1.2. Các lớp phủ tương thích sinh học
1.2.3. Một số phương pháp chế tạo lớp phủ tương thích sinh học trên cơ sở HA
1.2.3.6. Phương pháp Sol-Gel
Quá trình sol - gel là một quá trình liên quan đến hóa lý với sự chuyển đổi của một hệ thống từ các phần tử tiền chất huyền phù dạng keo rắn (precursor) thành pha lỏng dạng sol (solution) sau đó tạo thành pha rắn dạng gel (gelation) theo mô hình:
Tiền chất - sol - gel [77].
Tiền chất (precursor) là những phần tử ban đầu để tạo những hạt keo. Các precursor có thể là muối vô cơ hoặc hữu cơ có công thức chung là M(OR)x.
Sol là hệ huyền phù trong một dung môi. Các hạt huyền phù có kích thước trong khoảng 1-100 nm. Lực hấp dẫn trên các hạt này là không đáng kể và tương tác giữa các hạt được chi phối bởi lực van der van. Sự ổn định của các hạt huyền phù có thể thay đổi bằng cách giảm điện tích bề mặt của chúng.
Gel là trạng thái mà chất lỏng và rắn phân tán vào nhau trong đó một mạng lưới chất rắn chứa các thành phần chất lỏng kết dính. Tăng nồng độ dung dịch, thay đổi độ pH hoặc tăng nhiệt độ sẽ hạ hàng rào cản tĩnh điện cho các hạt tương tác để các hạt kết tụ với nhau và tạo thành gel.
Tất cả các quá trình sol-gel có thể được phân thành 2 loại là loại trên cơ sở nước hoặc trên cơ sở cồn. Mục đích chính của các dung môi là để hòa tan các tiền chất rắn. Các dung môi này cũng được sử dụng để pha loãng tiền chất lỏng và giảm thiểu tác động của gradient nồng độ. Dung môi sử dụng có thể ảnh hưởng đến các yếu tố như nhiệt độ kết tinh và hình thái của hạt. Các phản ứng hóa học tham gia vào một quá trình sol-gel là thủy phân và polyme hóa.
Phương pháp sol- gel thường bắt đầu với sự pha trộn của tiền chất trong một dung môi. Sau đó, hỗn hợp này được ủ nhiệt (< 100 oC) để thúc đẩy sự hình thành của các hợp chất mong muốn cũng như loại bỏ các tạp chất (thường là các dung môi dư thừa). Đó là một giai đoạn cần thiết trong quá trình sol-gel gọi là giai đoạn phát triển mầm (aging time). Tiếp theo đó, gel được sấy khô và nung ở nhiệt độ cao để loại bỏ hết tạp chất và hình thành hợp chất mong muốn với độ tinh khiết cao [78].
34 Quá trình tạo lớp phủ bằng phương pháp sol-gel gồm 4 bước [79]:
+ Bước 1: Các hạt keo mong muốn từ các phân tử huyền phù precursor phân tán vào một chất lỏng để tạo nên một hệ sol.
+ Bước 2: Sự lắng đọng dung dịch sol tạo ra các lớp phủ trên đế bằng cách phun, nhúng, quay…
+ Bước 3: Các hạt trong hệ sol được polymer hoá thông qua sự loại bỏ các thành phần ổn định hệ và tạo ra hệ gel là một mạng lưới liên tục.
+ Bước 4: Cuối cùng là quá trình xử lí nhiệt, phân hủy các thành phần hữu cơ, vô cơ còn lại và tạo nên một màng tinh thể hoặc vô định hình.
Hình 1.16. Sơ đồ tổng hợp hydroxyapatite (HA) bằng phương pháp sol-gel [80]
Trong chế tạo lớp phủ HA bằng phương pháp sol-gel, các tiền chất có thể được pha trộn với nhau trong một dung môi ethanol. Các sol được phủ lên trên chất nền bằng cách quét, quay hoặc nhúng. Sau khi làm nóng sol và loại bỏ các dung môi, gel HA còn lại được nung để đảm bảo độ tinh khiết. Tuy nhiên, các đặc tính lớp phủ có thể rất khác nhau tùy thuộc vào các tiền chất sử dụng, các thông số xử lý được lựa chọn cho sol, nhiệt độ, khí dùng để xử lý nhiệt cho gel [7, 30, 80-85]. Bởi vì kỹ thuật này đòi xử lý ở nhiệt cao do đó gây ra quá trình oxy hóa bề mặt kim loại nền.
Ưu điểm của phương pháp sol-gel
So với các phương pháp chế tạo màng mỏng thông thường thì phương pháp sol-gel có một số ưu điểm như sau [85]:
- Tinh thể có kích thước nhỏ (nano).
- Lớp phủ có độ đồng nhất hóa học và độ tinh khiết cao.
- Lớp phủ có cấu trúc hạt mịn và đồng nhất.
- Dễ dàng áp dụng cho các hình dạng nền phức tạp.
35 - Chi phí thấp, thiết bị đơn giản.
- Chiều dày của lớp phủ có thể thay đổi dễ dàng.
- Lớp phủ có thể làm khô nhanh chóng.
Nhược điểm: Dễ bị rạn nứt khi xử lí ở nhiệt độ cao
Hơn nữa bằng phương pháp này có thể dễ dàng tạo lớp phủ HA và dẫn xuất của HA là FA hoặc FHA (F thay thế nhóm OH) bằng cách thay đổi các tiền chất.
Các hướng nghiên cứu về lớp phủ HA bằng phương pháp sol-gel hiện nay bao gồm:
- Nghiên cứu thay đổi tính chất của sol bằng cách thay đổi thời gian phát triển mầm, thay đổi pH, thay đổi nhiệt độ của dung dịch Sol…như các nghiên cứu của Kim [12, 57, 61]. Tính chất sol được cải thiện với việc bổ sung dung dịch NH4OH do nó làm tăng quá trình keo hóa và trùng hợp của Sol [11].
- Nghiên cứu thay đổi các tính chất của lớp phủ bằng cách thay đổi thành phần tiền chất, thay đổi bề mặt nền kim loại [11, 58, 86].
Tuy nhiên, hiện nay vẫn còn tồn tại một số vấn đề chính như sau:
- Độ bền bám dính của lớp phủ chưa cao, hầu hết các công bố cho thấy độ bền bám dính dao động trong khoảng dưới 10 MPa đến khoảng 20 MPa [59, 87, 88].
- Độ bền hóa học của lớp phủ HA vẫn đang là các vấn đề được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu [4, 60].
Trên thế giới hiện nay, các lớp phủ HA đã được nghiên cứu rộng rãi và được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau. Mỗi phương pháp nghiên cứu đều có ưu và nhược điểm nhất định. Do đó, tùy từng trường hợp cụ thể để lựa chọn phương pháp chế tạo thích hợp cũng như khắc phục nhược điểm của từng phương pháp để tạo ra những sản phẩm như mong muốn. Gần đây một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng lớp phủ HA bằng phương pháp sol-gel trên nền vật liệu titan có độ bền cơ học, độ ổn định pha, khả năng tương thích sinh học cao trong các môi trường dịch giả cơ thể người.
Tại Việt Nam, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu HA cho mục đích y sinh cũng đang được các nhà khoa học quan tâm. Hiện nay, các nghiên cứu chế tạo HA phổ biến tập trung ở dạng bột để cung cấp cho ngành thực phẩm chức năng như các nghiên cứu tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam (Từ năm 2005 đến nay). Một số các đơn vị khác cũng đã nghiên cứu phát triển HA dạng màng để phục
36 vụ cho ứng dung y sinh bao gồm: Viện Công nghệ xạ hiếm (Năm 2003) đã triển khai đề tài chế thử gốm xốp HA theo công nghệ của Italia và đã thử nghiệm thành công trên động vật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã có nghiên cứu và công bố kết quả sơ bộ về phương pháp tổng hợp HA dạng bột và màng bằng phương pháp kết tủa hóa học, Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã nghiên cứu chế tạo lớp phủ HA bằng phương pháp điện hóa (kết tủa catôt) trên nền thép không gỉ thực hiện từ năm 2013[13], Viện nghiên cứu Thành Tây cũng đang tiến hành nghiên cứu vật liệu y sinh ứng dụng trong công nghệ chấn thương chỉnh hình và chế tạo xương nhân tạo trên cơ sở nền kim loại magie. Gần đây nhất, đề tài luận án : “Tổng hợp và đặc trưng màng hydroxyapatitpha tạp một số nguyên tố vi lượng trên nền thép không gỉ 316L định hướng ứng dụng làm nẹp vít xương” đã bảo vệ thành công tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, năm 2018 với nội dung chính là kết hợp hai phương pháp: điện hóa và trao đổi ion để tổng hợp màng NaHAp pha tạp đồng thời các nguyên tố vi lượng: Mg, Sr, Na, F, Cu, Ag và Zn. Sự có mặt 7 nguyên tố vi lượng đã làm giảm độ hòa tan, tăng khả năng bảo vệ kim loại nền và tăng khả năng kháng khuẩn [89]. Tuy nhiên, cho đến nay, chưa có công bố khoa học nào về chế tạo lớp phủ HA và FHA trên nền vật liệu titan bằng phương pháp sol-gel. Do đó, để kế thừa và phát huy những kết quả nghiên cứu của các tác giả đã công bố trên thế giới cũng như khắc phục những vấn đề còn tồn tại, trong luận án này chúng tôi tiến hành nghiên cứu chế tạo lớp phủ HA trên nền titan bằng phương pháp sol-gel, nâng cao độ bền bám dính của lớp phủ bằng cách cải thiện cấu trúc bề mặt nền titan (tạo ra lớp phủ TiO2 trung gian hoặc bằng titan xốp) và thay đổi thành phần hóa học của lớp phủ HA bằng cách thay thế một phần hoặc toàn phần nhóm OH- của phân tử HA bằng nhóm F-. Hơn nữa trong hầu hết các kết quả đã được công bố về chế tạo HA bằng phương pháp sol-gel sử dụng tiền chất chứa P chủ yếu là TEP[ trietyl photphit-P(C2H5O)3 ][7, 11, 58, 83, 84, 90] hoặc P2O5 [91] và tiền chất chứa Ca là Ca(NO3)2. Trong thực tế cả TEP và P2O5 đều chuyển hóa thành H3PO4 trong các phản ứng của quá trình hình thành sol HA. Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng tiền chất chứa P từ H3PO4 là nguồn hóa chất sẵn có và rẻ tiền để thay thế cho TEP (hóa chất hiếm trên thị trường tại Việt Nam) hoặc P2O5 (dễ gây bỏng cho người dùng) trong khi vẫn giữ nguyên tiền chất chứa Ca. Tính chất của vật liệu titan phủ HA và FHA được đánh giá
37 bằng các phương pháp hiện đại có độ tin cậy cao nhằm hướng đến mục đích ứng dụng y sinh trong thực tế tại Việt Nam.
Một số kết luận chương I:
- Trong các vật liệu kim loại y sinh, vật liệu titan được quan tâm nghiên cứu nhiều cho các ứng dụng chỉnh hình và nha khoa do có nhiều ưu điểm như: khả năng chống ăn mòn, mài mòn và tính chất cơ học tốt, và mô đun đàn hồi và tỷ trọng của nó còn gần giống với xương người.
- Vật liệu hydroxyapatite (HA) và dẫn xuất của HA có thành phần hóa học tương tự như thành phần của khoáng xương và có khả năng kích thích sự phát triển của các tế bào và mô xương, hỗ trợ sự mọc xương. Việc sử dụng lớp phủ HA trên nền vật liệu titan đã đáp ứng được các yêu cầu khắt khe trong y tế. Do đó, chúng được nghiên cứu nhiều trong các ứng dụng chỉnh hình, nha khoa.
- Lớp phủ HA và dẫn xuất của HA trên nền vật liệu titan có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như: phun phủ plasma, bơm ion, sol-gel, phủ điện di và phủ điện hóa.…Trong đó phương pháp sol-gel có nhiều ưu điểm và vẫn chưa được quan tâm nghiên cứu trong ứng dụng chế tạo lớp tương thích sinh học tại Việt Nam.