4. Kiến nghị và câu hỏi:
3.1.3.Phân tích nhiệt vi sai – DSC
Giản độ nhiệt DSC thể hiện nhiệt độ từ 50 đến 250 oC với tốc độ gia nhiệt 10oC/phút theo máy DSC 250 (TA Instrument) trong môi trường khí nitơ. Giản độ nhiệt DSC của PLA thương mại (PLA-0) và PLA gia công với nhiệt độ 200oC (PLA-200), thể hiện các nhiệt độ Tg, Tm, Tcc được minh họa Hình 3.3. Để hiểu thêm về bản chất của vật liệu PLA dưới tác động của nhiệt độ và tốc độ đùn. Giản đồ nhiệt DSC thể hiện rõ nhiệt độ thủy tinh hóa (Tg) ở 64,48 oC, nhiệt độ kết tinh nguội (Tcc) ở 97,62 oC và nhiệt độ nóng chảy (Tm) ở 169,51 oC của PLA-0. Đối với mẫu PLA-200 có sự khác biệt ở nhiệt độ kết tính nguội có giá trị nhỏ hơn so với mẫu PLA-0, cho nên quá trính kết tinh của mẫu PLA-200 sẽ chậm hơn so với PLA-0 [11]. Đẫn đến Vùng kết tinh của mẫu PLA – 200 tăng, năng lượng cung cấp cho quá trình kết tinh này lớn hơn so với mẫu PLA – 0.
Mẫu Chỉ số chảy (g/10 phút)
PLA – 190 18,98
34
Hình 3.3. Đường cong nhiệt – DSC của mẫu PLA thương mại (PLA-0) và PLA – 200
với thông số in nhiệt độ 200oC, vận tốc 50mm/s.
Khi gia công ở nhiệt độ 200oC và nhiệt độ kết tinh nguội Tcc= 96,86 oC, quá trình làm nguội mẫu, tốc độ làm nguội của mẫu PLA – 200 sẽ chậm hơn, các mạch polyme có thời gian chuyển động và sắp xếp lại theo trật tự dẫn đến sự ổn định của mẫu tạo thành. Điều này được chứng minh từ độ kết tinh của mẫu PLA thể hiện ở Bảng 3.4.
Bảng 3.4. DSC của mẫu PLA thương mại (PLA – 0) và PLA – 200 với thông số in
nhiệt độ 200o C, vận tốc 50mm/s
Mẫu Tg (oC) Tcc (oC) Tm (oC) ∆Hm(J.g-1) Xc(%) PLA-0 64,62 97,62 169,51 53,80 57,79
PLA-200 58,57 96,86 169,46 66,78 71,73 Trong đó: Độ kết tinh Xc(%)=∆𝐻𝑚
∆𝐻𝑚∗ ×100, với ∆𝐻𝑚∗=93,1 J/g (PLA) [43]; Tg: nhiệt độ chuyển thủy tinh hóa; Tcc: Nhiệt độ kết tinh nguội, Tm: nhiệt độ nóng chảy; ∆𝐻𝑚:enthalpy nóng chảy.
35 Kết quả mẫu PLA – 200 có độ kết tinh là 71,73% lớn hơn so với PLA – 0 (57,79%). Nó thể hiện được rằng mật độ kết tinh của PLA – 200 nhiều hơn so với mẫu PLA – 0, điều đó thể hiện rằng sự sắp xếp trật tự các mạng lưới polyme một cách theo thứ tự. Mật độ kết tinh có ảnh hướng đến tính chất cơ học và phân hủy sinh học của vật liệu PLA.
3.2. Cấu tạo hóa học và khối lượng phân tử polyme 3.2.1. Phân tích phổ hồng ngoại – FTIR
Kết quả phân tích phổ hồng ngoại FT-IR đo từ nhựa PLA với nhiệt độ gia công 200oC và thời gian khảo sát phân hủy khác nhau được thể hiện ở Hình 3.4, cho ta thấy được phổ hồng ngoại IR của hai mẫu giống nhau và có các đỉnh cơ bản cho thấy bản chất của PLA, được so sánh với phổ hồng ngoại IR của PLA tham khảo ở Mục 1.4.
Giữa hai mẫu PLA – 0Day và PLA – 7Days có một số đỉnh khác nhau. Do đó chúng tôi chỉ thực hiện so sánh giữa hai mẫu có cường độ đỉnh và một số đỉnh khác nhau.
Hình 3.4. Phổ hồng ngoại của PLA sau khi ngâm với dung dịch SBF với thời gian 0
và 7 ngày.
Quan sát phổ FT-IR của PLA-0day, có thể thấy các đỉnh dao động đặc trưng cho nhóm O-H xuất hiện ở 3677,9 cm-1, nhóm CH3 ở 3002,5 cm-1, Nhóm O=C=O ở 2313,1
36 cm-1, nhóm C=O ở 1752,9 cm-1, nhóm C-O ở 1278,1 cm-1, CH2 ở 1444,7 cm-1, CH1 ở 1539,6 cm-1 [43]. Sau khi khảo sát trong dung dịch SBF, mẫu PLA-7days có sự dịch chuyển đỉnh nhẹ so với các nhóm tương ứng trên mẫu PLA-0Day. Cụ thể các đỉnh dao động đặc trưng của PLA-7days cho các nhóm C=O, C-O tương ứng ở 1754,4 cm-1 và 1189 cm-1. Ngoài ra, còn có sự xuất hiện đỉnh dao động của nhóm OH ở 3505 cm-1, và cường độ đỉnh OH tại 3640 cm-1 và C-O ở 1189 cm-1 của mẫu PLA – 7Days cao hơn so với PLA-0Day. Điều này chứng tỏ, PLA đã có sự tương tác với dụng dịch SBF, dẫn đến sự giảm lực liên kết giữa mạch chính và có sự phân hủy trong mạch liên kết của PLA. Do có sự thủy phân của liên kết este C=O trong mạch chính tạo ra lactic acid, dẫn đến cường độ đỉnh OH ở 3640 cm-1 của mẫu PLA – 7days cao hơn so với mẫu PLA – 0day, và có sự xuất hiện nhóm OH ở đỉnh 3505 cm-1 và một phần còn nước trong mẫu.
3.2.2. Phân tích sắc ký gel – GPC
Kết quả sắc ký gel (GPC) của nhựa PLA, thể hiện đường cong parabola của phân tử lượng của polyme đa phân tán. Đỉnh của parabola thể hiện kết quả của phân tử lượng trung bình khối (Mw), đường cong parabola rộng, thể hiện polyme PLA có một dãy phân tử lượng trong khoảng 0,9x104 đến 0,4x106, phân lớn polyme PLA nằm trong khoảng 105. Chứng tỏ rằng, PLA là polyme đa phân tán vì chúng có nhiều loại mạch có khối lượng phân tử khác nhau. Các kết quả đo sắc ký gel (GPC) của mẫu PLA thể hiện phân tử lượng trung bình khối, phân tử lượng trung bình số và chỉ số đa phân tán theo nhiệt độ gia công (0 – 190 – 210 oC) ở Bảng 3.5. Kết quả phân tích sắc ký gel (GPC) với mẫu PLA-210 có giá trị chỉ số đa phân tán lớn nhất là 3,88, mẫu PLA – 0 có giá trị nhỏ nhất là 2,85. Điều này thể hiện, mẫu PLA-0 có khoảng giao động khối lượng phân tử trong vùng hẹp, mẫu này có ít loại mạch có khối lượng phân tử khác nhau. Còn mẫu PLA-210 thì có khoảng giao động khối lượng phân tử trong vùng rộng và có nhiều loại mạch có khối lượng phân tử khác dẫn đến chỉ số đa phân tán cao. Khối lượng phân tử trung bình khối có sự tăng lên ở mẫu PLA – 190 và PLA – 210 lần lượt là 22700 và 23500 (g/mol) so với mẫu PLA – 0 (22400 g/mol). Ngược lại thì, khối lượng phân tử trung bình số sẽ giảm dần theo nhiệt độ gia công.
Điều này chứng tỏ rằng, vật liệu PLA khi gia công nhiệt độ 190 và 210oC bằng kỹ thuật in – 3D có sự thay đổi khối lượng phân tử và chỉ số đa phân tán do các liên kết giữa các mạch polyme sẽ bị đứt giảm một phần, dẫn đến khối lượng phân tử trung bình số giảm, độ nhớt của tăng thì quá trình tạo mẫu sẽ nhanh hơn, quá trình định mẫu cũng sẽ nhanh hơn. Chúng thể hiện được sự ảnh hưởng đến tính chất vật liệu PLA.
37
Bảng 3.5. Khối lượng phân tử của PLA
Mẫu MW(g/mol) Mn(g/mol) Chỉ số đa phân tán (Ip) PLA – 0 2,24×105 7,86×104 2,85
PLA–190 2,27×105 7,09×104 3,20 PLA–210 2,35×105 6,05×104 3,88
Các kết quả trên so các số liệu tham khảo phân tử trung bình khối Mw =65000 (g/mol), chỉ số đa phân tán =2,12 của PLA ở Mục 1.4. Kết quả phân tích nhựa PLA
trong khảo sát, phân tử trung bình khối Mw= 22400 (g/mol) và chỉ số đa phân tán =2,85.
3.3. Cấu trúc vật liệu scaffold
3.3.1. Mật độ lỗ xốp bằng phương pháp cân thủy tĩnh
Dựa vào định luật Archimedes, chúng tôi đã khảo sát mật độ lỗ xốp của mẫu cấu trúc xốp scaffold bằng phương pháp thủy tĩnh với dung môi là ethanol. Kết quả mật độ lỗ xốp của mẫu được thể hiện ở Bảng 3.6.
Bảng 3.6. Mật độ lỗ xốp(%) của mẫu cấu trúc xốp scaffold
Mẫu cấu trúc xốp scaffold được tạo bằng kỹ thuật in – 3D FDM với thông số gia công nhiệt độ 190 – 210oC và vận tốc in 50mm/s từ nhựa PLA có giá trị mật độ lỗ xốp (%) lần lượt là; 40,94; 41,34; 40,52. Giữa các nhiệt độ thì mật độ lỗ xốp có chêch lệch nhưng không đáng kể. Trong khoàng nhiệt độ 190 – 210 oC, thể hiện mật lỗ xốp của mẫu cấu trúc xốp có sự ổn định. Giá trị mật độ lỗ xốp này là kết quả trước khi ngâm để khảo sát sự phân hủy sinh học, cơ sở để so sánh sự phân hủy sinh học của mẫu Scaffold.
3.3.2. Phân tích kính hiển vi quang học
Trong mô hình thiết kế mẫu cấu trúc xốp scaffold trên phần mềm Solidworks, kích thước sợi và khoảng cách giữa các sợi đều là 0,40 mm. Kết quả của kích thước sợi và khoảng cách giữa các sợi sau khi tạo mẫu bằng kỹ thuật in – 3D FDM ở các nhiệt độ 190oC – 210oC và khảo sát trong dung dịch SBF với thời gian 0 – 168 giờ được thể hiện ở Hình 3.5.
Nhiệt độ (oC) V0(cm3) m0(g) m1(g) V1(cm3) Mật độ lỗ xốp (%)
190 1,689 1,239 0,451 0,997 40,94
200 1,679 1,233 0,455 0,985 41,34
38
Hình 3.5. Kết quả, a) kích thước sợi; b) khoảng cách sợi của mẫu cấu trúc scaffold
PLA sau ngâm trong dung dịch SBF theo thời gian (0 – 1 – 24 – 168) giờ.
Giữa kích thước sợi và khoảng cách sợi có đối nghịch với nhau. Nhìn kết quả giữa
Hình 3.5a và 3.5b, kích thước sợi và khoảng cách sợi so với thiết kế trên phần mềm
solidworks có sự chệch lệch rõ rệt. Kích thước sợi trong khoảng 0,470 – 0,551 mm sai lệch với thiết kế khoảng 0,07 – 0,151 mm (17,5 – 37,75%), đối với khoảng cách sợi nằm trong khoảng 0,274 – 0,315 mm sai lệch tầm 0,085 – 0,126 mm ( 21,25 – 31,5%). Những sai lệch ở trên có thể chấp nhận được, vì kích thước sợi nhựa tăng thì khoảng cách sợi sẽ giảm điều này là hiển nhiên. Khi gia công nhiệt độ trong in – 3D FDM, có sự co rút
0.538 0.514 0.551 0.538 0.506 0.539 0.499 0.500 0.483 0.495 0.470 0.529 0.400 0.450 0.500 0.550 0.600 0 1 24 168 Kích thướ c sợi (m m )
Thời gian ngâm (h) a) 0.261 0.289 0.287 0.299 0.292 0.272 0.315 0.274 0.290 0.301 0.277 0.287 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0 1 24 168 Khoảng cách sợi (m m )
Thời gian ngâm (h) b) 2 190 200 210 2 10 190 200 210
39 của vật liệu khi được làm nguội ở ngoài môi trường, lưu lượng dòng nhựa sẽ tùy thuộc vào nhiệt độ dẫn đến kích thước sợi sẽ lớn hơn so với thiết kế mẫu.
Kết quả của kích thước sợi (Hình 3.5a) và khoảng cách giữa sợi (Hình 3.5b) sau khi khảo sát với dung dịch SBF với khoảng thời gian 1 – 168 giờ. Sau thời gian 1 giờ, mẫu 190oC có xu hướng giảm kích thước từ 0,539 xuống 0,514mm (0,024 mm), sau 24 giờ tăng lên 0,551mm (0,023 mm), sau 168 giờ thì không có sự giảm kích thước sợi, còn khoảng cách sợi có sự tăng biến thiên theo thời gian khảo sát, tăng từ 0,261 – 0,299mm. Mẫu 200oC, sau 1 giờ thì có sự tăng kích thước sợi từ 0,506 lên 0,539 mm, sau 24 giờ thì giảm xuống 0,499mm, sau 168 giờ giảm xuống 0,500mm, ngược lại thì khoảng cách sợi sau 1 giờ giảm từ 0,292 xuống 0,272 mm, sau 24 giờ tăng lên 0,315 mm và sau 168 giờ tăng lên 0,274mm. Còn đối với mẫu 210oC, kích thước sợi tăng từ 0,483 lên 0,495mm sau 1 giờ, giảm xuống 0,470mm sau 24 giờ và tăng lên 0,529 mm sau 168 giờ khảo sát, với khoảng cách giữa hai sợi tăng từ 0,290 lên 0,301 mm sau 1 giờ, sau đó giảm xuống 0,277 mm sau 24 giờ, cuối cùng giảm xuống 0,287 mm sau 168 giờ.
Tóm lại, khi kích thước sợi nhựa giảm thì khoảng cách sợi sẽ tăng lên, điều đó đúng với kết quả thực nghiệm trên, nhưng có một số giá trị lại không phù hợp với kết luận này. Nhiệt độ sẽ ảnh hướng tới lưu lượng chảy của dòng nhựa PLA dẫn đến kích thước sợi sẽ phụ thuộc vào dòng nhựa.
3.4. Tính chất phân hủy sinh học của vật liệu PLA 3.4.1. Ngâm phân hủy trong môi trường SBF 3.4.1. Ngâm phân hủy trong môi trường SBF
Kết quả khảo sát phân hủy sinh học được thực hiện trong dung dịch SBF theo phương pháp KOKUBU môi trường in-vittro. Giá trị pH của dung dịch SBF sau khi khao sát phân hủy với thời gian 1 – 168 giờ được thể hiện ở Hình 3.6. Với khảo sát phân hủy của mẫu scaffold tăng dần theo thời gian thì giá trị pH của dung dịch SBF giảm dần từ 7,4 xuống 6,98 sau 168 giờ, là kết quả của acid lactic mà PLA phân hủy thành [20]. Chứng tỏ việc khảo sát mẫu scaffold tạo từ nhựa PLA có sự tương tác với dung dịch SBF trong môi trường in-vitro. Giá trị pH của dung dịch SBF giảm theo thời gian 1 –24 – 168 giờ lần lượt là 7,04; 7,06; 6,98.
40
Hình 3.6. Giá trị pH của dung dịch SBF sau theo thời gian ngâm mẫu (0 – 1 – 24 –
168 giờ).
Việc thay đổi giá trị pH của dung dịch SBF, chứng minh được quá trình giảm khối lượng, mật độ lỗ xốp, kích thước sợi và khoảng cách sợi của mẫu scaffold. Sự giảm khối lượng của mẫu scaffold sau khi khảo sát phân hủy sinh học trong dung dịch SBF được thể hiện ở Hình 3.7. Sự giảm khối lượng mẫu scaffold được thể hiện sau 1 – 24 – 168 giờ ngâm trong dung dịch SBF. Ở mẫu gia công nhiệt độ 210oC, giá trị giảm khối lượng theo thời gian 1 – 24 – 168 giờ lần lượt là 0,081%; 0,162%; 0,162%. Với mẫu gia công nhiệt độ 200oC, có giá trị giảm khối lượng theo thời gian 1 – 24 – 168 giờ lần lượt là 0,08%; 0,10%; 0,16%. Sau 1 – 24 – 168 giờ khảo sát phân hủy sinh học, giá trị giảm khối lượng của mẫu scaffold có thông số nhiệt độ gia công 190oC lần lượt là 0,079%; 0,107%; 0,135%. Tóm lại, ở các nhiệt độ gia công 190, 200, 210oC, mẫu scaffold đều có sự giảm khối lượng theo thời gian khảo sát, phần trăm giảm khối lượng có giá trị lớn nhất ở nhiệt độ 210oC là 0,162%; thấp nhất là 0,079% ở mẫu với nhiệt độ gia công 190oC sau 168 giờ (7 ngày).
7.40 7.04 7.06 6.98 6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 7.0 7.2 7.4 7.6 0 1 24 168 pH dung dịch SBF
Thời gian ngâm(h)
pH
dung
dịch
41
Hình 3.7. Độ giảm khối lượng (%) mẫu scaffold ngâm trong dung dịch SBF với thời
gian ngâm (1 – 24 – 168 giờ).
Đối với vấn đề giảm khối lượng, đồng nghĩa với việc kích thước sợi của nhựa PLA sau khi gia công mẫu scaffold sẽ bị phân hủy dẫn đến mật độ lỗ xốp của mẫu cấu trúc scaffold với các nhiệt độ gia công 190 – 210 oC tăng lên theo thời gian khảo sát trong dung dịch SBF môi trường in-vitro. Ở Hình 3.8, thể hiện kết quả mật độ lỗ xốp của mẫu scaffold khảo sát trong dung dịch SBF môi trường in-vitro với thời gian 1 – 168 giờ. Ở nhiệt độ 210oC, mật độ lỗ xốp có giá trị lần lượt theo thời gian khảo sát 1 – 24 – 168 giờ là 42,13%; 42,18%; 41,54% và thể hiện xu hướng tăng mật độ lỗ xốp so với mẫu 0 giờ (40,94%), giá trị mật độ lỗ xốp tăng trong khoảng 0,6 – 1,24%. Với mẫu scaffold có thông số gia công nhiệt độ 200oC, mật độ lỗ xốp có xu hướng giảm theo thời gian khảo sát 1 – 24 – 168 giờ có giá trị lần lượt là 39,27%; 39,37%; 40,72%, so với 41,34% của mẫu 0 giờ, giá trị mật độ lỗ xốp giảm trong khoảng 0,62 – 2,07%. Nếu xét về hướng so sánh giữa các thời gian khảo sát 1 – 168 giờ thì giá trị mật độ lỗ xốp tăng tịnh tuyến. Còn ở mẫu 190oC, có giá trị mật độ xốp tăng – giảm theo thời gian 1 – 24 – 168 giờ lần lượt là 40,37%; 41,12%; 38,83%, giá trị mật độ lỗ xốp giảm 0,15% sau 1 giờ khảo sát (40,52 giảm xuống 40,37%), tăng 0,6% tại 24 giờ (40,52 tăng lên 41,12%) và lại giảm 0,69% sau 168 giờ khảo sát (40,52 giảm xuống 38,83%). Tóm lại, mật độ lỗ xốp của mẫu scaffold tăng khi thời gian khảo sát tăng, do sự tương tác giữa PLA với dung dịch SBF theo thời gian dài thì sự hình thành acid lactic càng nhiều bởi sự phân hủy PLA mà ra. Trong nghiên cứu này, thời gian khảo sát chỉ có 168 giờ, không thể hiện rõ được sự phân hủy của các sợi nhựa PLA. Sự tăng mật độ lỗ xốp khi các sợi nhựa giảm cấp chỉ
0.079 0.107 0.135 0.08 0.10 0.16 0.081 0.162 0.162 0.0 0.1 0.1 0.2 0.2 1 24 168
Thời gian ngâm (h)
Giảm khối lượ ng(% ) 2 190 200 210
42 thể hiện ở nhiệt độ 210oC, ở mẫu 200oC nó vẫn thể hiện từ thời gian 1 – 168 giờ và mẫu 190oC nó chỉ thể hiện từ 0 – 24 giờ.
Hình 3.8. Mật độ lỗ xốp (%) của mẫu scaffold ngâm trong dung dịch SBF với thời
gian ngâm (0 – 1 – 24 – 168 giờ).
Chứng tỏ nhiệt độ gia công có sự ảnh hưởng đến sự phân hủy của các sợi nhựa PLA thành acid lactic nhưng cần có thời gian khảo sát nhiều hơn để chứng minh những nhận định ở trên là đúng.