“Tổng hợp nano Hydroxyapatit và khảo sát hoạt tính hấp phụ Tetracyline”

Báo cáo luận văn này nghiên cứu một số điều kiện tổng hợp Hydroxyapatit có kích thước nano bằng phương pháp kết tủa từ nguyên liệu rẻ tiền và có nguồn cung cấp dồi dào là vỏ sò tự nhiên và axit photphoric. Các yếu tố ảnh hưởng được khảo sát bao gồm:Nhiệt độ nung mẫu: 100oC, 300oC, 500oCDung môi khác nhau và khác tỉ lệ : dung môi H2O, Dung môi Ethanol và H2O tỉ lệ 1:1, dung môi Ethanol và H2O tỉ lệ 1:2, dung môi Ethanol và H2O tỉ lệ 2:1.Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụ TetracyclinTính chất của sản phẩm được đánh giá bằng các phương pháp như: nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát độ đơn pha, kích thước hạt và hình thái kích thước hạt. Kết quả phân tích cho thấy tinh thể Hydroxyapatit đã hình thành ở 100oC, tinh thể thu được có dạng hình que, và còn kết khối tạo thành các dạng tấm, vảy.Bột HA tinh khiết được tiến hành nghiên cứu hấp phụ Tetracyclin. Từ kết quả thí nghiệm cho thấy thời gian hấp phụ tốt nhất là 120 phút (2h). Hiệu suất hấp phụ lớn được 80,54% đối với dung môi H2O.

Lời đầu tiên, chúng em xin cám ơn ba mẹ, anh chị, những ngườithân trong gia đình và bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ về vật chấtcũng như tinh thần để chúng em có thể hoàn thành luận văn này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy TS Lê Minh Viễn đã tậntình hướng dẫn, chia sẽ những kinh nghiệm quý báu cho em trong suốtquãng thời gian thực hiện luận văn này Thầy đã nhiệt tình giúp đỡcũng như chân thành động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để chúng

em có thể hoàn thành luận văn

Bên cạnh đó, chúng em xin cám ơn các anh, chị, các em lớpHC13VS những người đồng hành trong phòng thí nghiệm đã nhiệttình giúp đỡ, hướng dẫn những gì còn bỡ ngỡ chưa biết trong phòngthí nghiệm

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn toàn thể Thầy, Cô khoa KỹThuật Hóa Học, những người đã tận tâm giảng dạy, truyền đạt cho emvốn kiến thức nền tảng, từ những môn đại cương tới những môn thựctập, đồ án, từ đó tạo bước đệm để em có thể hoàn thành được luận văntốt nghiệp này

Trận trọng

TP.HCM, ngày…tháng…năm2017

Sinh viên thực hiện

Vũ Trung Tín

Tiên

Luận văn này nghiên cứu một số điều kiện tổng hợpHydroxyapatit có kích thước nano bằng phương pháp kết tủa từnguyên liệu rẻ tiền và có nguồn cung cấp dồi dào là vỏ sò tự nhiên vàaxit photphoric Các yếu tố ảnh hưởng được khảo sát bao gồm:

- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hấp phụTetracyclin

Tính chất của sản phẩm được đánh giá bằng các phương phápnhư: nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp kính hiển vi điện tử quét(SEM) để khảo sát độ đơn pha, kích thước hạt và hình thái kích thướchạt Kết quả phân tích cho thấy tinh thể Hydroxyapatit đã hình thành ở

các dạng tấm, vảy

Bột HA tinh khiết được tiến hành nghiên cứu hấp phụ Tetracyclin

Từ kết quả thí nghiệm cho thấy thời gian hấp phụ tốt nhất là 120 phút

ASTM (American Society for Testing and Materials): hiệp hội vậtliệu và thử nghiệm Hoa Kỳ

– TCP: Beta Tri – Calcium phosphate

JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards): thẻtiêu chuẩn về giản đồ nhiễu xạ tia X

SBF (Simulated Body Fluid): dung dịch sinh học nhân tạo

SEM (Scanning Electron Microcope): kính hiển vi điện tử quétXRD (X – ray Diffraction): phổ nhiễu xạ tia X

Do dân số già với tỷ lệ bệnh tật cao, nhu cầu vật liệu sinh học mới

để cải thiện chất lượng cuộc sống con người tiếp tục là một trongnhững vấn đề lớn đối với các nhà khoa học, kỹ sư và các bác sĩ lâmsàng Để chống lại những thiếu sót của bút tích mà có liên quan đếnnguồn cung hạn chế của mô và tỷ lệ mắc bệnh ở nơi hiến; và sự truyềnbệnh và sự từ chối kháng nguyên tương ứng, cách đây hàng thế kỷ cácnhà khoa học đã bắt đầu cấy vật liệu nhân tạo trong cơ thể để hỗ trợ vàphục hồi chức năng cho các cơ quan hoặc mô

Trong 30-40 năm qua, một trong những phát triển quan trọng nhấtcủa ngành chỉnh hình là sử dụng các vật liệu sinh học để thay thế, táitạo và sửa chữa xương Gốm sinh học là vật liệu gốm có khả năngtương thích sinh học, và thường bao gồm kính sinh học và canxiphosphate (như HA và β-TCP), và canxi phosphate hai pha Các liệupháp sinh học đã được sử dụng ban đầu như một chất thay thế sinhhọc đối với cấy ghép xương kim loại, tuy nhiên do hiệu quả cao củachúng; gốm sinh học đã trở thành một trong những vật liệu sinh họcđược nghiên cứu rộng rãi nhất cho các ứng dụng lâm sàng trên xương.Apatit là họ khoáng photphat của canxi có công thức chung là

Floroapatit, Cloroapatit và Bromoapatit với M = OH, F, Cl, Br tươngứng Trong các loại gốm sinh học canxi phosphate, HA được sử dụngrộng rãi nhất để phục hồi chức năng và phục hồi răng vì nó là thành

HA đã được sử dụng lâm sàng dưới dạng bột, hạt, bột nhão, khối dàyđặc và xốp, hai phần, lớp phủ, và như composit Một số đặc tính ưuviệt của HA bao gồm khả năng tương thích sinh học, thiếu phản ứngmiễn dịch, và sự tái hấp thụ chậm, tạo liên kết trực tiếp với xương nondẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải [28],[29] HA thu hút sự quan tâm ngày càng tăng lên như là vật liệu đượclựa chọn để sửa chữa xương.

Ở dạng bột, các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế HA kíchthước nano (trong khoảng 20nm – 100nm) để góp phần nâng cao khảnăng hấp thụ của cơ thể HA bột

dùng trong bào chế thuốc chống loãng xương và thực phẩm chức năng

bổ sung canxi, xử lý các khuyết tật của xương do chấn thương

Từ 2005 đến nay, Viện Hóa Học, Viện Khoa Học và Công NghệViệt Nam đã công bố một số kết quả nghiên cứu chế tạo HA bột [27]

và HA xốp [30] hướng đến ứng dụng trong dược học và y sinh học

Để góp phần hoàn thiện quy trình chế tạo HA kích thước nanoứng dụng trong y sinh học và dược học, chúng tôi lựa chọn đề tài: “

Tổng hợp nano Hydroxyapatit và khảo sát hoạt tính hấp phụ Tetracyclin”

Các đặc trưng quan trọng của bột HA như độ đơn pha, độ tinh thể,hình dạng, kích thước hạt… có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả sửdụng Do vậy, trên cơ sở tổng hợp bột HA kích thước nano, luận văntập trung vào khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩmtheo những nội dung như sau:

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu thu được, lựa chọn các thông

số công nghệ cho quy trình sản xuất HA và tiến hành khảo sát khảnăng hấp phụ Tetracyclin

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HYDROXYAPATITE

Hydroxyapatite (HA), là dạng khoáng chất tự nhiên của apatitcanxi được tìm thấy trong răng và xương người với công thức

Ca5(PO4)3(OH) , nhưng thường được viết là Ca10(PO4)6(OH)2 để chobiết rằng tinh thể gồm hai đơn vị ô cơ sở, ngoài ra Hydroxyapatite cònđược gọi là tricalcium phosphate và calcium hydroxyapatite Bên cạnh

đó các nhà khoa học đã tổng hợp được HA giống hệt cấu trúc và thànhphần của HA tự nhiên

Hydroxyapatite có các tính chất đặc trưng và được ứng dụng trênnhiều lĩnh vực

1.1 Tính chất của Hydroxyapatite

1.1.1 Tính chất vật lý

Hydroxyapatite (HA) là tinh thể có màu nâu, vàng nhạt, trắngngà, trắng hoặc xanh lơ, tùy theo điều kiện hình thành, kích thước hạt

và trạng thái tập hợp; ở dạng bột nhưng thường có màu trắng HA có

Hường, 2011)

Hình 1.1 Hydroxyapatite ở dạng bột

HA tự nhiên và nhân tạo thường tồn tại ở các dạng tinh thể sau:

biết được các dạng của tinh thể HA nhờ sử dụng phương pháp hiển viđiện tử quét (SEM) hoặc hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Hình 1.2 Các dạng tồn tại của tinh thể HA, (a) dạng hình que, b) dạng hình trụ, (c) dạng hình cầu, (d) dạng hình sợi, (e) dạng

hình vảy, (f) dạng hình kim.

HA tồn tại ở dạng cấu trúc là dạng đơn tà (monoclinic) (hình1.2b) và dạng lục phương (hexagonal) (hình 1.2a) HA dạng đơn tà

khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng Còn dạng lục phương

toàn về số lượng và vị trí của các vạch nhiễu xạ Chúng chỉ khác nhau

về cường độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cường độ yếu hơn các

Hình 1.3 minh họa ô mạng đơn vị cấu trúc tinh thể lập thể của

thể liên kết với nhau Như đã thấy trong hình, ion Ca được tìm thấy ởmặt gốc, mặt giữa, mặt trên, và một phần, ba phần tư mặt, do đó Ca =2(0.50) + {2(0.00) + 2(1.00)}/2 + {3(0.25) + 3(0.75)} × 4/4 = 10,

+ 8(line)/2 = 6, đối với OH- nằm ở một phần tư và ba phần tư, khi đó

phức tạp Trọng lương phân tử có thể được tính như sau: khối lượng

phân tử (MW) = 40.08 × 10 + 30.974 × 6 + 15.999 × 26 + 1.008 × 2 =1004.634, thể tích của ô đơn vị (V) = 1/2(ao × (3/2)1/2 × ao) × co × 2 =

number = 1004.634/6.02 × 1023 (g), tỉ trọng (ρ) = (1004.634/6.02 ×

1023)/528.714 × 10-24 = 3.1564 (g/cm3)

Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của HA a) Dạng lục phương ; b)

Dạng đơn tà [14]

HA tổng hợp thường có độ tinh khiết với công thức hoá học

a)

b)

thuộc vào quy trình tổng hợp và các điều kiện xử lý bột HA, có thể tạo

ra các canxi photphat khác với tỷ lệ Ca / P từ 2,0 đến 0,5 [14] HA nóichung có độ kết tinh cao với các tham số mạng lưới sau đây: (a = 0:95

nm và c = 0:68 nm) và nó sẽ hiển thị một đối xứng lục giác (S.G.P63/m) với hướng ưa thích dọc theo trục c [14]

1.1.2 Tính chất hóa học

Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện hình (1.4) Phân

tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca – O là liên kết cộng hóa

Văn Hường, 2011, Ylinen, 2006)

Hình 1.4: Công thức cấu tạo của phân tử HA

HA không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thànhcác muối canxi và nước:

Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl → 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O (1.1)

HA tương đối bền nhiệt, có tỉ lệ ổn định Ca/P gần 1.67 khi nung

các nhóm OH và chuyển thành oxyapatite

Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 ≤ x ≤ 1)

(1.2)

β-Ca3(PO4)2 (β-TCP), Ca4P2O9 ,Ca2P2O7 hoặc CaO:

Ca10(PO4)6(OH)2 → 2β–Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O (1.3)

1.1.3 Tính chất sinh học

Tính chất sinh học của HA đã được sử dụng rộng rãi như là chấtthay thế xương nhân tạo vì tính chất sinh học thuận lợi của nó baogồm: tính tương thích sinh học, ái lực sinh học, hoạt tính sinh học, dẫnxương , hợp nhất xương, cũng như tạo xương (trong một số điều kiệnnhất định) HA chỉ chứa các ion canxi và phosphat và do đó không cóbất kỳ độc tính cục bộ hoặc hệ thống nào đã được báo cáo trong bất kỳnghiên cứu nào

HA có thể được tìm thấy trong răng và xương của cở thể người.Xương là thành phần cấu tạo cơ thể và được xem là một vật liệu sinhhọc tự nhiên bao gồm biopolymer (collagen và các protein khôngđồng nhất) và các khoáng chất (HA), cùng với không gian trống (độxốp); Chính xác hơn, xương là một dạng đặc biệt của các mô liên kếtkhoáng hóa,bao gồm theo trọng lượng, hữu cơ 33% (28% là collagenloại I và 5% khác gồm các glycoprotein không đồng phân, bao gồmosteonectin, osteocalcin, protein hình thái xương, Xương proteoglycan

và sialoprotein) và 67 % vô cơ khác của xương được tạo thành từ HA,xâm nhập vào cơ thể Khoảng 96% phần men bao gồm khoáng chất

HA (răng) đó là tinh thể canxi phosphate, nước và chất hữu cơ

Xương tồn tại ở nhiều dạng khác nhau: dạng gốm đặc khít ở bềmặt xương và răng (HA chiếm đến 90 – 98% khối lượng), dạng gốmxốp ở xương ống (HA chiếm 60 – 70%) và dạng xương non

HA tự nhiên và nhân tạo đều là những vật liệu có tính tương thíchsinh học cao do nó có cùng bản chất và thành phần hóa học Ở dạngmàng và dạng xốp, HA có thành phần hóa học và các đặc tính giống

các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập Ở dạng bột mịn kích thướcnano, HA là dạng canxi photphate dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ

lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng Chính vìvậy mà vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và

mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫnđến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải Ngoài ra,

HA là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và

Mặc dù HA tổng hợp tương tự như thành phần vô cơ của xương

tự nhiên, nhưng sự khác biệt rất lớn đối với tổng số thành phần hóahọc, độ cân bằng và cấu trúc Xương là apatit sinh học được mô tả nhưcarbonated (3-8 w / t%), HA thiếu hụt canxi cái mà không phải là hóahọc lượng tử, không tinh thể, và ion-thế Ngoài ra trong xương, HAtồn tại dưới dạng các tinh thể nano với kích thước 4 x 50 x 50 nm,theo đó các tinh thể nano được nhúng vào một ma trận sợi collagenhữu cơ, chứa 90% hàm lượng protein [4] Chất khoáng xương của conngười được thay thế bởi ion HA bằng công thức hoá học:

Ca8.3(PO4)4.3(HPO4, CO3)1.7(OH, CO3)0.3 [15,16] Khi các ion CO32- và

thuộc vào độ tuổi và vị trí xương [15]

Trong một thí nghiệm được tiến hành bởi giáo sư Per-IngvarBranemark, vào năm 1952, sự quan tâm cho việc sử dụng nano-hydroxyapatite cho mục đích con người đã được gây ra Thí nghiệmbao gồm trồng cấy titan trong xương thỏ Khi giáo sư tiến hành tháocấy ghép, ông đã tìm thấy cấy ghép đã được tích hợp với xương thật

kỹ để không thể tháo ra, đó là do hydroxyapatite

Ban đầu sử dụng phần lớn cho cấy ghép nha khoa; vì HA hoạtđộng sinh học khuyến khích xương phát triển và hồi phục nên đượcứng dụng trong quá trình cấy ghép xương mà không bị phá vỡ hay hòatan trong cơ thể người Tuy nhiên có những vấn đề sức khỏe xungquanh nano-hydroxyapatite; đôi khi các phân tử có thể gom lại thànhcác tinh thể Chúng có thể hình thành xung quanh các khớp và gâysưng các khớp, dây chằng

Hợp chất HA tương đối bền với dịch men tiêu hóa, ít chịu ảnhhưởng của dung dịch axit trong dạ dày Ở dạng bột mịn kích thướcnano, HA được cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi vàthực quản Vì những đặc tính này bột HA kích thước nano được dùng

HA nung thiêu kết ở nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp HA ở nhiệt độcao, mật độ HA dày đặc trong khi ở nhiệt độ thấp tạo ra HA có độ xốphơn HA ở nhiệt độ cao không được các đơn vị xương hấp thụ, ở nhiệt

độ thấp có tỉ trọng và độ kết tinh thấp có xu hướng được hấp thụ bởicác đơn vị xương (osteoclast) HA ở nhiệt độ thấp là một vật liệu sinhhọc điển hình, không trực tiếp kết nối xương nhưng được tái hấp thụ

vào cơ thể thành cấu trúc xương HA ở nhiệt độ thấp có kích thướcnano và được hấp thụ dần dần vởi axetic acid, được tại ra tế bàoxương, do đó sau khi tái hấp thụ nó có thể được sử dụng như mộtnguồn gốc để hình thành xương.

Bề mặt HA hỗ trợ sự kết dính tế bào xương, tăng trưởng tạoxương mới thay thế dần dần xương lân cận Giá đỡ HA dùng làmphương tiện vận chuyển cytokine (protein tạo bởi tế bào) với khả năngkết hợp và tập trung BMP trong cơ thể Cuối cùng sự hình thànhxương xảy ra bằng cách gieo những chiếc giá đỡ trước khi cấy ghépvào tế bào, tạo ra những trung tâm mới để hình thành xương

Sự tạo xương xảy ra do sự kích thích các tế bào gốc trung mô củavật chủ trong các mô xung quanh Các tế bào gốc sau đó phân biệtthành các tế bào xương tạo thành xương Nhiều nghiên cứu mở rộng

đã được tiến hành trong vài năm qua để hiểu rõ hơn tiềm năng sự tạoxương của HA Sự tạo xương đã được nhìn thấy trong một số nghiêncứu độc lập trong các vật chủ khác nhau như chó, dê và khỉ đầu chó,tuy nhiên cơ chế cơ bản liên quan đến sự kích thích xương vẫn cònchưa rõ ràng

Ripamonti et al đã tiến hành nhiều nghiên cứu về việc sử dụnglâu dài (1 năm) của HA cấy vào cây linh trưởng Papio ursinus [7,68].Các nghiên cứu của họ cho biết sự hình thành xương tự phát ở các vịtrí không xương

Trong cơ thể sống, HA sinh học tiếp xúc thường xuyên với cácchất dịch cơ thể như huyết thanh và nước bọt Như vậy, sự phân tán,

độ tan và kết tủa diễn ra như là một phần của sự tương tác của chấtnày với chất lỏng sinh học trong các mô [17].

Nếu một chất không hoà tan nhiều hơn giới hạn hòa tan ở mộtnhiệt độ nhất định, bề mặt được xem là bão hòa với chất tan HA ổnđịnh hơn bên trong cơ thể vì nó bão hòa bên trong cơ thể khi so sánh

lý do chính tại sao thành phần chủ yếu của mô cứng là HA [18, 19].Đồng thời, thực tế là HA bão hòa trong cơ thể chỉ ra rằng HA bị kếttủa hơn là bị hòa tan và dần dần trải qua một mức độ khoáng hóa caohơn (hoặc vôi hóa) Nhưng thực tế là tinh thể HA không bị kết tủa từdịch cơ thể bão hòa, do sự tồn tại của một số loại chất ức chế đối với

sự kết tủa của HA Những Protein như proteoglycan, metaphosphates,

và axit pyrophosphoric bên trong cơ thể có thể ngăn chặn sự kết tủa

HA [20, 21]

Để cải thiện khả năng tương thích sinh học của cấy ghép kim loại

Ti, Kim et al [22] đã chuẩn bị một lớp phủ HA trên bề mặt bằng sựcung cấp chùm electron Kết quả cho thấy: (i) tỷ lệ hòa tan của lớpphủ phụ thuộc mạnh vào tỷ lệ Ca / P, (ii) các lớp phủ với tỷ lệ Ca/Pgần với tinh thể HA (Ca / P = 1,67) cho thấy sự ổn định trong dungdịch muối sinh lý và (iii) khi lớp phủ được kết tinh bằng cách xử lýnhiệt trong không khí ở nhiệt độ từ 400°C đến 500°C, sự ổn định đượctăng cường hơn nữa trong khi vẫn duy trì độ bền liên kết bề mặt với bềmặt Hơn nữa, các xét nghiệm ban đầu trên thỏ cho thấy rằng việc xử

lý nhiệt và kết quả sự gia tăng ổn định sẽ có lợi cho việc gắn kếtxương để cấy ghép [22]

Ngoài ra HA còn được sử dụng như một yếu tố gia cường trongcác vật liệu sinh học, ví dụ như nano HA kết hợp với mạng lướipolymer, chẳng hạn như chitosan để tạo ra một biocomposit HA-CHI

để vượt qua tính yếu kém giòn dễ vỡ

1.1.4 Tính chất cơ học

Các tính chất cơ học của HA phải khớp với tính chất của xương tựnhiên nhất có thể, để cho phép tu sửa xương tại nơi cấy ghép HAthường được thiêu kết để tăng cường các tính chất cơ học của mẫu

HA, tuy nhiên các tính chất cơ học của các mô cấy ghép HA vẫn cònkém hơn so với xương tự nhiên (Bảng 1.1) Mặc dù các nghiên cứukhác nhau báo cáo các đặc tính cơ học của xương tự nhiên, nha khoa,men răng, và các mô cấy HA tổng hợp, nhiều sự thay đổi thường thấytrong số liệu có thể là do sự khác biệt về tính chất vật liệu, cũng như

độ nhạy cảm giới hạn của các phép đo, do đó phạm vi trung bình đượcđưa ra trong bảng 1.1

Trong khi cải thiện tính chất cơ học là mong muốn, các tính chất

cơ học của HA không nên vượt quá của xương tự nhiên Nếu có mộtgradient lớn trong mô đun đàn hồi giữa cấy ghép và gốc, điều này cóthể dẫn đến hiện tượng được gọi là căng thẳng Trong quá trình bảo vệcăng thẳng, tải đặt trên mô cấy trong suốt quá trình chuyển độngkhông phải do xương truyền, nhưng thông qua cấy ghép dẫn tới tổnthương xương hàm [51] Xương đòi hỏi vận động đều đặn và sức căng

để khỏe mạnh và sự thiếu kích thích cơ học sẽ làm giảm quá trình táitạo xương

Nhiệt độ thiêu kết, độ xốp, tỉ lệ Ca/P, độ tinh khiết pha và kíchthước hạt được cho là ảnh hưởng đến sức chịu tải của mẫu HA Cácnghiên cứu cũng chỉ ra rằng độ cứng Vickers thường tăng lên khi nhiệt

độ thiêu kết (và kích cỡ hạt) lên đến một giá trị quan trọng vượt quámức độ tổn thất nghiêm trọng về độ cứng [47] Điều này đã được quycho hai hiện tượng, tức là tăng trưởng hạt quá mức và sự phân huỷnhiệt của HA

Một trong những hạn chế chính của HA là độ dẻo dai thấp so vớixương vỏ não, điều này có nghĩa HA hoạt động như một vật liệutương đối giòn Ngoài ra các tính chất cơ học của nó giảm trong cấyghép xốp mà thường được yêu cầu cho kỹ thuật mô xương Mô đunđàn hồi của HA dày đặc nằm trong khoảng xương tương tự của vỏxương, răng và men răng, nhưng các mô cấy HA có số lượng lớn lạicho thấy độ chịu cơ học chỉ khoảng 100MPa, trong khi chịu cơ học ởxương tự nhiên thường cao hơn 3 lần Độ bền cơ học cũng giảm đitrong các giàn đỡ HA lớn xốp [48] Do độ dẻo dai cao và độ bền cơhọc kém hoặc độ dẻo dai thấp nên việc sử dụng các mô cấy ghép HAđược giới hạn trong các ứng dụng không chịu tải như phẫu thuật taigiữa, làm đầy các khiếm khuyết xương trong nha khoa hoặc chỉnhhình, cũng như phủ các mô cấy nha khoa và chân giả kim loại [48]

Bảng 1.1: Tính chất cơ học của xương với HA [54-56]

Ngàrăng

Menrăng

Mật độ

so với gốm sứ và do đó giúp tăng tính ổn định cơ học của HA bằngcách giảm độ giòn [57,58].

Tuy nhiên tồn tại mối quan tâm đó là bằng cách kết hợp HA vớipolyme, tính chất tạo xương có thể bị chắn nếu các hạt HA đượcnhúng bên trong sợi polymer và không hiện diện trên bề mặt

Trong thập kỷ gần đây, các ống nano cacbon (CNT) ngày càng trởnên quan trọng như là một sự gia cố cho các mô cấy ghép HA [54]

Tuy nhiên thách thức với CNT là khuynh hướng tự nhiên của nó đểkết tụ Phân tán tốt CNT trong các ma trận polyme là rất cần thiết đểngăn ngừa sự thất bại sớm Trong những năm gần đây, đã có rất nhiều

nỗ lực để chuẩn bị các hợp chất nano chứa các hạt nano HA riêng lẻ

và không kết tụ liên quan đến sự biến đổi hạt [59] Khi CNT được kếthợp vào ma trận HA, độ dẻo đã được cải thiện lên 92% và mô đun đànhồi 25% so với ma trận HA mà không có CNT [60,61] Tinh thể HAtạo thành một giao diện mạch lạc với CNT, dẫn đến kết nối liên kếtmạnh Sự phân bố đồng nhất của CNT trong ma trận HA, liên kết bềmặt tốt và kích thước hạt HA tốt là yếu tố quan trọng để cải thiện tínhdẻo dai, do đó kết hợp các tính chất dẫn xuất của HA và các tính chất

cơ lý tuyệt vời của CNT [62]

Tuy nhiên, độc tính của CNT vẫn còn là một mối quan tâm vàlĩnh vực nghiên cứu này phải được nghiên cứu đầy đủ hơn nữa trướckhi HA-CNT có thể được coi là một lựa chọn khả thi cho tái thiếtxương

1.2 Ứng dụng của bột HA

HA có hai đóng góp trong vật liệu sinh học và công nghệ sinh học: (1) ảnh hưởng đến việc cải tiến các tính chất cơ học và hoạt độngsinh học, (2) ảnh hưởng bởi các thông số khác nhau tăng cường chứcnăng sinh học

HA có tính tương thích sinh học tốt với cơ thể người, có thể tạoliên kết trực tiếp với xương mà không cần có mô cơ trung gian và cókhả năng tạo sự tái sinh xương nhanh

Các xu hướng thú vị khác của HA bao gồm các ứng dụng trongviệc phân phối thuốc, nuôi cấy tế bào, thanh lọc các kháng thể trênquy mô công nghiệp, mạch máu nhân tạo hoặc khí quản, và sử dụng

nó trong catheter(ống thông) [18,19]

1.2.1 Ứng dụng của HA dạng bột

Ở cơ thể người, đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi thì lượngcanxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên cần bổsung canxi cho cơ thể Trong thức ăn hoặc thuốc, Canxium thườngnằm ở dạng hợp chất hòa tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể khôngcao và thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việchấp thụ và chuyển hóa canxium thành HA Có thể bổ sung canxiumcho cơ thể người bằng cách dùng thức ăn, thuốc tiêm hoặc truyềnhuyết thanh,…Một phương pháp hữu hiệu là sử dụng HA ở dạng bộtmịn, kích thước nano để bổ sung canxium Với kích cỡ 20 – 100 nm,

HA được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần chuyển hóa thêm.Ngoài ra HA ở dạng bột mịn còn được dùng làm chất chám vết rạn nứt

Sau đây là hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng vàthuốc bổ sung canxium sử dụng nguyên liệu HA bột dạng vi tinh thể

đang được lưu hành trên thị trường.

Hình 1.5 Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng

vi tinh thể.

1.2.2 Ứng dụng của HA dạng khối xốp

Như đã trình bày ở phần tính chất sinh học, HA dạng xốp có các

lỗ xốp bên trong liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhậpcủa mô sợi và mạch máu, có tính dung nạp tốt, không độc, không dịứng Vì vậy, HA dạng xốp được sử dụng rộng rãi trong y học như:

et al , 2008)

Hình 1.6 Chế tạo răng giả

 Chế tạo mắt giả (Kundu , et al , 2004)

Hình 1.7 Chế tạo mắt giả

(Ylinen, 2006)

Hình 1.8 Sửa chữa khuyết tật của xương

chi tiết cấy ghép xương chất lượng cao, làm kẹp nối xương hoặc làmchất dẫn truyền thuốc Việc sử dụng các polymer sinh học làm chấtnền tạo điều kiện cho việc gia công, chế tạo chi tiết dễ hơn Mặc khác,các polymer này còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh họcthông qua các nhóm chức của mình Đây cũng là ưu điểm vượt trội

1.2.4 Ứng dụng của HA trong hấp phụ các ion kim loại nặng

Nhiều nghiên cứu đã phát hiện tính hiệu quả khi sử dụng HAtrong việc loại bỏ ion kim loại nặng Khả năng hấp phụ những ion kim

Khả năng hấp phụ đã được dự đoán bằng phương trình đẳng nhiệtLangmuir và Freundlich, kết quả cho thấy rằng chất hấp phụ kim loạitrên vật liệu nano – HA đạt giá trị cực đại với Pb2+ > Cu2+ (Chen , et

al.

, 2010) Cũng có các nghiên cứu về khả năng hấp phụ ion Pb2+ bằng

trên bề mặt phức, đây là thuộc tính của vật liệu nhiều chức năng, hai

trong việc loại bỏ ion Pb2+ từ dung dịch (Dong , et al , 2010)

1.2.5 Ứng dụng của HA dạng ceramic

Gốm tổ hợp HA và – TCP là vật liệu y sinh chính cho các phẫuthuật ghép xương, chỉnh hình hoặc chỉnh sửa xương Gốm xốp HA có

hoạt độ và tính tương thích sinh học tốt nhất bao gồm khoảng 93 –

Hình 1.10 Ứng dụng gốm sinh học 1.3 Tình hình nghiên cứu HA trên thế giới và Việt Nam

1.3.1 Thế giới

HA nano có kích thước như những thành phần cấu tạo của các môxương và răng Do đó, phát triển gần đây của HA dựa trên vật liệusinh học cho các ứng dụng y sinh hầu hết từ công nghệ nano, một cáchtiếp cận để khắc phục những thiếu sót trong cách tiếp cận thôngthường do tỉ lệ bề mặt lớn, khối lượng lớn và ít tổn hại hiệu quả Tinhthể nano HA có hoạt tính sinh học và hòa tan tốt hơn tinh thể thô [41;42] Các vật liệu sinh học nano thúc đẩy sự kết dính xương và gia tăng

tế bào xương, kết hợp xương và sự lắng đọng các khoáng chất có chứacanxi trên bề mặt vật liệu này Bột tinh thể nano HA cải thiện khảnăng thấm và đặc hơn do diện tích bề mặt lớn hơn, có thể cải thiện độ

dẻo dai cũng như các tính chất cơ học khác [21; 23; 45; 46] Ngoài ragốm nano có thể được thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn, các vấn đề liênquan đến quá trình thiêu kết ở nhiệt độ cao được loại bỏ Có thể tănghiệu suất cơ học và sinh học bằng cách kiểm soát các tính chất đặctrưng của bột như diện tích bề mặt, độ tinh thể, hình thái học, kíchthước hạt, phân bố hạt, và sự kết tụ [47] Mặc dù nano HA có nhiềucải thiện hơn với thông thường nhưng nó không đủ để ứng dụng rộngrãi Vật liệu giả sinh học với các tính chất khác nhau tùy thuộc vàoứng dụng cần thiết cho việc thay thế các mô cứng Các tính chất nhưmật độ, độ rỗng, độ ổn định nhiệt, hoạt tính sinh học, khả năng táisinh, và các đặc tính cơ học cần được điều chỉnh để làm chức năng vậtliệu sinh học Mục tiêu kĩ thuật mô là giúp đỡ cơ thể hồi phục tự nhiênbằng cách cấy ghép một khung cũ và tái hấp thụ như là một ma trận cóthể làm giảm thời gian trong khi tái tạo mô chủ tại vị trí mô cấy Sựbiến thoái phụ thuộc vào kích thước hạt, độ kết tinh, độ rỗng, thànhphần và điều kiện chuẩn bị cũng như môi trường tại ví trí cấy ghép.Những tiến bộ gần đây về vật liệu composit cho xương kỹ thuật dựatrên công nghệ nano và liên quan đến sự phát triển của các hạt nano vềsợi nano, ống nano cacbon (CNT),…Xương được chia thành cấu trúcnano, vi cấu trúc, cấu trúc vĩ mô bao gồm võ não và xương xốp Côngnghệ nano là việc tạo ra vai trò vật liệu, thiết bị và hệ thống qua hệthống thang đo nano mét (1-100nm) và tìm ra các tính chất mới lạ vật

lí hóa học sinh học Kỹ thuật vật liệu nano có thể đáp ứng những tháchthức hiện tại trong việc trị liệu thay thế xương Có nhiều kỹ thuật tạohạt HA nano Các phương pháp này bao gồm phương pháp kết tủa

ướt, sol-gel, thủy nhiệt, cơ học, kim cơ học, sử dụng sóng cao tần,điện, vi sóng, thủy phân…Nano HA đã chứng minh xương hình thànhnhanh xung quanh vật liệu cấy [78] Trong những năm gần đây, một sốnghiên cứu được tập trung vào sự phát triển các hạt nano HA-CNT vớicác tính chất cơ học được cải thiện [70] và các báo cáo nói về lớp phủcomposit HA-CNT cho cấy ghép chỉnh hình thông qua phun plasma[79; 82] laser bề mặt hợp kim, vết tĩnh điện và phun lắng đọng [64].Ngoài việc thiêu kết thông thường [78 83] và ép nóng tĩnh điện, tiaplasma nung thiêu kết (SPS) [92] cũng đã được sử dụng để chế tạoHA-CNT composit Trong những năm gần đây, các nghiên cứu sâu đãđược tiến hành để phát triển vật liệu sinh học cho ứng dụng kỹ thuật

mô xương Các vật liệu này có ba chiều kích thước, thể tích lớn các lỗxốp và kết nối với nhau, có khả năng hấp thu và kiểm soát tái hấp thu,

có tính chất cơ lý thích hợp, tương thích sinh học và hoạt tính sinhhọc HA xốp mô cấy có thể được sản xuất bằng cách sử dụng một loạtcác phương pháp bao gồm xử lí xương tự nhiện, gồm tạo bọt, thiêu kếtvới porogen, cố định tinh bột, quá trình vi sóng, đúc trượt, tập trungđiện tích Cấu trúc vi lỗ xốp là kết quả trong một diện tích bề mặt lớngóp phần làm xương hấp thụ protein cao cũng như trao đổi ion vàgiống như xương sự hình thành apatit bằng cách hòa tan và tái kết tủa.Trong 15 năm qua, một loạt các 3D HA và các loại khung hai chiều có

độ xốp và bề mặt diện tích khác nhau đã được phát triển

Các loại dạng HA sử dụng

Từ khi được giới thiệu vào giữa những năm 1980, HA đã đượcnghiên cứu về khả năng lâm sàng của nó trong các khuyết tật xương

khác nhau Nhiều nhà nghiên cứu đã chững minh sự kết hợp vớixương tốt hơn ban đầu và tỉ lệ thành công cao trong thời gian ngắn.Các dạng HA khác nhau bắt nguồn từ nhiều nguồn gốc khác nhau chomục đích sử dụng Xương bò HA và HA tổng hợp là nguồn chính củacấy ghép HA Tese đã cho thấy tỉ lệ thành công khác nhau Rất ítnghiên cứu so sánh hiệu quả của một dạng HA sử dụng trong việc tăngcường sự tái tạo xương trong các khuyết tật Nhiều nghiên cứu đãđược công báo và thảo luận đã được mô tả Các nghiên cứu có sẵn chủyếu là xương bò, tổng hợp và các nghiên cứu so sánh để thuận tiệnthảo luận và liệt kê những hạn chế và lợi ích chung cũng như thảoluận về công nghệ mới trong sản xuất với các lưu ý tài liệu gần đây cũhơn HA tổng hợp có đặc tính tốt như là một vật liệu sinh học, và tínhdẫn xương, do đó nó được sử dụng rộng rãi như là xương thay thế, lớpphủ trên cấy ghép kim loại, khung cho kỹ thuật mô và vận chuyển đểcung cấp thuốc Các dạng HA khác nhau cho các ứng dụng y sinh baogồm các loại xốp và dày đặc, hạt, bột nhão, xi măng, lớp phủ Mặc dù

có nhiều điểm hữu ích, một nhược điểm lớn của HA là sức chịu tảithấp dẫn đến không có khả năng tạo ra các mô cấy chịu lực cao hoàntoàn HA tinh thể nano là khối xây dựng chính của xương và răng Sửdụng cho cấy ghép xương, tái tạo xương, khuyết tật xương Một bảntóm tắt các dạng khác nhau của HA với các nguồn gốc khác nhau đãđược liệt kê trong bảng 1.2 Sử dụng HA trong tái tạo xương phẫuthuật đa năng, phẫu thuật chỉnh hình và phẫu thuật thần kinh, thẩm mỹtrên khuôn mặt

Xu hướng tương lai gần

Trong tương lai gần, việc sản xuât HA sẽ hiệu quả kinh tế do sửdụng nguyên liệu tự nhiên như vỏ trứng Sản xuất HA từ vỏ trứng làmột xu hướng thực tế Tuy nhiên, sản xuất thương mại đang được thửnghiệm Sản xuất HA chi phí hiệu quả trong qui mô nhỏ Các báo cáotiên phong về tính chất HA có nguồn gốc từ vỏ trứng đã cho thấy kếtquả đầy hứa hẹn Các hạt nano HA có nguồn gốc từ vỏ trứng được sửdụng trong các thủ thuật tái tạo nha khoa đa dạng với các kết quả Vậtliệu có tính chất kháng khuẩn với sự thay thế của Ag, Sn và các yếu tốkhác Các xu hướng thú vị khác của HA bao gồm các ứng dụng trongviệc phân phối thuốc, nuôi cấy tế bào, thuần khiết các kháng thể ; trênqui mô công nghiệp như mạch máu hoặc khí quản, làm ống thôngbằng chất kết hợp với HA.

Bảng 1.2: So sánh các nghiên cứu đã công bố

Sốmẫu

Vật liệu sửdụng

Thờigian

Ghi chú

S.Roen

2000

Trongốngnghiệm

gắn kết lâmsàng, thăm dòchiều sâu

Indovina

2002

Độngvật

sinh học

2tháng

Tăng cường

sự hình thànhxương

Haas 2 vật tháng xương lớn

hơn, kết quảtốt hơn

R.Thron

dson

2002

Conngười

học

3tháng

Gắn kết lâmsàng tăng lênnhưng khôngđổi với xươngchậu

Furst

2003

Độngvật

12 PRP và HA

xương bò

3tháng

RPR đã ảnhhưởng đến sựhội tụ xươngtrên cấy ghépxương

Andreas

Schlege

2003

Độngvật

tháng

Tái tạo khuyếttật xương màkhông có sựhấp thu của

mô cấy

Fujiti

2004

Độngvật

HA vàTCP

6tháng

Xương mớihình thànhxung quanh

HA nhiều hơnbeta - TCP

Trongốngnghiệm

HA vàTCP

6tháng

Thủy tinh HAthúc đẩy sựhình thànhxương

9 Scabbia

A

2005

Trongốngnghiệm

Bio-Oss

12tháng

Gắn kết lâmsàng, độ sâukhiếm khuyết

và thăm dò

5

Conngười

và khoángxương bò

12tháng

BBM mang lạiđặc tính dẫnxương tốt hơn

ni

2005

Trongốngnghiệm

HA nungchảy từ tảo

đỏ, khửprotein HAxương bò,mang liênkết peptideliên kết tếbào p-15

21ngày

Khác biệttrong hoạtđộng trao đổichất của tếbào nuôi cấytrên vật liệu

HA liên quantrực tiếp đếnchất phụ giacho chất đượctính dẫnxương

a

2005

Độngvật

liên kết

6tháng

Miếng ghépxương,bioceramicxây dựng táitạo khuyết tậtxương

bộ phận khôngcấy ghép vàtốc độ hấp phụrất thấp

Mangan

o

2007

Trườnghợpđiềukhiển

100 Xương bò

và xốptổng hợp

1tháng

Hiệu suấttương tự nhau

15 F.Schwar

z

2007

Độngvật

Beta TCP

và HA

Cung cấpkhung xươngdẫn cho xươngtái tạo

16 M.Pakne

jad

2007

Độngvật

combipack,biostite

1tháng

Bio – Oss thúcđẩy sự tái tạohiệu quả hơnBiosite

17 Schwartz

F

2008

Trongốngnghiệm

vỏ trứngkhoángchất xươngvới màngcolagen

2tháng

Kết quả tương

tự, thời gianchữa bệnhđược cải thiện

Crespi

2009

Trongốngnghiệm

Mg vàSunfatcanxi

3tháng

Cho thấy sựhình thành môtốt hơn

Bảng 1.3: Nghiên cứu hydroxyapatit có nguồn gốc từ bò.

Sốmẫu

Vật liệu

sử dụng

Thờigian

Ghi chú

P.Callan

1993

Trongốngnghiệm

xươngbò

4,6tháng

Chốp răngtăng lênthành công

p

1993

Trongốngnghiệm

Oss

12-30tháng

Bio – Oss

sử dụngthành côngtái tạoxương hàm

Lew

1997

Độngvật

măng

6tháng

Tính dẫnxương ởrăng

H.F

1998

Độngvật

Oss

6tháng

Các tínhchất dẫnxương đượctrình bày

J.Froum

1998

Trongốngnghiệm

bò

4-20tháng

Sinh tồn môcấy

6 Bradley

S.Mcallist

er

1999

Độngvật

Oss

18tháng

Duy trì vềmật độ và

ổn định môhọc 1-5năm

my K

2000

Trongốngnghiệm

tháng

Tương thíchsinh học,không dịứng, hiệuquả

0

Trongốngnghiệm

bò

9tháng

Tương thíchsinh học tốt

Hallman

2002

Trongốngnghiệm

bò vàxươnghàm(4:1)

12tháng

Kháng táihấp thụ môcấy xoangthành công90,7%

Valentini

2003

Trongốngnghiệm

bò

9-12tháng

Tăng sinhtrưởng môcấy xoang

A.Hartman

2004

Trongốngnghiệm

Oss

6tháng

Tái sinh nhachu

12 M.Hallma

n

2005

Trongốngnghiệm

bò vàxương

36tháng

Xử lí xoangcho kết quảtin cậy

Bảng 1.4: Nghiên cứu tổng hợp hydroxyapatite.

Sốmẫu

Vật liệu

sử dụng

Thờigian

Ghi chú

r M.B

1997

Độngvật

măng vàxốp

18tháng

Tăng cườnghình thànhxương khoánghóa mô trongxoang

A.R

1997

Conngười

collagen

6tháng

Tăng HAC hoặc

CF

es C.R

1997

Độngvật

tháng

Tăng hình thànhxương vàkhoáng hóa

es C.R

1997

Độngvật

tháng

HA xốp tănghình thànhxương khoánghóa ở xoang

ov V.M

1998

Conngười

chứng sau mổ

và xương sớm