA:HAp-bt 70/30, dung môi điclorometan, thời gian phản ứng giờ, 5% PEG 37 Đã thực mô vật liệu nanocompozit PLA/Hap dung dịch mô thể người SBF đạt kết tốt, vật liệu tương thích tốt dung dịch Đã thực biến tính vật liệu nanocompozit PLA/Hap dung môi điclorometan, thời gian phản ứng 5% PEG, thay đổi tỷ lệ phần trăm khối lượng PLA: HAp-bt 70/30 60/40 cho vật liệu có độ bền lý tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Đỗ Văn Công (2010), Nghiên cứu hình thái cấu trúc tính chất polyme blend phân hủy sinh học sở poly axit lactic copolyme etylen – vinyl axetat có CaCO3 biến tính, Luận án Tiến sỹ Hóa học, Hà Nội Trần Vĩnh Diệu, Đoàn Thị Yến Oanh, Nguyễn Phạm Duy Linh, Lê Đức Lượng (2008), Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme phân hủy sinh học sở nhựa polylactic axit gia cường sợi nứa (Neohouzeaua dulloa), Tạp chí Hóa học, Số 3, 345-351 Phạm Ngọc Hiếu (2012), Tổng hợp điện hóa nghiên cứu đặc trưng hóa lý 38 10 màng hydroxyapatit TIN/ Thép không gỉ 316L, Luận văn Thạc sĩ hóa học, Đại học Sư phạm Hà Nội Vũ Duy Hiển (2009), Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng hóa lý Hydroxyapatit dạng khối xốp có khả ứng dụng phẫu thuật chỉnh hình, Luận án tiến sĩ hóa học, Viện Hóa học Thái Hoàng, Nguyễn Thị Thu Trang (2011), Nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme tổ hợp chitosan/polyaxit lactic có sử dụng polycaprolacton làm chất tương hợp, Tạp chí Khoa học Công nghệ Trần Vĩnh Hoàng, Nguyễn Thanh Hoàng, Nguyễn Thị Lan Anh, Trần Đại Lâm (2008), Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ lên kích thước độ tinh thể Hydroxyapatit kích thước nano, tạp chí phân tích Lý – Hóa – Sinh học, tập 13, Số 2, tr 55-60 Nguyễn Thế Huyên (2011), Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng hóa lý màng Hydroxyapatit thép không gỉ 316L, Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hóa học, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Đoàn Thị Yến Oanh (2010), Nghiên cứu chế tạo compozit sinh học polyme gia cường sợi nứa, Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Thu Phương (2010), Chế tạo vật liệu composit sở PbO ứng dụng làm anôt trơ hệ bảo vệ catot dòng cho thép cacbon môi trường đất, Luận văn Thạc sĩ hóa học, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Lê Anh Tuấn (2009), Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit polyme – Hydroxyapatit cho mục đích ứng dụng y sinh, Đề tài nghiên cứu khoa học – công nghệ, Viện Hóa học – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam Tiếng Anh 11 Araujo A.B.A., Lemos AF., Ferreira J.M.F (2008), Rheological, microstructural, and in vitro characterization of hybird chitosan – polylactic acid/hydroxyapatite composite, Journal of Biomedical Materials Research, Part A, published online, April 2, pp 916-922 12 Balkcorn M, Welt B., Berger K (2000), Notes from the Packaging Laboratory: Polylactic acid – An exciting new packaging material, University of Florida, ABE 339 39 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Buddy D Ratner (2006), Engineering the Biointerface for Enhanced Bioelectrode and Biosenser Performance, Department of bioengineering and Chemical Engineering, University of Washington Engineered Biomaterials (UWEB) Cao Li-yun, Zhang chuan-bo, Huang Jian-feng (2005), Influence of temperature, [Ca2+], Ca/P ratio and ultrasonic power on the crystallinity and morphology of hydroxyapatite nanoparticles prepared with a novel ultrasonic precipitation method, Mater, Vol.59, pp 1902-1906 Chen L., Tang C.Y., Chen D.Z., Wong C.T., Tsui C.P (2011), Fabrication and characterization of poly-D-L-lactide/nano-hydroxyapatite composite scaffolds with poly (ethylene glycol) coating and dexamethasone releasing, pp 1842 – 1849 Dey A., Mukhopadhyay A.K., Gangadharan S., Sinha M.K., Basu D., Bandyopadhyay N.R (2009), Nanoindentation study of microplasma sprayed hydroxyapatite coating, Ceremics Internationnal 35, pp 22952304 Dieu T V, et al (2005), Study on How to improve Mechanical Properties of PLA with Bamboo Fibers, New trends in Technology towards Sustainable Development, Proceedings, RSCE, November 30th-December 2nd Dobrzynski P., Kasperczyk J., Bero M (1999), Application of Calcium Acetylacetonate to the Polymerization of Glycolide and Copolymerization of Glycolide with ε-Caprolactone and l-Lactide, Macromolecules, Vol 32, No 14, pp 4735–4737 Dongmei Luo, Lin Sang, Xiaoliang Wang, Songmei Xu, Xudong Li (2011), Low temperature, pH-triggered synthesis of collagen–chitosan– hydroxyapatite nanocomposites as potential bone grafting substitutes, Materials Letters, 65, pp 2395–2397 EPIC (2000), Environment and plastics industry council, Technical report, Biodegradable polymers: A review, November, 24 Fei Chen, Zhou-Cheng Wang, Chang-Jian Lin (2012), Preparation and characterization of nano-sized Hydroxyapatite particle and Hydroxyapatite/chitosan nano-compozit for use in biomedical materials, Mater, Vol 57, pp 858-861 40 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 Ferego G., Cella G D., Basitoli C (1996), Effect of molecular weight and crystallinity of poly (lactic acid) mechanical properties, Journal of Applied Polymer Science, Vol 59, pp 37 – 43 Florence Barrere, Margot M.E.Snel, Clemens A.van Blitterswijk, Klaas de Groot, Pierre Layrolle (2004) Nano-scale study of the nucleation and growth of calcium phosphate coating on titanium implants, Science Direct, 25, p 2901- 2910 Fukue Nagata, Tatsuya Miyajima, Yoshiyuki Yokogawa (2006), A method to fabricate hydroxyapatite/poly(lactic acid) microspheres intended for biomedical application, pp 533–535 Gingbing Liu, Kunwei Li, Hao Wang, Mankang Zhu, Haiyan Xu, Hui Yan (2005), Self-Assembly of Hydroxyapatite Nanostructures by Microwave Irradiation, Advanced Materials, Vol.10, Issue 1, p 49-53 Gupta A P., Kumar V (2007), New emerging trends in synthetic biodegradable polymers – Polylactide, A critique, European Polymer Journal, Vol 43, pp 4053–4074 Hayek, Stadlman , Pina Barba C., Munguia N (2005), Stroichiometric Hydroxyapatite Obtained by Precipitation and Sol – gel Processes, Rrevista Mexicana de Fisica, Vol 51, No3, pp 284-293 Henton D E, Gruder P, Lunt J, Randall J (2005), Polylactic Acid Technology, Natural Fibers, Biopolymers and Biocomposites, pp 527 – 577 Hong-ping Zhang, Xiong Lu, Yang Leng, Liming Fang, Shuxin Qu, Bo Feng, Jie Weng, Jianxin Wang (2009), Molecular dynamics simulations on the interaction between polymers and hydroxyapatite with and without coupling agents, Acta Biomaterialia 5, pp 1169-1181 http://en.wikipedia.org/wiki/ Hydroxyapatite Huaxin Di, Yunjing Si, Aiping Zhu, Lijun Ji, Hong Chan Shi (2012), Surface modified nano-hydroxyapatite/poly (lactic acid) composit and its osteocyte compatibility Materials Sience & Enggineering C Itatani K, Iwafune K., Scott Howell F., Aizawa M (2000), Precipitation on various calcium – phosphate powders by ultrasonic spray freeze – drying technique, Master Res Bull., 35, pp 575-585 Joziasse C A P, Grijpma D W (1998), The influence of morphology on the 41 34 35 hydrolytic degradation of as-polymerized and hot-drawn poly(L-lactide), Colloid Polymer Science, Vol 276, 968 Kasioptas Argyrios, Perdikouri Christina, Putnis Christine V., Putnis Andrew (2008), Pseudomorphic replacement of single calcium carbonate crystals by polycrystalline apatite, Mineralogical Magazine, Vol 72(1), pp 77 – 80 Krylova E.A., Ivanov A.A., Krylov S.E., Plashchina I.G., Nefedov P.V (2004), Hydroxyapatite – Alginate Structure as Living Cells Supporting System, N.N Emanuel Institute of Biochemical physics RAS, Russia 42 [...]... tác sinh học cao nên có nhiểu ứng dụng trong y sinh Tuy nhiên, tính chất cơ lý của HAp không đáp ứng được yêu cầu của vật liệu y sinh Trong khi đó, PLA là một polime có khả năng 11 phân hủy sinh học tốt nên việc ghép HAp lên bề mặt PLA tạo ra vật liệu có thể đáp ứng được yêu cẩu của vật liệu sử dụng trong y sinh PLA có vai trò như một chất mang (pha liên tục) trong nanocompozit PLA/HAp, HAp (pha phân. .. compozit gồm pha liên tục và pha phân tán Pha liên tục gọi là vật liệu nền để liên kết các pha phân tán Pha phân tán hay còn gọi là vật liệu tăng cường, được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính [8] PLA là polyme có nhiều tính chất tốt, dễ gia công, khả năng tương hợp và phân huỷ sinh học nên được sử dụng nhiều trong tổng hợp các compozit có ứng dụng trong y sinh PLA có vai trò như một chất... bản chất hóa học khác nhau nên khả năng phân tán của HAp trong nền PLA với sự có mặt của dung môi là rất khó khăn Để khắc phục nhược điểm này người ta có thể đưa thêm chất tương hợp vào quá trình tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp Với mục đích tổng hợp vật liệu ứng dụng trong y sinh nên chất tương hợp được sử dụng phải tương thích sinh học hay nói cách khác là có khả năng tự phân hủy học thành những... bị phân tích Shimadzu TGA-50H (Nhật Bản) tại trường Đại học Sư phạm Hà Nội III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Tổng hợp và nghiên cứu tính chất vật liệu nanocompozit PLA/HAp bằng phương pháp dung dịch 3.1 Ảnh hưởng của dung môi 24 Độ phân cực của dung môi ảnh hưởng đến khả năng phân tán của HAp lên PLA Trong phần này tôi khảo sát hai dung môi phân cực là đimetylfocmamit (DMF), điclorometan (DCM) và dung môi phân. .. định được hằng số mạng a Những thí nghiệm phân tích cấu trúc pha của vật liệu nanocompozit PLA/HAp được thực hiện trên máy X-ray Diffractometer Bruke D5005, phát tia bằng cực anôt đồng, λ = 1,54056 Ao Thiết bị có tại Viện Khoa học vật liệu 2.2.3 Phân tích nhiệt trọng lượng TGA Phân tích nhiệt là phương pháp phân tích mà trong đó các tích chất vật lý cũng như hóa học của mẫu được đo một cách liên tục như... sấy khô ở 50oC và cân khối lượng, phân tích (EM, IR, X-Ray) và đo pH của dung dịch SBF 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) Phổ hồng ngoại dùng để xác định cấu trúc phân tử của chất nghiên cứu dựa vào những tần số đặc trưng trên phổ của các nhóm chức trong phân tử Khi chiếu bức xạ hồng ngoại vào phân tử chất nghiên cứu, trong bản thân các phân tử luôn có các trạng thái... Thời gian phản ứng có thể ảnh hưởng đến sự phân tán của HAp trong nền PLA Thời gian tăng có thể giúp cho các phân tử HAp khuếch tán tốt hơn trong dung môi và làm tăng sự phân tán trong nền PLA Trong phần này, tôi tkhảo sát ảnh hưởng của thời gian tổng hợp 30 phút, 2 giờ và 4 giờ đến khả năng phân tán của HAp với tỷ lệ PLA:HAp 80/20, dung môi DCM Trong quá trình phân tán, HAp và PLA sẽ liên kết với nhau... pháp dung dịch trong SBF sau các khoảng thời gian khác nhau để đánh giá hoạt tính sinh học của chúng (khả năng thúc đẩy 16 hình thành lớp apaptit) Các kết quả phân tích hình thái học cho thấy vật liệu compozit nhanh chóng đáp ứng với môi trường mô phỏng dung dịch cơ thể người và hứa hẹn khả năng ứng dụng làm vật liệu y sinh Lớp apatit tăng theo thời gian ngâm trong SBF và sau au 30 ngày thử nghiệm,... liệu của phổ dao động, người ta có thể đi đến một số đặc trưng về cấu trúc phân tử Dựa vào tần số (hoặc số sóng) đặc trưng của các nhóm chức người ta suy ra cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu Trong nghiên cứu này, dùng phổ IR xác định sự có mặt của các nhóm chức đặc trưng trong phân tử HAp như PO43-, OH- hay COO- trong phân tử PLA Mẫu sau khi đã tổng hợp, một lượng nhỏ (khoảng 1 mg) được ép viên... mặt riêng lớn và khả năng tương thích tuyệt vời của nanoHAp với xương tự nhiên Vật liệu nanocompozit PLA/HAp được sử dụng trong việc thay thế hoặc cấy ghép xương 1.3.4 Hoạt tính sinh học của compozit PLA/nanoHAp Hoạt tính sinh học của của vật liệu khung compozit PLLA/nano HAp đã được tiến hành bằng cách ngâm chúng vào chất lỏng mô phỏng dung dịch cơ thể người (SBF) Để đánh giá khả năng hình thành apatit,