3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần PLA/HAp
Tỷ lệ phần trăm về khối lượng của HAp có ảnh hưởng lớn đến khả năng phân tán HAp trong nền PLA. Trong phần này em tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp-ptbt với tỷ lệ phần trăm về khối lượng của PLA/HAp-ptbt thay đổi: 80/20, 70/30, 60/40 và 50/50 bằng phương pháp dung dịch với dung môi sử dụng là điclorometan (DCM), chất tương hợp PEO 5% về khối lượng so với tổng khối lượng của PLA và HAp-ptbt và thời gian phản ứng 2 giờ tại nhiệt độ phòng.
Hình 3.13 giới thiệu ảnh SEM của nanocompozit PLA/HAp-ptbt tổng hợp ở các tỷ lệ về khối lượng của PLA/HAp-ptbt khác nhau: 80/20, 70/30, 60/40 và 50/50. Với hàm lượng HAp-ptbt là 20 hoặc 30% ảnh SEM cho thấy khả năng phân tán tốt của HAp trong nền PLA. Khi hàm lượng HAp tăng lên 40 và đặc biệt 50%, quan sát thấy những đám HAp tích tụ lại có màu trắng trên hình ảnh SEM. Với mục đích tổng hợp vật liệu nanocompozit có hàm lượng HAp cao để tăng khả năng tương thích sinh học của vật liệu trong lĩnh vực cấy ghép xương hàm lượng HAp-ptbt 30% được lựa chọn.
b a
Hình 3.13. Ảnh SEM của nanocompozit PLA/HAp-ptbt tổng hợp ở các tỉ lệ khác nhau: 80/20 (a), 70/30 (b), 60/40 (c) và 50/50 (d).
Độ bền kéo đứt và modun đàn hồi của vật liệu nanocompozit PLA/HAp-ptbt tổng hợp ở các tỷ lệ PLA/HAp khác nhau được thể hiện trên hình 3.14. Khi tỷ lệ PLA/HAp-ptbt giảm tương ứng với sự tăng hàm lượng HAp-ptbt, modun đàn hồi cũng như độ bền kéo đứt của vật liệu giảm. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả chụp SEM ở trên. Nguyên nhân do khi tăng hàm lượng HAp trong thành phần vật liệu nanocompozit, sự co cụm của các hạt HAp trong nền PLA tăng, tạo ra những khuyết tật trong vật liệu. Với mẫu không chứa HAp (mẫu PLA tinh khiết) modun đàn hồi là 1830 MPa. Ở tỷ lệ PLA/HAp là 80/20, vật liệu nanocompozit PLA/HAp có modun đàn hồi giảm còn 1700 MPa (giảm gần 7%). Với hàm lượng HAp 50%, modun đàn hồi giảm xuống 550 MPa (giảm gần 70%). Độ bền kéo đứt của nanocompozit cũng giảm tương tự như modun đàn hồi.
cd
0 500 1000 1500
2000 a
PLA/HAp 50/50 PLA/HAp 60/40 PLA/HAp 70/30
Modun đàn hồi (MPa)
PLA PLA/HAp 80/20
0 10 20 30 40 50 60
70 b
PLA/HAp 50/50 PLA/HAp 60/40 PLA/HAp 70/30
Độ bền kéo đứt (MPa)
PLA
PLA/HAp 80/20
Hình 3.14. Các tính chất cơ học: modun đàn hồi (a) và độ bền kéo đứt (b) của nanocompozit PLA/HAp tổng hợp ở các tỷ lệ khác nhau.
3.2.2. Ảnh hưởng của chất tạo xốp
Để tạo vật liệu xốp bằng phương pháp dung dịch trong quá trình tổng hợp nanocompozit em có đưa thêm chất tạo xốp NH4HCO3 với các hàm lượng khác nhau: 0, 3, 7, 10, 20 và 30% so với khối lượng tổng của PLA và HAp- ptbt.
Với hàm lượng khác nhau của chất tạo xốp (NH4HCO3) có ảnh hưởng lớn đến độ xốp của vật liệu nanocompozit PLA/HAp-ptbt/PEO. Như đã thấy ở bảng 3.2, độ xốp mở của nanocompozit tăng khi hàm lượng NH4HCO3 tăng.
Độ xốp mở chỉ là 12% khi hàm lượng chất tạo xốp là 3% và nó tăng lên đến 49% khi hàm lượng chất tạo xốp là 30%. Nếu không có NH4HCO3 trong nanocompozit, độ xốp của nanocompozit là 10%. Sở dĩ như vậy vì bột HAp- pt-bt đã có khả năng làm tăng độ xốp của nanocompozit. Khi phân tử NH4HCO3 được phân bố đồng đều trong vật liệu, dưới nhiệt độ sấy mẫu (80oC), những phân tử này bị phân hủy tạo ra nhiều lỗ rỗng với kích thước nhỏ trong nanocompozit, do đó tạo nên độ xốp của vật liệu. Vì vậy, khi hàm lượng NH4HCO3 tăng, số lượng các lỗ xốp tăng. Quá trình này đồng thời cũng tạo điều kiện thuận lợi để khuếch tán các chất trong môi trường sinh học, từ
đó tăng khả năng phát triển xương. Tuy nhiên, độ xốp cao của nanocompozit có thể phá hủy các cấu trúc của vật liệu, làm giảm tính chất cơ học.
Bảng 3.2. Độ xốp của nanocompozit PLA/HAp-ptbt/PEO với hàm lượng khác nhau của chất tạo xốp NH4HCO3
Hàm lượng chất tạo xốp NH4HCO3
(% khối lượng) Độ xốp (%)
0 10
3 12
7 18
10 33
20 39
30 49
Hình 3.15 giới thiệu ảnh SEM của nanocompozit PLA/HAp-ptbt với hàm lượng chất tạo xốp NH4HCO3 khác nhau. Như thể hiện trong hình 3.15, các vi cấu trúc của PLA/HAp-ptbt khác nhau với hàm lượng khác nhau của chất tạo xốp. Nếu không có thêm chất tạo xốp, PLA/HAp-ptbt vẫn cho thấy cấu trúc xốp với độ xốp khoảng 10% (hình 3.15a). Độ xốp của nanocompozit gần như không đổi ở hàm lượng thấp của chất tạo xốp (3 hoặc 7% về khối lượng) nhưng tăng lên đáng kể ở hàm lượng chất tạo xốp là 10, 20, 30%. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả xác định độ xốp ở trên.
Hình 3.15. Ảnh SEM của nanocompozit PLA/HAp với chất tạo xốp ở các tỷ lệ khác nhau: 0 (a), 3 (b), 7 (c), 10 (d), 20 (e) và 30% (f).
Ảnh hưởng của độ xốp đến tính chất cơ học của vật liệu tổ hợp cũng đã được nghiên cứu.
ab
cd
ef
0 400 800 1200 1600
30%
10% 20%
3% 7%
Modun đàn hồi (MPa)
PLA/HAp/PEO/NH4HCO3 70/30/5/x 0%
(a)
0 10 20 30 40 50
30%
10% 20%
7%
3%
Độ bền kéo đứt (MPa)
PLA/HAp/PEO/NH4HCO3 (70/30/5/x) 0%
(b)
Hình 3.16. Modun đàn hồi (a) và độ bền kéo đứt (b) của PLA/HAp không có (0% khối lượng) và có 3, 7, 10, 20 và 30% khối lượng chất tạo xốp