Hình 3. 12: Phổ FT-IR của a) HAp; b) PCL; c) HAp/PCL
Phổ FT-IR của HAp, sợi electrospun PCL và sợi micro electrospun HAp/PCL được thể hiện trong Hình 3.12. Các đỉnh hấp thụ đặc trưng của sợi electrospun PCL bao gồm dao động kéo dài không đối xứng và đối xứng của nhóm CH2 lần lượt tại vị trí 2944 cm- 1 và 2866 cm-1; đỉnh hấp thụ đặc trưng của este (C=O) ở 1722 cm-1. Đỉnh hấp thụ đặc trưng cho HAp thể hiện ở 1106 cm-1, 1045 cm-1 (PO4 dao động kéo dài), 563 cm-1 (PO4
dao động uốn cong). Các nhóm này đều được thể hiện ở mẫu sợi micro electrospun HAp/PCL chứng tỏ rằng PCL và HAp không xảy ra phản ứng trong hỗn hợp. Tuy nhiên, vị trí của các đỉnh hấp thụ hồng ngoại bị xê dịch so với phổ PCL và HAp tinh khiết. Điều này có thể là do sự tương tác giữa pha rắn của HAp và pha polymer của PCL. Ngoài ra, do lượng HAp được thêm vào dung dịch PCL ít (2 %kl HAp) nên cường độ các peak đặc trưng cho nhóm PO4 khá thấp [49].
3.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ polymer
Qua khảo sát nồng độ PCL và việc lựa chọn dung môi phù hợp để tạo sợi electrospun PCL ở mục 3.2 thì nhóm tiếp tục sử dụng nồng độ 27 %kl PCL và dung môi DCM để chế tạo sợi PCL có chứa các hạt HAp. Các hạt HAp được tổng hợp ở thí nghiệm trên khi thêm vào dung dịch PCL, chỉ phân tán vào trong nền polymer PCL tạo thành hỗn hợp huyền phù HAp/PCL. Do nồng độ chất rắn (HAp) được thêm vào nên khi thực hiện quá trình electrospinning, dòng hỗn hợp HAp/PCL đi đến đầu kim gây ra hiện tượng tắt nghẽn do các hạt HAp tổng hợp có độ kết tụ cao. Vì thế, việc thêm các hạt HAp vào dung dịch PCL đòi hỏi quá trình tạo sợi micro electrospun HAp/PCL phải sử dụng đầu kim có đường kính trong lớn hơn đầu kim 20G (đường kính trong 0,62 mm) như ở khảo
sát. Do đó nhóm thay đổi đầu kim 20G thành đầu kim 18G (đường kính trong 0,97 mm) để thực hiện khảo sát cho quá trình tạo sợi này.
Sau quá trình thực hiện khảo sát sự tạo sợi micro electrospun HAp/PCL ở các nồng độ khác nhau, các thông số chế tạo khác vẫn được giữ cố định (dung môi DCM; điện áp đặt vào 16 kV; lưu lượng phun 1 ml/h; khoảng cách phun 17,5 cm; đầu kim 18G), nhận thấy rằng ở nồng độ PCL dưới 32 %kl thì mẫu thu được hoàn toàn ở dạng hạt (Hình
3.13a). Tuy nhiên các hạt ở nồng độ 34 %kl PCL bắt đầu có hiện tượng kéo dãn ra, tạo
thành các hạt thuôn dài (Hình 3.13b). Tăng nồng độ PCL lên 36 %kl, thu được mẫu các sợi micro electrospun HAp/PCL với hình thái sợi tương đối đồng đều tuy nhiên vẫn còn một số khuyết tật (Hình 3.13c). Tiếp tục tăng nồng độ lên 38 %kl PCL, sợi tạo thành có đính hạt, có hiện tượng kết dính giữa các sợi với nhau. (Hình 3.13d).
Hình 3. 13: Ảnh kính hiển vi của sợi electrospun HAp/PCL ở các nồng độ polymer PCL khác nhau: (a) 32 %kl PCL; (b) 34 %kl PCL; (c) 36 %kl PCL; (d) 38 %kl
PCL (2% kl HAp; DCM; 16 kV; 1 ml/h; 17,5 cm; 18G).
Bản chất của polymer - PCL chính là độ rối của phân tử trong các chuỗi polymer quyết định đến hình thái của sợi micro electrospun HAp/PCL thông qua quá trình electrospinning. Nồng độ polymer quyết định độ rối chuỗi trong phân tử polymer. Sự tạo thành các vi hạt/sợi polymer bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như nồng độ, độ nhớt, sức căng bề mặt của dung dịch polymer,...[50]. Khi nồng độ polymer thấp dẫn đến độ nhớt hỗn hợp HAp/PCL, độ rối chuỗi của các phân tử polymer không cao nên mẫu thu được chỉ có hình thái hạt. Với sự gia tăng nồng độ PCL, cả độ nhớt và lực điện trường đều tăng trong khi sức căng bề mặt giảm, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành các sợi micro electrospun HAp/PCL. Tuy nhiên khi tăng nồng độ polymer PCL lên cao, quá trình phun tạo sợi trở nên khó khăn. Do độ nhớt dung dịch quá cao, dung môi bay hơi
Vì thế, nhóm đã chọn nồng độ 36 %kl PCL để khảo sát cho các thông số chế tạo khác để tạo thành sợi micro electrospun HAp/PCL.
3.3.3 Ảnh hưởng của lưu lượng phun
Lưu lượng phun là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hình thái và đường kính trung bình của sợi electrospun thu được. Chế độ phun lý tưởng là chế độ phun hình nón Taylor ổn định được hình thành trong quá trình electrospinning và tốc độ hình thành sợi bằng tốc độ phun, dẫn đến quá trình electrospinning nhanh và ổn định hơn [52].
Khi tiến hành quá trình electrospinning ở nồng độ dung dịch 36 %kl PCL; 2 %kl HAp trong dung môi DCM; điện thế 15 kV; khoảng cách từ đầu kim đến bản thu 17,5 cm; đầu kim 18G và lưu lượng phun 1,0 ml/h; 1,2 ml/h thu được sợi micro electrospun HAp/PCL như Hình 3.14. Ở lưu lượng phun thấp 1,0 ml/h thì ta quan sát thấy sợi thu được hình thái sợi tương đối đồng đều, bề mặt khô, tương đối mịn (Hình 3.14a). Tuy nhiên, khi tăng lưu lượng phun lên 1,2 ml/h thì làm cho sợi bị biến dạng, có sự kết dính giữa các sợi với nhau, hình thái không đồng đều do dung môi bay hơi chưa hoàn toàn. Kết quả là, khi các sợi bay đến bản thu thì chúng bị biến dạng và kết dính vào nhau (Hình 3.14b).
Hình 3. 14: Ảnh hưởng của lưu lượng phun đến hình thái và kích thước sợi micro electrospun HAp/PCL: (a, c) 1 ml/h; (b, d) 1,2 ml/h (36 %kl PCL; 2 %kl HAp;
Hơn nữa, việc thay đổi lưu lượng phun cũng làm thay đổi kích thước của các sợi micro electrospun HAp/PCL. Từ kết quả Hình 3.14c, d có thể nhận thấy được rằng khi lưu lượng phun tăng từ 1 ml/h đến 1,2 ml/h thì đường kính trung bình của các sợi micro electrospun HAp/PCL thu được cũng tăng đáng kể từ 13,43 ± 3,062 μm lên 26,52 ± 8,266 μm. Từ đó, hình thái và kích thước sợi cũng có thể được điều chỉnh bằng cách tăng hoặc giảm lưu lượng phun một cách phù hợp với sản phẩm sợi mong muốn. Trong nghiên cứu này, nhóm nhận thấy lưu lượng phun 1 ml/h là phù hợp cho việc chế tạo sợi.
3.3.4 Ảnh hưởng của điện áp đặt vào
Trong quá trình electrospinning, cần đặt vào một điện áp có giá trị thích hợp để hình thành một lực điện trường đủ lớn để vượt qua sức căng bề mặt và đẩy giọt dung dịch tích điện ra khỏi đầu kim và kéo sợi. Ở giá trị điện áp phù hợp sẽ tạo ra chế độ phun Taylor-cone jet ổn định, sợi thu được có hình thái và kích thước sợi đồng đều [41].
Thực hiện khảo sát tạo sợi micro electrospun HAp/PCL ở các điện áp đặt vào thay đổi từ 13 kV đến 16 kV (36 %kl PCL; 2 %kl HAp; DCM; lưu lượng phun 1,0 ml/h; khoảng cách phun 17,5 cm; đầu kim 18G) được thể hiện ở Hình 3.15. Ở điện áp 13 kV, điện trường yếu dẫn đến quá trình phun sợi không liên tục, sợi thu được có đính hạt (Hình 3.15a). Khi tăng dần điện áp từ 14 kV - 16 kV thì thu được sợi với mật độ hạt giảm dần, kích thước sợi trở nên tương đối đồng đều hơn (Hình 3.14b, c, d). Nếu tăng điện áp cao hơn 16 kV thì lực điện trường lớn làm tia có xu hướng bị giật lắc mạnh, gây ra chế độ đa tia, không ổn định, khó khăn cho quá trình khảo sát phun tạo sợi micro electrospun HAp/PCL. Từ kết quả đo được ở Hình 3.15e, f, g, h có thể thấy được, việc tăng điện áp đặt vào dẫn đến đường kính trung bình của sợi micro electrospun HAp/PCL giảm xuống tương ứng. Khi tăng điện áp từ 13 kV lên 14 kV thì đường kính trung bình của sợi giảm từ 16,84 ± 2,83 μm xuống 15,28 ± 2,76 μm. Đường kính trung bình của sợi micro electrospun HAp/PCL tiếp tục giảm xuống từ 13,43 ± 3,06 μm đến 12,15 ± 2,32 μm tương ứng với điện áp tăng từ 15 kV lên 16 kV.
Việc tăng điện áp đặt vào tỷ lệ thuận với việc tăng lực điện trường tác động vào tia dung dịch, tăng lực kéo dài sợi. Điều này dẫn đến giảm đường kính sợi thu được và làm dung môi bay hơi nhanh [18]. Nhưng khi tăng điện áp tăng lên, các giọt dung dịch polymer có sự tích điện rất cao, do đó các vi cầu sau khi được phun ra từ đầu kim bị kéo căng bởi lực tĩnh điện Coulomb và thay đổi hình thái từ các hạt kéo dài, hạt thuôn nhọn hoặc sợi có đính hạt và các sợi nano/micro electrospun [41]. Khi tia dung dịch hình thành chế độ phun hình nón Taylor thì kích thước của sợi micro electrospun HAp/PCL không
bị giảm đáng kể khi điện áp tăng [53]. Trong nghiên cứu này, nhóm nhận thấy điện
thế 16 kV là phù hợp cho việc tạo sợi.
Hình 3. 15: Ảnh hưởng của điện áp đặt vào đến hình thái và kích thước sợi micro electrospun HAp/PCL: (a, e) 13 kV; (b, f) 14 kV; (c, g) 15 kV; (d, h) 16 kV (36
%kl PCL; 2 %kl HAp; DCM; 1 ml/h; 17,5 cm; 18G). * Nhận xét:
Qua khảo sát sự tạo sợi micro electrospun HAp/PCL trong quá trình electrospinning, nhóm đã chọn ra được các thông số tối ưu để sợi tạo ra có sự đồng đều về hình thái và kích thước: 36 %kl PCL; 2 %kl HAp; DCM; 1 ml/h; 16 kV; 17,5 cm; 18G. Cấu trúc lỗ xốp của sợi micro electrospun HAp/PCL được phân tích thông qua ảnh
SEM (Hình 3.16a). Các sợi PCL thu được với định hướng sợi ngẫu nhiên trên tấm nhôm với đường kính sợi trung bình 14,21 μm và độ lệch chuẩn là 1,98 μm (Hình 3.16b). Do bột HAp sau khi tổng hợp được có hiện tượng kết tụ cao nên khi cho vào dung dịch polymer vẫn chưa phân tán hoàn toàn. Điều này ảnh hưởng đến hỗn hợp HAp/PCL khi đến đầu kim bị tắc nghẽn, gây gián đoạn quá trình tạo sợi. Quan sát nhận thấy rằng các sợi micro electrospun HAp/PCL thu được vẫn còn một số khuyết tật, bề mặt sợi bị nhăn có thể do trong quá trình electrospinning, dung môi chưa bay hơi hết hoàn toàn khi sợi được kéo đến bản thu (Hình 3.16a). Các hạt HAp được quan sát bên trong sợi polymer và cũng được tạo thành các kết tụ trên bề mặt sợi nhưng do sử dụng nồng độ HAp quá thấp (2 %kl HAp) để tiến hành tạo sợi nên số lượng hạt HAp có thể nhận thấy được trên sợi là rất ít. Sự hiện diện của các hạt HAp đã được chứng minh bằng phổ FT-IR (Hình
3.12).
Hình 3. 16: (a) Ảnh SEM bề mặt sợi micro electrospun HAp/PCL; (b) giản đồ phân bố đường kính sợi micro electrospun HAp/PCL.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công bột HAp từ Ca(OH)2 và H3PO4 bằng phương pháp kết tủa hóa học. Trong đó, mẫu HAp được tổng hợp ở 50 oC và nung ở 950
oC được xem là tốt nhất trong các mẫu mà nhóm đã tổng hợp. Điều này được xác định qua hiệu suất tổng hợp cao hơn mà mẫu đạt được (67,26 %), ảnh nhiễu xạ tia X và phổ hấp thụ hồng ngoại FT-IR. Thông qua hình ảnh FE-SEM có thể quan sát thấy hình dạng của tinh thể bột HAp giống như hình que.
Hình thái và kích thước sợi electrospun PCL bị ảnh hưởng bởi các thông số chế tạo như: nồng độ polymer, lưu lượng phun, điện áp đặt vào, dung môi. Khi %kl PCL tăng thì hình thái dần thay đổi từ dạng hạt sang dạng sợi đính hạt và sợi. Khi tăng lưu lượng phun thì kích thước sợi thu được cũng tăng dần. Tuy nhiên kích thước sợi electrospun PCL giảm khi điện áp đặt vào tăng lên. Tùy vào từng loại dung môi có độ dẫn điện, độ bay hơi cũng như độ nhớt khác nhau sẽ làm thay đổi hình thái cũng như kích thước sợi electrospun PCL thu được. Đối với dung môi Chloroform làm các sợi kết dính vào nhau và bị biến dạng khi đến bản thu. Còn dung môi DCM có độ bay hơi nhanh, tạo ra các sợi có sự đồng đều về kích thước, sợi ít bị biến dạng hay kết dính khi bay đến bản thu. Thông số phù hợp nhất để tạo được sợi electrospun PCL có kích thước đồng đều, đơn phân tán và có độ lặp lại là: 27 %kl PCL; dung môi DCM; lưu lượng phun 0,3 ml/h; điện áp đặt vào 16 kV; khoảng cách phun 17,5 cm, đầu kim 20G. Sợi electrospun PCL thu được từ các thông số trên có đường kính trung bình là 4,16 μm và độ lệch chuẩn là 0,62 μm.
Sợi micro electrospun HAp/PCL được chế tạo thành công bằng phương pháp electrospinning với các thông số tốt nhất trong các khảo sát: nồng độ 36 %kl PCL; 2 %kl HAp; dung môi DCM; lưu lượng phun 1 ml/h; điện áp đặt vào 16 kV; khoảng cách 17,5 cm; đầu kim 18G. Sợi micro electrospun HAp/PCL thu được có đường kính trung bình là 14,21 μm và độ lệch chuẩn là 1,98 μm.
Sợi micro electrospun HAp/PCL được định hướng chế tạo scaffold có thể phân hủy sinh học trong các nghiên cứu tiếp.
Kiến nghị
- Khảo sát thêm sự ảnh hưởng của nồng độ %kl HAp đến hình thái và kích thước sợi micro electrospun HAp/PCL.
- Nghiên cứu đánh giá quá trình phân hủy trong invitro và sự an toàn của sợi micro electrospun HAp/PCL.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Li, H., Huang, C., Jin, X., & Ke, Q. (2018). An electrospun poly(ε-caprolactone) nanocomposite fibrous mat with a high content of hydroxyapatite to promote cell infiltration. RSC Advances, 8(44), 25228–25235.
[2] https://bme.hcmiu.edu.vn/phong-thi-nghiem/ptn-ky-thuat-mo-va-y-hoc-tai-tao. [3] Habibah, TU; Salisbury, HG (2018 Jan). “Biomaterials, Hydroxyapatite”. PMID 30020686.
[4] Ferraz, M. P.; Monteiro, F. J.; Manuel, C. M. (2004). “Hydroxyapatite nanoparticles: A review of preparation methodologies”. Journal of applied biomaterials & biomechanics: JABB 2 (2): 74–80. PMID 20803440.
[5] Bouyer, E.; Gitzhofer, F.; Boulos, M. I. (2000). “Morphological study of hydroxyapatite nanocrystal suspension”. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 11 (8): 523–31. PMID 15348004.
[6] Ukoković, V., & Uskoković, D. P. (2010). Nanosized hydroxyapatite and other calcim phosphates: Chemistry of formation and application as drug and gene delivey agents. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 96B(1), 152–191.
[7] Azila S, Sopyan I, Hamdi M, Ramesh S. Mechanochemical Synthesis of Nanoszed Hydroxyapatite Powder and its Conversion to Dense Bodies Mater. Sci Forum 2011;694:118-122.
[8] Riamonti U, Crooks J, Khoali L, Roden L. The induction of bone formation by coralerived calcium carbonate/hydroxyapatite constructs. Biomaterials 2009; 30:1428- 1439.
[9] Bột Hydroxyapatite Canxi Giá Tốt Nhất Bột Xương Bột Nano Hydroxyapatite - Buy Canxi Hydroxyapatite,Canxi Hydroxyapatite Giá,Canxi Hydroxyapatite Bột Product on Alibaba.com.
[10] http://nanotechnology.com.vn/A231/Gioi thieu ve nano canxi.htm?&lang=en. [11] Pepla, Erlind; Besharat, Lait Kostantinos; Palaia, Gaspare; Tenore, Gianluca; Migliau, Guido (2014-11-20). "Nano-hydroxyapatite and its applications in preventive, restorative and regenerative dentistry: a review of literature". Annali diStomatologia. 5 (3):108114. ISSN 18240852. PMC 4252862. PMID 25506416. [12] Bordea, Ioana Roxana; Candrea, Sebastian; Alexescu, Gabriela Teodora; Bran, Simion; Băciuț, Mihaela; Băciuț, Grigore; Lucaciu, Ondine; Dinu, Cristian Mihail; Todea, Doina Adina (2020-04-02). "Nano-hydroxyapatite use in dentistry: a systematic
[13] Richards, M. P.; Schulting, R. J.; Hedges, R. E. M. (2003). "Archaeology: Sharp shift in diet at onset of Neolithic" (PDF). Nature. 425 (6956):366. Bibcode:2003Natur.425..366R. PMID 14508478. S2CID 4366155.Archived from theoriginal (PDF) on 2011-03-07. Retrieved 2015-08-28.
[14] Sankannavar, R., & Chaudhari, S. (2019). An imperative approach for fluorosis mitigation: Amending aqueous calcium to suppress hydroxyapatite dissolution in defluoridation. Journal of Environmental Management, 245, 230–237.
[15] Engelberg I., Kohn J. Physico-mechanical properties of degradable polymers used in medical applications: a comparative study. Biomaterials. 1991 Apr;12(3):292–304. [16] Pena J., Corrales T., Izquierdo-Barba I., Doardrio A.L., Vallet Regi M. Long term degradation of poly(3-caprolactone) films in biologically related fluids. Polym Degrad Stab. 2006;91:1424–1432.
[17] Tokiwa Y, Calabia BP, Ugwu CU, Aiba S (August 2009). "Biodegradability of plastics". International_Journal_of_Molecular_Sciences. 10 (9):372242. PMC 2769161 . PMID 19865515.
[18] Hajiali F, Tajbakhsh S, Shojaei A (28 June 2017). "Fabrication and Properties of Polycaprolactone Composites Containing Calcium Phosphate-Based Ceramics and Bioactive Glasses in Bone Tissue Engineering: A Review". Polymer Reviews. 58 (1):164207. S2CID 103102150
[19] Labet M, Thielemans W (December 2009). "Synthesis of polycaprolactone: a review". ChemicalSociety_Reviews. 38 (12):3484504. PMID 20449064.
[20] Formhals, Anton et al. "Process and apparatus for preparing artificial threads" U.S. Patent 1,975,504 Issue date: October 2, 1934.
[21] Formhals, Anton et al. "Method and apparatus for spinning" U.S. Patent 2,349,950 Issue date: May 30, 1944.
[22] Taylor, G. (1969). "Electrically Driven Jets". Proceedings of the Royal Society A. 313 (1515):453475. Bibcode:1969RSPSA.313..453T. JSTOR 2416488. S2CID 122 790146.
[23] Haoxuan Li, Chen Huang, Xiangyu Jin and Qinfei Ke*. An electrospun poly(ε- caprolactone) nanocomposite fibrous mat with a high content of hydroxyapatite to promote cell infiltration. 2018, 8, 25228-25235.
[24] Sorin-Ion Jinga, Andreea-Ioana Zamfirescu, Georgeta Voicu, Monica Enculescu, Alexandru Evanghelidis and Cristina Busuioc. PCL-ZnO/TiO2/HAp Electrospun