CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.3. Vật liệu compozit trờn cơ sở PLA
1.3.1. Vật liệu compozit
Vật liệu compozit là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khỏc nhau tạo lờn vật liệu mới cú tớnh năng hơn hẳn vật liệu ban đầu. Mỗi compozit gồm pha liờn tục và pha phõn tỏn. Pha liờn tục gọi là vật liệu nền để liờn kết cỏc pha phõn tỏn. Pha phõn tỏn hay cũn gọi là vật liệu tăng cường, được trộn vào pha nền làm tăng cơ tớnh, tớnh kết dớnh [8]
PLA là polyme cú nhiều tớnh chất tốt, dễ gia cụng, khả năng tương hợp và phõn huỷ sinh học nờn được sử dụng nhiều trong tổng hợp cỏc compozit cú ứng dụng trong y sinh. PLA cú vai trị như một chất mang (pha liờn tục) trong compozit.
Ở Việt Nam, cỏc tỏc giả Thỏi Hồng, Đỗ Văn Cơng và cộng sự ở Viện Kỹ thuật nhiệt đới đó nghiờn cứu thủy phõn của PLA, vật liệu polyme blend PLA/EVA với EVA cú hàm lượng VA ≤ 42% chế tạo bằng cỏc phương phỏp dung dịch và trộn núng chảy [62]. Kết quả cho thấy PLA, vật liệu polyme blend PLA/EVA và vật liệu compozit PLA/EVA/CaCO3 đều bị thủy phõn trong dung dịch HCl, NaOH và đệm photphat) và thủy phõn lớn nhất trong mơi trường kiềm. Q trỡnh thủy phõn phụ thuộc vào nhiệt độ, chiều dày mẫu. Mẫu cú chiều dày từ 0,16 mm - 0,26 mm bị thủy phõn lớn nhất [1]. Nhúm tỏc giả cũng đó thực hiện nghiờn cứu chế tạo vật liệu polyme tổ hợp chitosan/polyaxit lactic cú sử dụng polycaprolacton làm chất tương hợp (10% và 20%) kết quả thu được vật liệu tổ hợp PLA/chitosan cú kớch thước nano của chitosan phõn tỏn trong pha PLA [5].
GS.TSKH. Trần Vĩnh Diệu và cỏc đồng nghiệp ở Trường Đại học Bỏch khoa Hà Nội đó nghiờn cứu vật liệu polyme compozit trờn cơ sở PLA gia cường bằng cỏc sợi tự nhiờn như sợi tre [17] hay sợi nứa [2, 8]. Độ bền uốn, độ bền va đập và độ dai của vật liệu compozit PLA/sợi tre lớn hơn so với PLA. Độ bền kộo của PLA tăng 69,4 % khi đưa vào PLA 40 % sợi nứa [8].
Như đó trỡnh bày ở trờn, HAp cú khả năng tương tỏc sinh học cao nờn cú nhiểu ứng dụng trong y sinh. Tuy nhiờn, tớnh chất cơ lý của HAp khụng đỏp ứng được yờu cầu của vật liệu y sinh. Trong khi đú, PLA là một polime cú khả năng phõn hủy sinh học tốt nờn việc ghộp HAp lờn bề mặt PLA tạo ra vật liệu cú thể đỏp ứng được yờu cẩu của vật liệu sử dụng trong y sinh. PLA cú vai trị như một chất mang (pha liờn tục) trong nanocompozit PLA/HAp, HAp (pha phõn tỏn) trờn nền chất mang PLA. Việc ghộp này cú tỏc dụng làm tăng khả năng tương thớch sinh học
của vật liệu với xương so với PLA ở dạng đơn lẻ và tăng tớnh chất cơ lý của vật liệu HAp.
Liờn kết hydro giữa nguyờn tử oxy của nhúm -COO trong PLA với nhúm – OH của HAp được thể hiện bằng vạch nột đứt trong hỡnh mơ phỏng dưới đõy [29].
Hỡnh 1.5. Hỡnh ảnh liờn kết của HAp và PLA (nột đứt)
Trong nghiờn cứu của X. Deng và cụng sự, HAp tổng hợp bằng phương phỏp thủy nhiệt khuyết Ca và cú tinh thể với cấu trỳc dạng que cú độ dài trong khoảng 40-80 nm và độ rộng là 20-40 nm. Cỏc tinh thể nano này cú cỏc đặc trưng tương tự như khoỏng xương về mặt hỡnh thỏi học và thành phần nờn khả năng tạo xương bằng việc sử dụng tổ hợp PLA/HAp và PLA/nanoHAp là rất cú triển vọng. Kết quả nghiờn cứu bằng kớnh hiển vi điện tử truyền qua (TTễI) cho thấy sự phõn tỏn tốt của tinh thể nano HAp trong PLA [70].
Năm 2006 giỏo sư người Nhật Fukue Nagata và cộng sự đó tổng hợp PLA/HAp. Cỏc kết quả phõn tớch ảnh EM, phổ FT-IR, phõn tớch phổ nhiễu xạ tia X,
năng lượng tỏn xạ tia X cho thấy nồng độ dung dịch Ca(CH3COO)2 và (NH4)2HPO4 ảnh hưởng đến pha tinh thể và cỏc liờn kết của PLA/HAp. [24].
Năm 2008, Ting Tian và cộng sự người Trung Quốc đó chế tạo vật liệu nanocompozit PLA/d-HAp bằng phương phỏp ngõm/nhỳng HAp đó thiờu kết vào dung dịch của PLA đó được chuẩn bị trước sau đú dựng kỹ thuật ly tõm để loại bỏ dung dịch PLA khụng tham gia vào vật liệu compozit [61]. Ảnh EM của vi cấu trỳc khung compozit PLLA/HAp cho thấy cú một lớp mỏng polyme phỏt triển trờn cỏc khung HAp với cỏc cấu trỳc lỗ xốp của HAp đó thiờu kết khụng thay đổi.
Hỡnh 1.6. Ảnh EM của vi cấu trỳc khung compozit PLLA/nano HAp với cỏc độ phúng đại khỏc nhau.
Cỏc phương phỏp tổng hợp
Cú rất nhiều phương phỏp để tổng hợp compozit núi chung cũng như compozit PLA/nanoHAp núi riờng như phương phỏp dung dịch, phương phỏp nhũ tương, phương phỏp trộn núng chảy, phương phỏp phun điện (electrospinning), phương phỏp đụng khụ, phương phỏp tạo bọt, phương phỏp tổng hợp in situ, phương phỏp điện hoỏ.
Trong đề tài này, chỳng tụi lựa chọn phương phỏp dung dịch và phương phỏp nhũ tương để tổng hợp PLA/nanoHAp. Ưu điểm của hai phương phỏp này là quỏ trỡnh tổng hợp đơn giản, khụng cần sử dụng những thiết bị phức tạp.
1.3.2.1. Phương phỏp dung dịch
Vật liệu nanocompozit PLA/HAp hoặc nanocompozit PLA/HAp-bt cú thể được chế tạo bằng phương phỏp dung dịch từ nhiều dung mụi khỏc nhau. Cỏch thức để tạo compozit bằng phương phỏp dung dịch là trộn PLA đó tan hồn tồn trong dung mụi với HAp hoặc HAp-bt dưới dạng bột đó được khuyếch tỏn trong cựng loại dung mụi. Hai hỗn hợp này được trộn với nhau trong một khoảng thời gian nhất định và sau đú dung mơi sẽ được loại bỏ bằng phương phỏp bay hơi. Ưu điểm của phương phỏp này là qui trỡnh thực hiện đơn giản, khụng cần đến những thiết bị mỏy múc chuyờn dụng. Việc lựa chọn dung mụi, thành phần, tỉ lệ của PLA và HAp hoặc HAp-bt sẽ ảnh hưởng đến hỡnh thỏi tớnh chất của vật liệu tạo thành.
Nenasd Ignjatovic và cỏc cộng sự đó tổng hợp nanocompozit PLLA/HAp bằng phương phỏp dung dịch. Dung mụi được sử dụng là clorofom ở 200
C trong 60 phỳt. Kết quả thu được vật liệu nanocompozit PLLA/HAp cú độ tinh khiết cao nhờ vào việc loại bỏ clorofom rất dễ dàng. Vật liệu thu được cú độ xốp lớn nhất là 0,4%, độ bền kộo cao nhất là 93,2 MPA và modun đàn hồi là 2,43 GPa. [44]
Xianmo Deng cựng cỏc cộng sự đó tổng hợp nanocompozit PLA/d-HAp bằng phương phỏp dung dịch. Cỏc dung mụi được sử dụng là clorofom, điclorometan (DCM), benzen và đimetylformamit (DMF). Kết quả khảo sỏt ảnh hưởng của dung mụi cho thấy, dung mụi cú độ phõn cực càng lớn thỡ độ phõn tỏn của HAp càng cao [70].
Khi nghiờn cứu nanocompozit PLA/HAp, cú thể nhận thấy PLA rất khỏc HAp về bản chất, cụng thức cấu tạo, cấu trỳc, tớnh chất húa học, về cỏc đặc trưng vật lý như tỷ trọng, kớch thước hạt, tớnh ưa nước… nờn sẽ gõy khú khăn cho việc phõn tỏn (do tớnh khơng tương hợp hoặc tương hợp kộm giữa PLA và nanoHAp, sự vún cục, kết đỏm của cỏc hạt nanoHAp trong nền PLA), ảnh hưởng tới tớnh chất và độ bền cơ, lý, nhiệt của vật compozit PLA/nano - HAp. Một trong cỏc biện phỏp để cải thiện khả năng tương tỏc của PLA và HAp là sử dụng cỏc chất tương hợp trong quỏ trỡnh tổng hợp, cỏc nghiờn cứu đề cập đến vấn đề này cịn hạn chế do đú việc
nghiờn cứu lựa chọn chất tương hợp cho quỏ trỡnh tổng hợp compozit PLA/nano HAp đang là vấn đề quan tõm của cỏc nhà khoa học vật liệu.
1.3.2.2. Phương phỏp in situ
Một trong những khú khăn khi tổng hợp vật liệu này là khả năng tương hợp của PLA và HAp do bản chất hoỏ học khỏc nhau của chỳng. Phương phỏp tổng hợp in situ là phương phỏp mà HAp được tổng hợp song song và đồng thời với quỏ trỡnh tổng hợp compozit. Bằng phương phỏp này khơng những cú thể tăng khả năng tiếp xỳc giữa PLA và HAp mà cịn cú thể kiểm sốt được kớch thước, hỡnh thỏi cấu trỳc của vật liệu tạo thành [42, 50, 60]. Phương phỏp này được Kobubo và cỏc cộng sự đưa ra lần đầu tiờn vào năm 1990 [15, 64]. Gần đõy, phương phỏp này đó trở thành một trong những phương phỏp mới để tổng hợp compozit PLA/nano HAp. Cơ chế tổng hợp bằng phương phỏp này là một q trỡnh phức tạp, cú thể kiểm soỏt được sự phỏt triển hay cịn gọi là sự mầm hố của HAp trong PLA.
Zhang và cỏc cộng sự đó tổng hợp nanocopozit PLA/HAp bằng phương phỏp nhũ tương dầu – nước. Nguyờn liệu được sử dụng để tổng hợp HAp là Ca(OH)2 và H3PO4. Phổ hồng ngoại, Xray và EM được nghiờn cứu để khảo sỏt ảnh hưởng của tỷ lệ PLA/HAp. Với hàm lượng 20% HAp vật liệu thu được cú thể sử dụng trong lĩnh vực y sinh [75].
Fukue Nagata và cộng sự đó tổng hợp PLA/HAp bằng phương phỏp vi nhũ sử dụng nhũ tương dầu - nước. Hỡnh thỏi bề mặt của vật liệu đó được quan sỏt bằng ảnh EM. Cỏc kết quả phõn tớch ảnh EM, phổ FT-IR, phõn tớch phổ nhiễu xạ tia X, năng lượng tỏn xạ tia X cho thấy nồng độ dung dịch Ca(CH3COO)2 và (NH4)2HPO4 ảnh hưởng đến pha tinh thể và cỏc liờn kết của vi cầu PLA/HAp [24].
1.3.3. Ứng dụng
Vật liệu compozit trờn cơ sở PLA được ứng dụng trong nhiều lớnh vực của cuộc sống như y dược, cụng nghiệp, nụng nghiệp. Compozit PLA/CS và dẫn xuất được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật tạo mụ xương hoặc sụn [12], dựng làm chỉ khõu vết thương, vỏ bọc viờn thuốc hoặc làm mụ tế bào. Đặc biệt, nano PLA/CS là
một hệ thống đầy hứa hẹn cho việc điều khiển sự phõn phối thuốc chữa virut HIV. Vật liệu compozit trờn cơ sở PLA và CS vẫn giữ được tớnh khỏng khuẩn của CS nờn được dựng trong bảo quản một số nơng sản. Ngồi ra cũn được dựng làm lớp trỏng trờn giấy hoặc phim hay bao bỡ đúng gúi sản phẩm y sinh.
Nanocompozit PLA/HAp là một ứng cử viờn tiềm năng cho vật liệu y sinh, đặc biệt trong lĩnh vực cấy ghộp xương nhờ cỏc ưu điểm của 2 loại vật liệu thành phần trờn, đặc biệt là hiệu ứng kớch thước nano với bề mặt riờng lớn và khả năng tương thớch tuyệt vời của nanoHAp với xương tự nhiờn. Vật liệu nanocompozit PLA/HAp được sử dụng trong việc thay thế hoặc cấy ghộp xương.
1.4. Hoạt tớnh sinh học của compozit PLA/nanoHAp
Hoạt tớnh sinh học của của vật liệu khung compozit PLLA/nano HAp đó được tiến hành bằng cỏch ngõm chỳng vào chất lỏng mụ phỏng dung dịch cơ thể người (SBF). Để đỏnh giỏ khả năng hỡnh thành apatit, khung compozit PLLA/ nano HAp được ngõm vào dung dịch SBF ở pH 7,4 trong 7 ngày với tỷ lệ rắn/lỏng là 1,5 mg/ml. Dung dịch SBF được tổng hợp theo mụ tả của Kokubo. Khung compozit PLLA/nano HAp dạng lập phương được ngõm trong SBF đựng trong bỡnh nhựa kớn để giảm thiểu sự thay đổi pH và nhiễm khuẩn vi sinh vật. Quỏ trỡnh ngõm được thực hiện trong mỏy lắc duy trỡ ở 37oC, dung dịch SBF khụng được tỏi tạo trong quỏ trỡnh thử nghiệm. Sau 7 ngày thử nghiệm, mẫu được lọc, rửa bằng nước đề ion húa và làm khơ. Kết quả quan sỏt ảnh EM của vật liệu khung compozit PLLA/ nano HAp sau 7 ngày ngõm trong SBF cho thấy cấu trỳc lỗ xốp của HAp đó thiờu kết khụng thay đổi. Tuy nhiờn, trờn bề mặt của compozit xuất hiện một vài cặn đọng. Cú thể nhỡn rừ cặn đọng này tạo thành từ cỏc tinh thể HAp với kớch thước khoảng 100 nm ở ảnh EM cú độ khuếch đại lớn hơn [61].
Hỡnh 1.7. Ảnh EM của vi cấu trỳc khung compozit PLLA/HAp sau 7 ngày ngõm trong SBF.
Ngoài ra, từ phổ năng lượng tỏn xạ tia X của vi cấu trỳc khung compozit PLLA/nano HAp sau 7 ngày ngõm trong SBF cú thể phỏt hiện sự cú mặt của cỏc ion Ca và P với tỷ lệ Ca/ P tớnh toỏn bằng 1,65 gần với cấu trỳc của apatit [61].
Hỡnh 1.8. Phổ tỏn xạ của compozit PLLA/HAp sau 7 ngày ngõm trong SBF
Araujo và cộng sự đó thử nghiệm in vitro vật liệu compozit
PLA/chitosan/HAp (tỷ lệ chitosan/HAp 2/5, pkl/pkl) chế tạo bằng phương phỏp dung dịch trong SBF sau cỏc khoảng thời gian khỏc nhau để đỏnh giỏ hoạt tớnh sinh học của chỳng (khả năng thỳc đẩy hỡnh thành lớp apaptit). Cỏc kết quả phõn tớch
hỡnh thỏi học cho thấy vật liệu compozit nhanh chúng đỏp ứng với mơi trường mơ phỏng dung dịch cơ thể người và hứa hẹn khả năng ứng dụng làm vật liệu y sinh. Lớp apatit tăng theo thời gian ngõm trong SBF và sau au 30 ngày thử nghiệm, toàn bộ vật liệu compozit được bao phủ hoàn toàn bởi lớp apaptit cấu trỳc nano [11].
CHƢƠNG 2: ĐIỀU KIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. Húa chất và điều kiện thực nghiệm
2.1.1. Húa chất
- Muối canxi nitrat Ca(NO3)2.4H2O, amoni hydrophotphat (NH4)2HPO4, dung dịch amoni hidroxit NH4OH, axit lactic (LA), Tetra hydrofuran (THF), xylen, Etyl axetat, điclorometan (DCM), clorofom, đimethylformamit (DMF), canxiaxetat Ca(CH3COO)2,H2O. Cỏc húa chất này đều là loại tinh khiết của Trung Quốc.
- Poly axitlactic (PLA) dạng hạt, khối lượng riờng 1,24g/cm3, nhiệt độ núng chảy khoảng 165 – 1760C là húa chất tinh khiết của Hoa Kỳ
- PEO: (- CH2-CH2-O-)n n = 2 - 40
- PEG, PCL là cỏc húa chất tinh khiết của Hoa Kỳ
- Natri clorua, natri hydrocacbonat, kali clorua, đinatri hydrophotphat đihydrat Na2HPO4.2H2O, Magie clorua hexahyđrat MgCl2.6H2O, canxi clorua CaCl2, kali dihydrophotphat KH2PO4, Magie sunphat MgSO4.7H2O, đường glucozo C6H12O6, axit clohiđric HCl 1M, natri hiđroxit NaOH 1M. Cỏc húa chất này đều là loại tinh khiết của Merk.
2.1.2. Tổng hợp HAp và HAp biến tớnh (HAp- bt)
2.1.2.1. Tổng hợp HAp bằng phương phỏp kết tủa húa học
Bột HAp được tổng hợp bằng phương phỏp kết tủa húa học từ nguyờn liệu Ca(NO3)2 và (NH4)2HPO4 trong dung mụi nước. Phản ứng kết tủa tạo ra cỏc tinh thể HAp diễn ra theo phương trỡnh 1.5. Quy trỡnh tổng hợp như sau:
Đầu tiờn cho dung dịch Ca(NO3)2 nồng độ 0,5M vào bỡnh cầu ba cổ, khuấy mạnh với tốc độ 750 vũng/phỳt ở nhiệt độ 25oC. Sau đú, nhỏ từ từ dung dịch (NH4)2HPO4 nồng độ 0,3M với tốc độ 1ml/phỳt vào bỡnh cầu (lượng (NH4)2HPO4 được sử dụng để đảm bảo tỷ lệ Ca/P = 10/6). pH của dung dịch phản ứng được giữ ở khoảng 10 bằng dung dịch NH4OH 25%. Hỗn hợp được già húa trong 2 giờ tiếp tục lưu mẫu trong khoảng thời gian 15 giờ. Sản phẩm kết tủa được li tõm và rửa bằng nước cất với tốc độ 4000 vũng/phỳt về pH = 7. Kết tủa được sấy ở 80o
24 giờ sau đú nghiền trong cối mó nóo. Sản phẩm HAp thu được màu trắng, cú dạng bột, tinh thể HAp cú dạng hỡnh trụ, đơn pha, kớch thước trung bỡnh là 19 x 29nm [66].
Sơ đồ quy trỡnh tổng hợp HAp bằng phương phỏp kết tủa húa học được thể hiện trờn hỡnh 2.1
1ml/phỳt
Hỡnh 2.1. Sơ đồ quy trỡnh tổng hợp HAp bằng phương phỏp kết tủa húa học
Dung dịch (NH4)2HPO4 Nồng độ 0,3M
Dung dịch NH4OH 25%
Dung dịch Ca(NO3)2 nồng độ 0,5M
Dung dịch chứa HAp
Sản phẩm bột HAp
Khuấy 750 vũng/phỳt
1. Già húa 2 giờ 2. Lưu mẫu 15 giờ
3. Ly tõm 4000vũng/phỳt, pH = 7 4. Sấy 80o
C trong 24 giờ 5. Nghiền
2.1.2.2. Tổng hợp HAp biến tớnh bằng axit lactic
Với mục đớch tăng sự phõn tỏn và tương tỏc của HAp trong nền PLA, trong phần này tơi tiến hành biến tớnh nano HAp bằng axit lactic theo quy trỡnh như sau: cho 1g bột HAp vào bỡnh cầu cú chứa 15 ml THF, tiếp tục nhỏ từng giọt axit lactic vào bỡnh cầu với khối lượng axit lactic là 0,6; 0,8; 1; 1,5 và 2 g. Hỗn hợp trờn được khuấy với cỏc tốc độ 450, 750 và 900 vịng/phỳt. Cú thể cho thờm chất xỳc tỏc SnCl2 với hàm lượng 2% về khối lượng so với axit latic. Nhiệt độ ban đầu là 700C, hỗn hơp được để trong thời gian 30 phỳt và sau đú thờm 10 ml xylen vào và lắp ống sinh hàn hồi lưu, nhiệt độ phản ứng được tăng lờn 110o
C, 130oC và 150oC. Duy trỡ phản ứng ở thời gian 3, 6, 16, 21 và 24 giờ. Sản phẩm được lọc rửa ớt nhất 3 lần bằng etyl axetat và sấy ở 80oC trong 24 giờ. Sản phẩm HAp biến tớnh thu được ở dạng bột màu trắng.
2.1.3. Tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/ HAp và PLA/HAp - bt