Nghiên cứu chế tạo các lớp phủ hydroxyapatit có khả năng tương thích sinh học trên nền vật liệu titan bằng phương pháp sol gel (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGÔ THỊ ÁNH TUYẾT NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC LỚP PHỦ HYDROXYAPATIT CĨ KHẢ NĂNG TƯƠNG THÍCH SINH HỌC TRÊN NỀN VẬT LIỆU TITAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL Chuyên ngành: Kim loại học Mã số: 9.44.01.29 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: TS Phạm Thi San Người hướng dẫn khoa học 2: TS Nguyễn Ngọc Phong Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Hiện nay, vật liệu kim loại tương thích sinh học sử dụng ngành phẫu thuật chỉnh hình nhu cầu thiết nhiều nước giới quan tâm nghiên cứu Sự già hóa dân số nước phát triển mong muốn cho người bệnh trì hoạt động chất lượng sống cao, đồng thời tiến tổng hợp vật liệu, trình độ phẫu thuật cho phép vật liệu cấy ghép sinh học (implant) ứng dụng theo nhiều phương thức khác Do đó, nhu cầu implant hiệu suất cao nhằm giải vấn đề tim mạch, chấn thương, chỉnh hình, cột sống nha khoa tăng lên đáng kể Trong năm 2012, toàn giới, thị trường vật liệu cấy ghép sinh học đạt khoảng 94,1 tỷ USD đến năm 2017 khoảng 134,3 tỷ USD Vì vậy, nhà khoa học tập trung đầu tư nghiên cứu nhằm tạo loại vật liệu y sinh có tính tốt để phục vụ cho nhu cầu xã hội Các implant sử dụng kỹ thuật chỉnh hình thường chế tạo vật liệu kim loại có độ cứng độ bền học cao so với vật liệu hữu hay vật liệu composit Trong số vật liệu cấy ghép sinh học titan kim loại có nhiều ưu điểm khơng có khả chống ăn mòn, mài mòn tính chất học tốt, mà mô đun đàn hồi tỷ trọng gần giống với xương người Do đó, gần titan hợp kim titan trở thành vật liệu kim loại y sinh hấp dẫn cho ứng dụng chỉnh hình nha khoa Tuy nhiên, titan lại thiếu khả liên kết hóa học với xương có nghĩa thiếu hoạt tính sinh học Để phát huy tính chất ưu việt Ti hợp kim Ti khắc phục nhược điểm nhằm mở rộng khả ứng dụng y sinh, nhà khoa học nghiên cứu phủ lớp có khả tương thích sinh học lên titan hợp kim chúng Trong loại lớp phủ này, vật liệu hydroxyapatite (HA) dẫn xuất HA fluoruahydroxyapatite FHA tập trung nghiên cứu chúng cung cấp điều kiện cần thiết cho việc đẩy mạnh liên kết với mô thể ngăn chặn việc giải phóng ion kim loại từ hợp kim gây kích ứng vùng cấy ghép Vật liệu hydroxyapatite có thành phần hóa học tương tự thành phần khống xương có khả kích thích phát triển tế bào mơ xương, hỗ trợ mọc xương Sự kết hợp khả tương thích sinh học tốt lớp phủ HA tính chất học tuyệt vời vật liệu titan tạo sản phẩm implant đáp ứng yêu cầu y tế khắt khe ứng dụng chỉnh hình, nha khoa Ở nước ta, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu HA cho mục đích y sinh nhà khoa học quan tâm Tuy nhiên, nghiên chưa đáp ứng nhu cầu thực tế Mỗi năm, nước ta phải nhập ngoại hàng trăm ngàn chi tiết cấy ghép loại với giá thành cao khơng chủ động Trước tình hình đó, chúng tơi lựa chọn đề tài nghiên cứu luận án: “Nghiên cứu chế tạo lớp phủ hydroxyapatit có khả tương thích sinh học vật liệu titan phương pháp solgel” Mục tiêu luận án: Chế tạo lớp phủ sở HA lên vật liệu titan phương pháp Sol-Gel có khả tương thích sinh học cao Đề tài luận án thực nhằm mục đích tìm điều kiện cơng nghệ thích hợp pH dung dịch, nhiệt độ nung, thời gian nung, biện pháp xử lí bề mặt kim loại titan để chế tạo lớp phủ hydroxyapatit (HA FHA) titan phương pháp sol-gel có khả ứng dụng y sinh Nội dung luận án: - Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp lớp phủ HA phương pháp Sol-Gel như: pH, nhiệt độ thời gian nung - Nghiên cứu đặc trưng tính chất lớp phủ HA: Hình thái bề mặt, cấu trúc, thành phần, chiều dày, độ bám dính - Nghiên cứu nâng cao độ bám dính lớp phủ HA cách chế tạo lớp phủ TiO2 trung gian trước phủ lớp HA; phủ HA lên titan xốp, thay nhóm OH- F- để tạo lớp FHA - Thử nghiệm in-vitro vật liệu titan phủ lớp HA FHA môi trường dịch giả thể người SBF - Nghiên cứu thử nghiệm in-vivo nẹp vít titan xốp có khơng có lớp phủ HA thể thỏ Chương TỔNG QUAN - Giới thiệu vật liệu cấy ghép kim loại - Trình bày số phương pháp xử lí bề mặt titan áp dụng cho y sinh - Giới thiệu lớp phủ tương thích sinh học canxi photphat (Ca-P) - Giới thiệu lớp phủ tương thích sinh học sở HA phương pháp điều chế số kết luận chương I Chương THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3 Chế tạo lớp phủ HA phương pháp sol-gel 2.3.1 Chuẩn bị titan Vật liệu titan dạng tinh khiết thương mại (Commercially Pure Grade 2) cắt với đường kính ɸ 25,4 mm (để nghiên cứu độ bền bám dính theo tiêu chuẩn ASTM F1044-99 [91]) ɸ 15 mm cho nghiên cứu khác 2.3.2 Quy trình chế tạo sol HA FHA 2.3.2.1 Quy trình chế tạo sol HA Quy trình chế tạo sol HA thể sơ đồ hình 2.1 theo bước sau: - Hòa tan 0,2 mol H3PO4 vào dung dịch 100 mL C2H5OH, khuấy trộn máy khuấy từ nhiệt độ phòng (dung dịch 1) - Hòa tan 0,333 mol Ca(NO3)2.4H2O vào dung dịch 100 mL C2H5OH tiếp tục khuấy máy khuấy từ (dung dịch 2) - Trộn dung dịch dung dịch vào nhau, thu hỗn hợp, tiếp tục khuấy trộn hỗn hợp 24 nhiệt độ phòng -Thêm từ từ dung dịch NH4OH 1M vào hỗn hợp dung dịch khuấy - Ủ hỗn hợp tủ sấy nhiệt độ 40 0C vòng 72 tạo thành sol HA 2.3.2.2 Quy trình chế tạo sol FHA Quy trình chế tạo Sol HA thể sơ đồ hình 2.2 theo bước sau: - Hòa tan 0,2 mol H3PO4 vào dung dịch 100 mL C2H5OH thêm NH4F với tỉ lệ phần mol P/F 12 ; ; ; để sol có thành phần tương ứng với công thức Ca10(PO4)6(F0.5OH1.5), Ca10(PO4)6(FOH), Ca10(PO4)6(F1.5OH0.5), Ca10(PO4)6(F2) , khuấy trộn máy khuấy từ nhiệt độ phòng (dung dịch 1) - Hòa tan 0,333 mol Ca(NO3)2.4H2O vào dung dịch 100 mL C2H5OH tiếp tục khuấy máy khuấy từ (dung dịch 2) - Trộn dung dịch vào dung dịch 2, thu hỗn hợp chứa tiền chất Ca, P, F, tiếp tục khuấy trộn hỗn hợp 24 nhiệt độ phòng -Thêm từ từ dung dịch NH4OH 1M vào hỗn hợp dung dịch khuấy để đạt pH mong muốn - Ủ hỗn hợp tủ sấy nhiệt độ 40oC vòng 72 tạo thành sol FHA 2.3.3 Chế tạo lớp phủ HA FHA lên vật liệu titan Sau chuẩn bị sol HA sol FHA tiến hành chế tạo lớp phủ HA lên vật liệu titan theo bước: - Tiến hành phủ sol HA lên titan phương pháp quét - Quay li tâm để san phẳng bề mặt mẫu, sấy khô nhiệt độ 80 C Sau đó, để nguội nhiệt độ phòng vòng phủ lặp lại nhiều lần - Kết thúc trình tạo lớp phủ lên bề mặt Ti, mẫu tiến hành nung khơng khí với nhiệt độ từ 500 – 1000 0C Sau nung, mẫu titan phủ HA FHA phân tích, đánh giá đặc trưng tính chất 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp đánh giá tính chất vật lý học + Phương pháp đánh giá tính chất vật lý học vật liệu bao gồm đánh giá thành pha, cấu trúc bề mặt, thành phần hóa học lớp phủ, độ bám dính… sử dụng phương pháp như: Xray, SEM, EDS, kéo đứt… 2.2.2 Phương pháp điện hóa đánh giá tính chất ăn mòn 2.2.2.1 Phương pháp đo tổng trở Phổ tổng trở mẫu đo dung dịch SBF quét với tần số từ 10 kHz đến 10 mHz, biên độ điện 10 mV để đánh giá khả chống ăn mòn vật liệu phủ HA FHA chế hình thành màng apatit theo thời gian ngâm mẫu 2.2.2.2 Phương pháp đo đường cong phân cực anot Để đánh giá khả chống ăn mòn vật liệu có khơng có lớp phủ HA chế độ nung khác nhau, tiến hành đo đường cong phân cực anốt khoảng điện từ -250 mV so với điện mạch hở đến 1600 mV, với tốc độ quét mV/s dung dịch Ringer có thành phần: NaCl 8,6 g/L; CaCl2.2H2O; 0,33 g/L; KCl 0,3 g/L Từ đường cong phân cực anốt so sánh, đánh giá khả chống ăn mòn vật liệu titan phủ HA 2.2.3 Các phương pháp đánh giá khả tương thích sinh học 2.2.3.1 Đánh giá thử nghiệm in-vitro Khả tương thích sinh học mẫu titan phủ HA FHA đánh giá thử nghiệm in-vitro vật liệu ngâm dung dịch giả thể người SBF theo thời gian điều kiện nhiệt độ 37 0C ± 0C pH khoảng 7,2 - 7,3 Các mẫu titan phủ HA FHA có kích thước ϕ15 mm x mm ngâm 200 mL dung dịch SBF 2.2.3.2 Đánh giá thử nghiệm vivo Đối tượng nghiên cứu cá thể thỏ khỏe mạnh đặt nẹp vít vật liệu titan xốp có khơng có lớp phủ HA vào xương đùi Sau cấy ghép tháng tiến hành đánh giá số: - Đánh giá tình trạng chỗ vết mổ - Các số huyết học: phân tích số hồng cầu, Hb, bạch cầu, tiểu cầu - Hình ảnh đại thể xương vật liệu cấy ghép Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu chế tạo lớp phủ HA phương pháp sol-gel 3.1.1 Nghiên cứu đặc tính sol 3.1.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng giá trị pH sol đến hình thành pha Dung dịch NH4OH 1M thêm vào hỗn hợp Sol HA để thay đổi khoảng pH từ đến Từ giản đồ nhiễu xạ tia X (Hình 3.1), nhận thấy pH= 3, xuất pic đặc trưng HA Tuy nhiên, bên cạnh đỉnh HA, xuất đỉnh đặc trưng hợp chất αTCP (Ca3 (PO4)2) Khi giá trị pH tăng, cường độ đỉnh HA tăng cường độ đỉnh α-TCP giảm Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X với thay đổi pH Sol 3.1.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng pH đến độ nhớt sol Độ nhớt sol HA giá trị pH= 3, 5, nghiên cứu qua thông số độ nhớt tương đối ηtđ Bảng 3.1 Độ nhớt dung dịch sol theo pH TT Độ nhớt tương đối ηtđ 3,18 4,17 5,13 6,49 pH sol PH= PH= PH=7 PH= Từ bảng 3.1, giá trị pH dung dịch tăng độ nhớt tương đối dung dịch sol HA tăng lên Sự có mặt NH4OH góp phần cải thiện hiệu suất phản ứng polyme hóa, làm tăng chuỗi liên kết [Ca-O-P], dẫn đến tăng q trình đặc độ nhớt dung dịch Sol tăng lên Hơn nữa, hình thành chuỗi liên kết (-Ca-O-P-) tăng lên làm cho khối lượng phân tử hạt keo tăng lên độ nhớt sol tăng lên Tuy nhiên, với pH=9, dung dịch Sol có độ sánh sệt lớn, gây khó khăn cho việc phủ mẫu Ở pH=7, độ nhớt dung dịch Sol 5,13 Với độ nhớt q trình phủ mẫu tiến hành dễ dàng 3.1.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng pH đến cấu trúc bề mặt lớp phủ Trong nghiên cứu ban đầu lớp phủ HA titan, Sol HA với pH từ - phủ lên kim loại titan nung nhiệt độ 800 0C với thời gian nung Hình thái học bề mặt mẫu chụp ảnh SEM (hình 3.3) Hình 3.3 Hình thái bề mặt lớp phủ HA với pH sol thay đổi Với pH=7 tính chất sol cải thiện, dễ dàng việc phủ mẫu lớp phủ có độ đồng cao Do đó, pH dung dịch sol chọn để tiến hành chế tạo lớp phủ HA nghiên cứu 3.1.1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến phân hủy sol HA Trong khoảng nhiệt độ 536,36 0C trở lên đến 1000 0C, mẫu khơng có thay đổi khối lượng Điều cho thấy trình 10 tạo HA kết thúc hồn tồn Từ giản đồ DTA TGA cho thấy nhiệt độ nung thích hợp q trình tạo lớp phủ HA phương pháp sol - gel cần lớn 500 0C Hình 3.4 Giản đồ DTA TGA sol HA 3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thông số cơng nghệ chế tạo đến tính chất lớp phủ HA vật liệu titan 3.1.2.1 Xác định chiều dày lớp phủ HA Các mẫu titan phủ với số lớp từ đến lớp Sol Chiều dày thực tế lớp HA đo ảnh SEM so sánh với chiều dày tính tốn theo lí thuyết bảng 3.2 cho thấy chênh lệch hai phương pháp đo khơng đáng kể Bảng 3.2 Chiều dày trung bình lớp phủ HA theo số lớp phủ sol Số lớp phủ lớp lớp lớp Chiều dày trung bình (µm) Tính tốn Thực tế 15 14,6 18 19,4 21 21,0 11 Trong nghiên cứu tiếp theo, chúng tơi cố định chiều dày từ 14 15 µm để thực đánh giá đặc trưng tính chất lớp phủ 3.1.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ nung đến tính chất lớp phủ HA a Ảnh hưởng chế độ nung đến cấu trúc lớp phủ Trên hình 3.6, hình thái bề mặt Ti phủ HA với nhiệt độ nung thay đổi từ 500 0C – 900 0C quan sát kính hiển vi điện tử quét với độ phóng đại 5000 lần Hình 3.6 Hình thái bề mặt lớp phủ HA Ti theo nhiệt độ nung Trong khoảng nhiệt độ từ 500 0C đến 700 0C, bề mặt lớp phủ HA tồn hạt dạng hình cầu, chúng kết tụ thành đám tạo nên bề mặt không đồng đều, thô xốp Nhiệt độ nung tăng làm tăng kết dính hạt HA Tại 900 0C, bề mặt mẫu 12 khơng đám hạt kết tụ rời rạc hạt HA kết tinh với hình thái khác biệt hồn tồn so với mẫu nhiệt độ nung khác Hình 3.10 quan sát thấy cấu trúc lớp hình thành bề mặt Ti bao gồm: lớp TiO2 lớp HA chứng minh kết phân tích EDS bảng 3.3 Hình 3.10 Ảnh SEM mặt cắt ngang mẫu Bảng 3.3 Thành phần hóa học lớp phủ % nguyên tố Vị trí C O Ca P Ti Ô1 12,13 43,3 25,53 15,91 3,13 Ô2 6,86 34,69 0,18 0,01 58,26 Hình thái học bề mặt lớp phủ HA chế tạo nhiệt độ nung 900 0C với thời gian nung thay đổi từ đến thể hình 3.12 cho thấy thời gian nung tăng lên, nóng chảy dính kết hạt HA tăng lên Tuy nhiên, bề mặt mẫu 13 xuất vết nứt kích thước vết nứt lớn xảy mẫu nung Hình 3.12 Ảnh vi nứt bề mặt lớp phủ HA theo thời gian nung b Ảnh hưởng chế độ nung đến thành phần pha lớp phủ Hình 3.13.Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu HA theo nhiệt độ nung 14 Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X lớp HA với thay đổi thời gian nung Như vậy, nhiệt độ nung ảnh hưởng lớn đến tạo thành pha HA ơxy hóa titan Khi tăng nhiệt độ nung đến 900 0C cường độ pic HA lớn Trong khi, kéo dài thời gian nung làm cho cường độ pic TiO2 tăng lên c Ảnh hưởng chế độ nung đến độ bền bám dính lớp phủ Hình 3.15 Độ bền bám dính lớp HA với nhiệt độ nung thay đổi 15 Hình 3.16 Độ bền bám dính lớp HA với thời gian nung thay đổi Các mẫu đo độ bền bám dính phương pháp kéo đứt (pull-out) theo tiêu chuẩn ASTM F1044-99 Hình 3.15 rằng, lực bám dính lớp phủ tăng lên rõ rệt theo nhiệt độ nung Tại nhiệt độ nung 900 C thời gian nung giờ, lớp phủ HA có độ bền bám dính cao d Ảnh hưởng chế độ nung đến khả chống ăn mòn Hình 3.17 Đường cong phân cực anốt HA/Ti dung dịch Ringer 16 Hình 3.18 Đường cong phân cực anốt HA/Ti dung dịch Ringer Bảng 3.4 Thơng số điện hóa mẫu với nhiệt độ nung thay đổi icorr(µA/cm2) Ecorr(mV) Ti pure 9,84 319 Ti-HA 500 0C 3,93 304 Ti-HA 600 0C 3,09 288 Ti-HA 700 C 2,39 382 Ti-HA 800 0C 2,25 402 Kí hiệu mẫu Ti-HA 900 0C 1,09 445 Bảng 3.5 Thơng số điện hóa mẫu với thời gian nung thay đổi icorr(µA/cm2) Ecorr(mV)/ SHE HA 1h 3,93 390 HA 2h 2,27 405 HA 4h 1,09 445 HA 6h 5,35 407 Kí hiệu mẫu 17 HA 8h 6,02 365 Như vậy, lớp phủ HA giúp cải thiện khả chống ăn mòn vật liệu HA/Ti đáng kể, mẫu nung khoảng nhiệt độ 900 0C thời gian nung có khả chống ăn mòn tốt 3.1.3 Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính lớp phủ HA 3.1.3.1 Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính lớp phủ HA cách tạo lớp TiO2 trung gian Hình 3.26 Độ bền bám dính lớp phủ HA titan sau anốt hóa Lớp phủ HA mẫu anốt hóa với điện 40 V có lực bám dính cao nhất, gấp lần so với lớp phủ khơng xử lí anốt hóa đạt giá trị tới 17,84 MPa 3.1.3.2 Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính titan xốp Độ bám dính lớp phủ HA titan xốp đạt giá trị 28,5 MPa Như vậy, độ bền bám dính lớp phủ HA titan xốp tăng đến lần so với titan thường chưa xử lí bề mặt tăng đến 1,6 lần phủ lên titan sau anốt hóa 18 3.1.3.3 Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính lớp FHA So với lớp phủ HA lớp phủ FHA có độ bám dính tăng lên rõ rệt Trong lớp phủ FHA1 có độ bám dính tốt với lực bám dính 15,72 MPa 3.2 Đánh giá khả tương thích sinh học vật liệu 3.2.1 Nghiên cứu in-vitro 3.2.1.1 Nghiên cứu hình thành màng apatit thử nghiệm invitro Phổ tổng trở Nyquits mẫu theo thời gian ngâm có dạng cung bán nguyệt chưa hồn chỉnh ( hình 3.38) Trong đó, cung bán nguyệt thứ với đường kính nhỏ cung bán nguyệt thứ có đường kính tăng theo thời gian ngâm mẫu Sự hình thành lớp apatit bề mặt lớp phủ theo thời gian ngâm mẫu xác nhận ảnh SEM (hình 3.43) phân tích EDS Sau 21 ngày, hạt nhỏ li ti dày đặc kết tinh bề mặt lớp phủ Hình 3.38 Phổ tổng trở Nyquits vật liệu phủ HA dung 19 dịch SBF theo thời gian Hình 3.43 Ảnh SEM HA mẫu trước sau thử nghiệm in-vitro 3.2.1.2 Sự thay đổi thành phần dung dịch SBF sau thử nghiệm invitro Bảng 3.10 Sự thay đổi thành phần dung dịch SBF trước sau thử nghiệm in-vitro sau 21 ngày ngâm mẫu STT Chỉ tiêu SBF (mg/L) SBF/HA SBF/FHA (mg/L) (mg/L) Ca 49,5000 39,9000 38,6000 Cd