PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.3. Vật liệu compozit trên cơ sở PLA và HAp 1. Vật liệu compozit PLA/HAp
Vật liệu compozit là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn vật liệu ban đầu. Nhìn chung, mỗi vật liệu compozit gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. Pha liên tục gọi là vật liệu nền, thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước... [44]
Như đã trình bày ở trên, PLA là một polyme có nhiều tính chất tốt, dễ gia công, có độ bền cơ lý cao, có khả năng tương hợp và phân huỷ sinh học.
Tuy nhiên, PLA có một số nhược điểm như giòn, có độ dãn dài thấp, dễ bị thủy phân,... HAp là thành phần chính của xương, có tính tương thích sinh học tuyệt vời nhưng lại có nhược điểm là có độ bền cơ học thấp. Khắc phục những nhược điểm và phát huy những ưu điểm của PLA và HAp, vật liệu nanocompozit PLA/HAp là một ứng cử viên tiềm năng cho vật liệu y - sinh, đặc biệt trong lĩnh vực cấy ghép xương với những yêu cầu cần đạt được là có tính tương hợp và phân hủy sinh học, có độ bền cơ lý cao đủ để cấy ghép hoặc
thay thế những vùng xương chịu tải nặng. Ở đây, PLA có vai trò như một chất mang (pha liên tục), còn HAp đóng vai trò như một pha gián đoạn trên nền chất mang PLA trong vật liệu compozit.
Liên kết hydro giữa nguyên tử oxy của nhóm -COO trong PLA với nhóm –OH của HAp được thể hiện bằng vạch nét đứt trong hình mô phỏng dưới đây [33].
Hình 1.4. Hình ảnh liên kết của HAp và PLA (nét đứt) 1.3.2. Các phương pháp tổng hợp
Hiện nay có rất nhiều phương pháp để tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp như phương pháp dung dịch, phương pháp nhũ tương, phương pháp trộn nóng chảy, phương pháp phun điện (electrospinning), phương pháp thiêu kết.
1.3.2.1. Phương pháp nhũ tương
Một trong những khó khăn khi tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp là khả năng tương hợp của PLA và HAp do bản chất hoá học khác nhau của chúng. Phương pháp tổng hợp nhũ tương in situ là phương pháp mà HAp được tổng hợp song song và đồng thời với quá trình tổng hợp compozit.
Bằng phương pháp này không những có thể tăng khả năng tiếp xúc giữa PLA và HAp mà còn có thể kiểm soát được kích thước, hình thái cấu trúc của vật liệu tạo
thành [28, 50, 56]. Phương pháp này được Kobubo và các cộng sự đưa ra lần đầu tiên vào năm 1990 [20, 60]. Gần đây, phương pháp này đã trở thành một trong những phương pháp mới để tổng hợp compozit PLA/nano HAp. Cơ chế tổng hợp bằng phương pháp này là một quá trình phức tạp, có thể kiểm soát được sự phát triển hay còn gọi là sự mầm hoá của HAp trong PLA.
Zhang và các cộng sự đã tổng hợp nanocopozit PLA/HAp bằng phương pháp nhũ tương dầu – nước. Nguyên liệu được sử dụng để tổng hợp HAp là Ca(OH)2 và H3PO4. Phổ hồng ngoại, Xray và SEM được nghiên cứu để khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ PLA/HAp. Với hàm lượng 20% HAp vật liệu thu được có thể sử dụng trong lĩnh vực y sinh [70].
Fukue Nagata và cộng sự đã tổng hợp PLA/HAp bằng phương pháp vi nhũ sử dụng nhũ tương dầu - nước. Hình thái bề mặt của vật liệu đã được quan sát bằng ảnh SEM. Các kết quả phân tích ảnh SEM, phổ FT-IR, phân tích phổ nhiễu xạ tia X, năng lượng tán xạ tia X cho thấy nồng độ dung dịch Ca(CH3COO)2 và (NH4)2HPO4 ảnh hưởng đến pha tinh thể và các liên kết của vi cầu PLA/HAp [28].
1.3.2.2. Phương pháp thiêu kết
Năm 2008, Ting Tian và cộng sự người Trung Quốc đã chế tạo vật liệu nanocompozit PLA/d-HAp bằng phương pháp ngâm/nhúng HAp đã thiêu kết vào dung dịch của PLA trong dung môi clorofom và dùng kỹ thuật ly tâm để loại bỏ dung dịch PLA không tham gia vào vật liệu compozit [59]. Ảnh SEM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/HAp cho thấy có một lớp mỏng polyme phát triển trên các khung HAp với các cấu trúc lỗ xốp của HAp đã thiêu kết không thay đổi (hình 1.5).
Hình 1.5. Ảnh SEM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/nano HAp với các độ phóng đại khác nhau.
1.3.2.3. Phương pháp electrospinning
Gần đây phương pháp chế tạo vật liệu nanocompozit PLA/HAp có sự hỗ trợ của phun sợi điện/phun sợi sử dụng điện áp cao (electrospinning) đã được các chuyên gia trên thế giới quan tâm sử dụng [12, 15, 27].
F. Peng và cộng sự đã chế tạo sợi vật liệu compozit PLLA/HAp (80/20 phần trăm khối lượng) bằng phương pháp phun sợi điện. Đầu tiên, PLLA được hòa tan trong hỗn hợp dung môi điclorometan/đimetylformamit 50/50 theo thể tích để thu được nồng độ 12 % và bột HAp được phân tán trong DMF bằng siêu âm, sau đó trộn với dung dịch PLLA nêu trên. Nhỏ từng giọt PLLA/HAp vào xy lanh chất dẻo nối với ống mao quản thép không gỉ với tốc độ 2ml/giờ được điều khiển bằng bơm vi khuếch tán. Một nguồn điện áp cao xoay chiều được kết nối với ống mao quản để tạo điện trường cao 2 kV/cm giữa ống mao quản và bộ phận thu sợi (khoảng cách 10 cm). Bộ phận thu sợi hay cực thu sợi là một tấm được làm từ phoi nhôm. Nó giúp thu được sợi phun có cấu trúc sợi ngẫu nhiên. Để thu được sợi phun có cấu trúc thẳng hàng người ta sử dụng một cái trống bọc phoi nhôm quay với tốc độ 800 m/phút.
Sợi vật liệu compozit PLLA/HAp được sấy chân không ở nhiệt độ phòng
trong 72 giờ để ổn định tính chất và cấu trúc. Kết quả phân tích hình thái cấu trúc của vật liệu compozit PLLA/HAp cho thấy cả HAp kích thước nano và HAp kích thước micro đều phân tán khá đồng nhất trong nền sợi PLLA và các hạt HAp định hướng dọc theo sợi PLLA [27].
1.3.2.4. Phương pháp dung dịch
Phương pháp dung dịch là phương pháp mà PLA và HAp dưới dạng bột đều đã được hòa tan và khuyếch tán trong cùng loại dung môi. Hai hỗn hợp này được trộn với nhau trong một khoảng thời gian nhất định và sau đó dung môi sẽ được loại bỏ bằng phương pháp bay hơi. Xianmo Deng cùng các cộng sự đã tổng hợp nanocompozit PLA/d-HAp bằng phương pháp dung dịch. Các dung môi được sử dụng là clorofom, điclorometan (DCM), benzen và đimetylformamit (DMF). Kết quả khảo sát ảnh hưởng của dung môi cho thấy, dung môi có độ phân cực càng lớn thì độ phân tán của HAp càng cao [68].
Nenasd Ignjatovic và các cộng sự cũng đã tổng hợp nanocompozit PLLA/HAp bằng phương pháp dung dịch. Dung môi được sử dụng là clorofom ở 200C trong 60 phút. Kết quả thu được vật liệu nanocompozit PLLA/HAp có độ tinh khiết cao nhờ vào việc loại bỏ clorofom rất dễ dàng.
Vật liệu thu được có độ xốp lớn nhất là 0,4%, độ bền kéo cao nhất là 93,2 MPA và modun đàn hồi là 2,43 GPa. [47]
J. He và các cộng sự đã chế tạo vật liệu compozit PLLA/HAp bằng cách phân tán hạt nano HAp thương mại trong cloroform nhờ khuấy từ và khuấy siêu âm. Với vật liệu compozit PLLA/HAp-PLLA, đầu tiên HAp biến tính bằng các hợp chất chứa amin (HAp-NH2), hợp chất chứa brom (HAp-Br) và axit lactic (HAp-PLLA) ở dạng bột được hòa tan vào cloroform và khuấy liên tục trong 24 giờ. Sau đó, một trong hai hệ nhũ tương chứa HAp trên được đưa vào dung dịch PLLA trong cloroform (nồng độ PLLA 0,1 mg/mL) tới khi đạt tỷ lệ HAp là 10% và 30% về khối lượng trong mẫu compozit. Dung dịch
này được tạo màng trên tấm kính phẳng bằng phương pháp bay hơi tự nhiên ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ, sấy trong chân không ở 37ºC để loại dung môi dư. Hình 1.6 giới thiệu ảnh TEM của các hạt HAp-NH2, HAp-Br, HAp-PLLA và phân bố kích thước hạt của chúng được xác định bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động học (DLS – Dynamic Light Scattering). Ảnh 1.6a cho thấy sự kết tụ của các hạt HAp-NH2. Ảnh 1.6b cho thấy sự kết tụ của các hạt HAp-Br giảm đi khá nhiều. Ảnh 1.6c cho thấy các hạt HAp-PLLA có kích thước nhỏ nhất và phân tán đồng đều. Kích thước hạt trung bình của các hạt HAp-NH2, HAp-Br và HAp-PLLA giảm lần lượt từ 464 xuống 219 và 158 nm [36].
Hình 1.6. Ảnh TEM của (a) HAp-NH2, (b) HAp-Br, (c) HAp-PLLA và (d) phân tích DLS của HAp-NH2, HAp-Br và HAp-PLLA.
1.3.2.5. Phương pháp trộn nóng chảy
Trong những năm gần đây, phương pháp trộn nóng chảy được sử dụng khá phổ biến để chế tạo vật liệu nanocompozit PLA/HAp do dễ thao tác trên các thiết bị chế tạo các sản phẩm nhựa nhiệt dẻo, thân thiện với môi trường và không phải sử dụng dung môi [32, 40, 43]. Phương pháp trộn nóng chảy kết hợp các yếu tố cơ nhiệt, cơ hóa và tác động cưỡng bức lên các polyme thành phần, các chất phụ gia, trỗn lẫn chúng với nhau. H. Diao và các cộng sự đã chế tạo vật liệu nanocompozit PLA/HAp bằng phương pháp trộn nóng chảy như sau: bột HAp hoặc HAp biến tính được trộn với PLA trong máy trộn nội Haake ở 170oC với tốc độ trộn 50 vòng/phút cho tới khi PLA nóng chảy hoàn
toàn và ổn định. Sau đó, hỗn hợp nhựa PLA nóng chảy đã phân tán bột HAp hoặc HAp biến tính (HAp-bt) được đưa vào khuôn ép trên máy ép thủy lực ở 170oC, áp lực ép 14 MPa trong 5 phút để thu được vật liệu nanocompozit PLA/HAp dày khoảng 1 mm. Các kết quả xác định độ bền kéo đứt của các tấm vật liệu nanocompozit cho thấy vật liệu compozit PLA/HAp-bt có độ bền kéo đứt lớn hơn độ bền kéo đứt của vật liệu nanocompozit PLA/HAp (với cùng một hàm lượng HAp). Khi tăng hàm lượng nano HAp từ 0 % đến 20 %, độ bền kéo đứt của vật liệu nanocompozit PLA/HAp giảm, trong khi độ bền kéo đứt của vật liệu compozit PLA/HAp-bt đạt giá trị lớn nhất ở hàm lượng 1% HAp, tăng 9,7 % so với PLA nguyên sinh. Kết quả khảo sát góc tiếp xúc với nước của vật liệu nanocompozit PLA/(1-3 %) HAp và PLA/(1-3 %) HAp- bt (so với khối lượng PLA) cho thấy góc tiếp xúc với nước của các mẫu vật liệu nanocompozit nêu trên đều giảm so với góc tiếp xúc của PLA (bảng 1.1).
Điều này cho thấy các hạt nano HAp đưa vào PLA đã cải thiện khả năng ưa nước của PLA [32].
Bảng 1.1. Góc tiếp xúc với nước của PLA và vật liệu nanocompozit PLA/HAp và PLA/HAp-bt
Mẫu Góc tiếp xúc (o)
PLA 68,5
PLA/1 % HAp 57,0
PLA/3 % HAp 52,0
PLA/1 % HAp-bt 61,0
PLA/3 % HAp-bt 58,0
Trong đề tài này, em lựa chọn phương pháp dung dịch và phương pháp trộn nóng chảy để tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp, PLA/HAp pha tạp- biến tính.
Như đã trình bày ở trên, có thể nhận thấy PLA rất khác HAp về bản chất, công thức cấu tạo, cấu trúc, tính chất hóa học, về các đặc trưng vật lý
như tỷ trọng, kích thước hạt, tính ưa nước… nên sẽ gây khó khăn cho việc phân tán (do tính không tương hợp hoặc tương hợp kém giữa PLA và nanoHAp, sự vón cục, kết đám của các hạt nanoHAp trong nền PLA), ảnh hưởng tới tính chất và độ bền cơ, lý, nhiệt của nanocompozit PLA/HAp, PLA/HAp pha tạp- biến tính. Một trong các biện pháp để cải thiện khả năng tương tác của PLA và HAp là sử dụng các chất tương hợp/hóa dẻo trong quá trình tổng hợp như PEO, PEG hay PCL.
Để tổng hợp vật liệu ứng dụng trong lĩnh vực cấy ghép xương cần quan tâm đến cấu tạo của xương. Xương có vai trò hết sức quan trọng đối với cơ thể sống. Nó không những giúp tạo hình cơ thể mà còn là nơi tạo ra các tế bào máu. Vì vậy, có những phần xương có cấu trúc rắn chắc và cũng có những phần có cấu trúc xốp dạng như tổ ong, có diện tích bề mặt lớn. Trong lĩnh vực cấy ghép xương thì độ xốp của xương có vai trò rất quan trọng trong việc hình thành xương, tái sinh xương nhanh nhờ tạo ra các mô mới, do đó mà sự trồi xương tốt hơn. Với mục đích tạo ra vật liệu có cấu tạo tương tự xương, trong nghiên cứu này em có đưa thêm các chất tạo xốp NaCl và NH4HCO3
trong quá trình tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp.
1.3.3. Hoạt tính sinh học của vật liệu nanocompozit PLA/HAp
Hoạt tính sinh học của của vật liệu khung compozit PLLA/nanoHAp đã được tiến hành bằng cách ngâm chúng vào chất lỏng mô phỏng dung dịch cơ thể người (SBF). Để đánh giá khả năng hình thành apatit, khung compozit PLLA/ nanoHAp được ngâm 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 mô tả của Kokubo. Khung compozit PLLA/nano HAp dạng lập phương (chiều dài mỗi cạnh là 5mm) được ngâm trong SBF đựng trong bình nhựa kín để giảm thiểu sự thay đổi pH và nhiễm khuẩn vi sinh vật. Quá trình ngâm được thực hiện trong máy lắc duy trì ở 37oC, dung dịch SBF không được tái tạo trong quá trình thử
nghiệm. Sau 7 ngày thử nghiệm, mẫu được lọc, rửa bằng nước đề ion hóa và làm khô. Kết quả quan sát ảnh SEM của vật liệu khung compozit PLLA/ nano HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF cho thấy cấu trúc lỗ xốp của HAp đã thiêu kết không thay đổi. Tuy nhiên, trên 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 SEM có độ khuếch đại lớn hơn [59].
Hình 1.7. Ảnh SEM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF
Ngoài ra, từ phổ tán xạ năng lượng tia X của vi cấu trúc khung compozit PLLA/nano HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF có thể phát hiện sự có mặt của các ion Ca và P với tỷ lệ Ca/ P tính toán bằng 1,65 gần với cấu trúc của apatit [59].
Hình 1.8. Phổ tán xạ năng lượng tia X của compozit PLLA/HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF
Araujo và cộng sự đã thử nghiệm in vitro vật liệu compozit PLA/chitosan/HAp (tỷ lệ chitosan/HAp 2/5, pkl/pkl) chế tạo bằng phương pháp dung dịch trong SBF sau các khoảng thời gian khác nhau để đánh giá hoạt tính sinh học của chúng (khả năng thúc đẩy hình thành lớp apaptit). Các kết quả phân tích hình thái học cho thấy vật liệu compozit nhanh chóng đáp ứng với môi trường mô phỏng dung dịch cơ thể người và hứa hẹn khả năng ứng dụng làm vật liệu y sinh. Lớp apatit tăng theo thời gian ngâm trong SBF và sau 30 ngày thử nghiệm, toàn bộ vật liệu compozit được bao phủ hoàn toàn bởi lớp apaptit cấu trúc nano [13].
1.3.4. Ứng dụng của vật liệu nanocompozit PLA/HAp
Nhờ kết hợp được các ưu điểm của cả PLA và HAp nên vật liệu nanocompozit PLA/HAp đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống đặc biệt trong lĩnh vực y- sinh như làm vật liệu cấy ghép và thay thế xương [18, 32, 68].
Vật liệu cấy ghép xương tốt có thể đưa vào tạo xương và hình thành liên kết xương chặt chẽ với xương chủ/xương nền. Trong xương người trưởng
thành, tinh thể HAp có độ dài và độ rộng trung bình là 50 x 25 nm và độ dày là 2- 3 nm. Hơn nữa, apatit tự nhiên là hydroxyapatit thiếu Ca với tỉ lệ Ca/P nhỏ hơn 1,67. Những đặc trưng này gần tương tự với HAp tổng hợp và sử dụng phổ biến ở dạng hạt thiêu kết với cấu trúc đa tinh thể. Từ quan điểm mô phỏng sinh học, quá trình tạo xương tốt sẽ đạt được nếu HAp tổng hợp có tính tương tự như xương về thành phần, cấu trúc kết tinh, độ kết tinh và hình thái học. Trong nghiên cứu của X. Deng và các cộng sự, các tác giả đã tổng hợp HAp khuyết Ca bằng phương pháp thủy nhiệt và có tinh thể với cấu trúc dạng que có độ dài trong khoảng 40-80 nm và độ rộng là 20-40 nm. Các tinh thể nano này có các đặc trưng tương tự như khoáng xương về mặt hình thái học và thành phần nên khả năng tạo xương bằng việc sử dụng vật liệu compozit PLA/HAp và PLA/nanoHAp là rất có triển vọng [68].
Một ưu điểm khác của vật liệu nanocompozit PLA/HAp là có thể làm vật liệu cấy xương. Vật liệu cấy xương lý tưởng chế tạo từ vật liệu nanocompozit này có thể nhanh chóng hình thành liên kết xương với xương chủ và thay thế từ từ nhờ tạo ra xương mới nhờ tăng khả năng tương hợp bề mặt, cải thiện tính chất cơ, khả năng tương thích sinh học (khoáng hóa và tạo xương nhanh chóng trong môi trường mô phỏng dịch cơ thể người) [18, 68].
J. Huang và các cộng sự đã chế tạo xương nhân tạo từ vật liệu compozit PLLA/HAp và PLA/nanoHAp bằng phương pháp trộn nóng chảy. Kết quả nghiên cứu hình thái cấu trúc bằng các phương pháp TEM và XRD cho thấy nanoHAp là các tinh thể hình kim có kích thước 50- 200 nm gần giống với xương người, cả PLLA và HAp đều giữ nguyên cấu trúc kết tinh trong vật liệu nanocompozit PLLA/HAp [37].