(TIỂU LUẬN) CHẾ tạo GIÁ THỂ COMPOSITE RỖNG TRÊN nền CHITOSANTINH BỘTHYDROXYAPATITE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
--------------------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHẾ TẠO GIÁ THỂ COMPOSITE
RỖNG TRÊN NỀN CHITOSAN/TINH
BỘT/HYDROXYAPATITE

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH
SVTH: LÊ HÀ VĂN
MSSV: 18128076

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
--------------------

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHẾ TẠO GIÁ THỂ COMPOSITE
RỖNG TRÊN NỀN CHITOSAN/TINH
BỘT/HYDROXYAPATITE

GVHD: TS. LÊ THỊ DUY HẠNH
SVTH: LÊ HÀ VĂN
MSSV: 18128076

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2022


LỜI CẢM ƠN
Quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp là giai đoạn quan trọng nhất trong quãng đời
mỗi sinh viên. Luận văn tốt nghiệp là tiền đề nhằm trang bị cho chúng em những kỹ
năng nghiên cứu, những kiến thức quý báu trước khi lập nghiệp.
Trước hết, chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô khoa Công nghệ Hố học và
Thực phẩm đã tận tình chỉ dạy và trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong suốt
thời gian ngồi trên ghế giảng đường, làm nền tảng cho em có thể hồn thành được bài
luận văn này.
Em xin trân trọng cảm ơn cô Lê Thị Duy Hạnh đã tận tình giúp đỡ, định hướng cách tư
duy và cách làm việc khoa học. Đó là những góp ý hết sức q báu khơng chỉ trong q
trình thực hiện luận văn này mà còn là hành trang tiếp bước cho em trong quá trình học
tập và lập nghiệp sau này.
Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Mỹ Lệ Chun viên Phịng Thí Nghiệm, Bộ
mơn Cơng nghệ Hóa học. Cảm ơn cơ trong suốt thời gian thực hiện luận văn đã hỗ trợ
về máy móc, thiết bị và hoá chất.
Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, tập thể lớp Hố K18, những
người luôn sẵn sàng sẻ chia và giúp đỡ trong học tập và cuộc sống. Mong rằng, chúng
ta sẽ mãi mãi gắn bó với nhau.
Xin chúc những điều tốt đẹp nhất sẽ ln đồng hành cùng mọi người.

TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022
Sinh viên thực hiện

Lê Hà Văn


LỜI CAM ĐOAN
Em xin chân thành cam đoan tất cả kết quả, nội dung nghiên cứu này là do chính bản
thân em thực hiện dưới sự chỉ bảo và định hướng của cô Lê Thị Duy Hạnh. Những kết
quả, số liệu thực nghiệm trong bài luận văn này là hoàn toàn trung thực. Tất cả các cơ
sở lý luận cho bài luận đều được trích dẫn đầy đủ và ghi rõ nguồn gốc rõ ràng. Em xin
cam đoan nếu có vấn đề gì em xin chịu hồn tồn trách nhiệm.

TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022
Sinh viên thực hiện

Lê Hà Văn


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................i
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ........................................................................................................ ii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... iii
CHƯƠNG 1
COMPOSITE
1.1

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CHẾ TẠO GIÁ THỂ VÀ GIÁ THỂ
………………………………………………………………………..1

Hydroxyapatite...................................................................................................1

1.1.1

Tổng quan HA.............................................................................................1

1.1.2

Cấu trúc và tính chất hố học của HA ........................................................2

1.1.3

Các ứng dụng, nghiên cứu của HA trong y sinh.........................................3

1.2

Tinh bột..............................................................................................................4

1.2.1

Tổng quan....................................................................................................4

1.2.2

Tính chất hố lý...........................................................................................5

1.2.3

Hồ tinh bột...................................................................................................6

1.2.4

Tinh bột biến tính........................................................................................7

1.2.5

Ứng dụng của tinh bột trong y sinh.............................................................7

1.3

Chitosan .............................................................................................................8

1.3.1

Tổng quan....................................................................................................8

1.3.2

Tính chất hố lý của chitosan......................................................................8

1.3.3

Ứng dụng của chitosan trong y sinh............................................................9

1.4

Giá thể composite ............................................................................................10

1.4.1

Tổng quan..................................................................................................10

1.4.2

Cấu trúc và tính chất của giá thể ...............................................................11

1.4.3

Phương pháp chế tạo giá thể .....................................................................12

1.5

Giá thể composite trên nền chitosan/tinh bột/HA............................................12

CHƯƠNG 2
2.1

THỰC NGHIỆM................................................................................14

Hoá chất và vật liệu..........................................................................................14

2.1.1

Chitosan.....................................................................................................14

2.1.2

Tinh bột biến tính......................................................................................14

2.1.3

Hydroxyapatite từ xương gà......................................................................15

2.2

Quy trình chế tạo giá thể..................................................................................16


2.2.1

Quy trình chế tạo giá thể chitosan/tinh bột/HA ........................................16

2.2.2

Các khảo sát ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của giá thể ...........................18

2.2.3

Các phương pháp nghiên cứu....................................................................20

CHƯƠNG 3
3.1

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..............................................................25

Kết quả giá thể composite chitosan - tinh bột..................................................25

3.1.1

Hình ảnh cảm quan của giá thể .................................................................25

3.1.2

Ảnh hưởng của dung dịch đơng tụ đến tính chất cơ lý của giá thể...........26

3.1.3

Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến tính chất cơ lý của giá thể...............30

3.1.4
thể

Kết quả khảo sát hàm lượng Hydroxyapatite đến tính chất cơ lý của giá
…………………………………………………………………………...34

3.2

Đánh giá kết quả giá thể...................................................................................35

3.2.1

Phân tích SEM...........................................................................................35

3.2.2

Phân tích FTIR ..........................................................................................37

3.2.3

Phân tích XRD ..........................................................................................40

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................45

PHỤ LỤC ......................................................................................................................51


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1 Một số tính chất đặc trưng của HA [12] ........................................................3
Bảng 1. 2 Thành phần của các loại tinh bột phổ biến [25]..............................................5
Bảng 1. 3 Nhiệt độ hồ hóa của một vài tinh bột tiêu biểu [36]. ......................................7
Bảng 2. 1 Bảng tỷ lệ khối lượng chitosan/tinh bột trong 30ml dung dịch và ký hiệu ..18
Bảng 2. 2 Hàm lượng Hydroxyapatite theo tổng khối lượng chitosan và tinh bột .......20


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Bột Hydroxyapatite .........................................................................................1
Hình 1. 2 Cấu trúc tinh thể của HA [12] .........................................................................2
Hình 1. 3 Các ứng dụng trong y sinh của HA. (a) In 3D [20], (b) cấy ghép xương [21],
(c) Cấy ghép nha khoa [22], (d) Chất phân phối thuốc [22]. ..........................................4
Hình 1. 4 Cấu trúc hóa học và biểu diễn giản đồ vật lý của amyloza và amylopectin
[32]...................................................................................................................................5
Hình 1. 5 Biểu diễn giản đồ các chuyển pha của tinh bột trong q trình hồ hố và tái
kết tinh [37]. ....................................................................................................................6
Hình 1. 6 Cấu trúc chitosan [48] .....................................................................................9
Hình 1. 7 Một số ứng dụng tiềm năng của chitosan trong y sinh [51]..........................10
Hình 1. 8 Sơ đồ phương pháp tiếp cận của kỹ thuật mơ dựa trên giá thể [54]..............10
Hình 1. 9 Cấu trúc của một số loại giá thể [58].............................................................11
Hình 2. 1 Chitosan 100g có xuất xứ từ cơng ty Cơng nghệ sinh học Bio Basic Inc .....14
Hình 2. 2 Sơ đồ quy trình biến tính tinh bột..................................................................15
Hình 2. 3 Quy trình chế tạo Hydroxyapatite từ xương gà [67] .....................................16
Hình 2. 4 Quy trình chế tạo giá thể chitosan/tinh bột/hydroxyapatite ..........................17
Hình 2. 5 Mẫu giá thể được ngâm trong dung dịch đông tụ .........................................19
Hình 2. 6 Thiết bị sắc ký ion AS-DV............................................................................22

Hình 2. 7 Thiết bị đo SEM TM4000Plus ......................................................................23
Hình 2. 8 Ảnh thiết bị đo FTIR JABCO FTIR 4700.....................................................24
Hình 2. 9 Ảnh thiết bị đo XRD......................................................................................24
Hình 3. 1 Hình ảnh giá thể chitosan/tinh bột trước và sau khi sấy thăng hoa...............25
Hình 3. 2 Hình ảnh giá thể chitosan/tinh bột A. giá thể kết tụ trong dung dịch kiềm
chứa EtOH và giá thể kết tụ trong dung dịch kiềm chứa SO42- .....................................25
Hình 3. 3 Hình ảnh phân tích SEM của giá thể chitosan/tinh bột: A: mặt cắt của giá
thể; B: bề mặt của giá thể kết tụ trong dung dịch kiềm chứa ion sulfate ......................26
Hình 3. 4 Cơ tính của giá thể theo các tỷ lệ chitosan/tinh bột khác nhau trong các dung
dịch đơng tụ ...................................................................................................................27
Hình 3. 5 Độ rỗng của giá thể theo các tỷ lệ chitosan/tinh bột khác nhau trong các
dung dịch đơng tụ ..........................................................................................................28
Hình 3. 6 Độ trương của giá thể theo các tỷ lệ chitosan/tinh bột khác nhau trong các
dung dịch đông tụ được ngâm trong nước cất 24h và 48h............................................29
Hình 3. 7 Độ phân huỷ của giá thể theo các tỷ lệ chitosan/tinh bột khác nhau trong các
dung dịch đông tụ được ngâm trong dung dịch đệm PBS 7 ngày và 14 ngày. .............30
Hình 3. 8 Phản ứng giữa chitosan với tinh bột tạo các nối ngang [72].........................30
Hình 3. 9 Cơ tính của các giá thể với tỷ lệ chitosan/tinh bột khác nhau với các thời
gian khuấy khác nhau ....................................................................................................31
Hình 3. 10 Độ rỗng của các giá thể với tỷ lệ chitosan/tinh bột khác nhau với các thời
gian khuấy khác nhau ....................................................................................................32


Hình 3. 11 Độ trương của các giá thể với tỷ lệ chitosan/tinh bột khác nhau sau khi
ngâm trong nước cất 24h và 48h với các thời gian khuấy khác nhau ...........................32
Hình 3. 12 Độ phân huỷ của các giá thể với tỷ lệ chitosan/tinh bột khác nhau sau khi
ngâm dung dịch đệm 7 ngày và 14 ngày với các thời gian khuấy khác nhau...............33
Hình 3. 13 Kết quả khảo sát hàm lượng HA ảnh hưởng đến cơ tính của giá thể ..........34
Hình 3. 14 Hàm lượng Ca2+ ở các tỷ lệ HA (%) giải phóng theo thời gian ..................35
Hình 3. 15 Hình ảnh phân tích SEM của giá thể [NaOH-Na2 SO4 ] bên trái, và giá thể

[EtOH] bên phải.............................................................................................................36
Hình 3. 16 Ảnh SEM và phân tích EDS giá thể chứa 2,5% HA ...................................36
Hình 3. 17 Ảnh SEM và phân tích EDS giá thể chứa 5% HA ......................................36
Hình 3. 18 Ảnh SEM và phân tích EDS giá thể chứa 7,5% HA ...................................36
Hình 3. 19 Ảnh SEM và phân tích EDS giá thể chứa 10% HA ....................................37
Hình 3. 20 Kết quả phân tích FTIR của giá thể chitosan, màng tinh bột, mẫu giá thể
chitosan tinh bột tỷ lệ 4,5/5,5, không chứa HA.............................................................38
Hình 3. 21 Kết quả phân tích FTIR của Hydroxyapatite, giá thể CS/TB 0% HA, và giá
thể CS/TB 2,5% HA......................................................................................................39
Hình 3. 22 Kết quả phân tích FTIR của giá thể CS/TB/HA khi thay đổi hàm lượng HA
từ 2.5%, 5.0%, 7.5% và 10%.........................................................................................39
Hình 3. 23 Kết quả XRD của mẫu bột hydroxyapatite, màng tinh bột, giá thể chitosan,
giá thể CS/TB, giá thể CS/TB/HA 2,5 %HA. ...............................................................40
Hình 3. 24 Kết quả phân tích XRD của mẫu bột hydroxyapatite, giá thể CS/TB/H.....41


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt: nghĩa
TB: Tinh bột
CS: Chitosan
HA: Hydroxyapatite
TCP: β-Tricalcium phosphate
FTIR: Fourier-transform infrared spectroscopy – Quang phổ hồng ngoại biến
đổi Fourier
SEM: Scanning Electron Microscope – Kính hiển vi điện tử quét
FESEM: Field Emission SEM
EDS: Energy Dispersive X – ray Spectroscopy – Phổ tán sắc năng lượng tia X
XRD: X-Ray Diffraction – Nhiễu xạ tia X
IC: Ion Chromatography

i


TĨM TẮT ĐỀ TÀI
Trong bài nghiên cứu này mơ tả quá trình chế tạo và đánh giá giá thể composite trên nền
vật liệu sinh là chitosan và tinh bột kết hợp với hydroxyapatite với cấu trúc rỗng. Kết
quả đánh giá các tính chất cơ lý như cơ tính, độ rỗng, độ trương, độ phân huỷ cho thấy
những giá thể này thể hiện các tính chất cơ học rất hứa hẹn. Giá thể được áp dụng một
số phương pháp phân tích như: Phân tích phổ hồng ngoại (FTIR), nhiễu xạ tia X (XRD),
kính hiển vi điện tử quét (SEM), đo hàm lượng canxi giải phóng bằng máy sắc ký ion
IC để xác định cấu trúc, định tính và định lượng.
Hydroxyapatite được tổng hợp từ xương gà bằng cách nung 700oC lưu trong 2 giờ qua
các phương pháp phân tích XRD, FTIR, SEM cho kết quả hydroxyapatite có độ tinh
khiết cao trùng khớp với một số nghiên cứu trước đây. Với kích thước hạt trung bình là
288nm chúng có xu hướng tập kết với nhau gây ra hiện tượng kết tục
Bằng cách kết hợp HA với chitosan và tinh bột. Giá thể được tạo ra theo phương pháp
đông tụ-sấy thăng hoa. Kết quả khảo sát dung dịch đông tụ theo các cho thấy dụng dịch
NaOH-Na2SO4 mang lại kết quả cơ tính lý vượt trội hơn so với dung dịch EtOH. Giá
thể có tỷ lệ 4,5/5,5 cho thấy sự thích hợp về tính chất cơ, độ rỗng, độ trương và độ phân
huỷ nên được chọn để khảo sát hàm lượng HA từ 0-10%. Kết quả phân tích SEM cho
thấy giá thể này có kích thước lỗ rỗng từ 50-250µm phù hợp với q trình tái tạo xương.
Kết quả XRD…, Kết quả FTIR…Khi tăng hàm lượng HA modulus của giá thể cũng
tăng từ 0,1117 đến 0,1619 KPa. Hàm lượng Canxi giải phóng sau 7 ngày là từ 10,1785
đến 11,2472 ppm.

ii


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài

Do nhu cầu cấp thiết bảo vệ sức khỏe con người, cộng đồng và nhu cầu phát triển các
sản phẩm mới đồng thời đáp ứng nhu cầu của thực tiễn đời sống và công nghiệp, việc
nghiên cứu tổng hợp các chế phẩm giá thể sinh học với nhiều đặc tính ưu việt là có một
ý nghĩa vơ cùng quan trọng.
Thấu hiểu được nhu cầu đó cùng với mong muốn góp phần cơng sức nghiên cứu của
mình giúp đỡ các bệnh nhân về xương khớp. Việc nghiên cứu và tổng hợp giá thể rỗng
với công dụng tái tạo xương có nguồn gốc vật liệu thiên nhiên và khơng đắt đỏ đang trở
thành hướng đi chính trong mảng này.
Cấu trúc và đặc tính của giá thể polyme rỗng 3D được chế tạo từ polyme phân hủy sinh
học đã được sử dụng mô phỏng như các chất nền ngoại bào và đóng vai trị quan trọng
trong kỹ thuật mô và tái tạo mô được xem như một vật liệu tiềm năng để chữa trị các
khuyết tật về xương. Giá thể cần phải tương thích sinh học tế bào / mơ, độ xốp cao có
thể phân hủy sinh học, liên kết giữa các rỗng cho phép vận chuyển đủ chất dinh dưỡng
và có các đặc tính cơ học tốt phù hợp với tốc độ phân hủy. Một trong những xu hướng
hiện nay trong các ứng dụng cấy ghép là các vật liệu có nguồn gốc từ thiên nhiên. Các
vật liệu có nguồn gốc tự nhiên đã được chứng minh là có khả năng thúc đẩy q trình
chữa bệnh với tốc độ nhanh hơn và được kỳ vọng là có khả năng tương thích tốt hơn với
các mơ của con người. Sự kết hợp của chitosan với các vật liệu khác dường như là một
chủ đề phổ biến trong các báo cáo khác nhau. Do đó việc chế tạo giá thể có tính tương
thích sinh học cao, an tồn, có sự hiệu quả kinh tế, và nguyên vật liệu có nguồn gốc từ
thiên nhiên đang là những mục tiêu hàng đầu trong ngành này.
Vì vậy mục đích của nghiên cứu này là để:
• Chế tạo giá thể composite rỗng trên nền chitosan/tinh bột/HA
• Tổng hợp hydroxyapatite từ xương gà
• Khảo sát một số ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của giá thể
• Đánh giá cấu trúc và thành phần của giá thể

iii

Mong rằng với ý nghĩa thực tiễn là chế tạo vật liệu sinh học có tác dụng tái tạo xương
sẽ mang lại những lợi ích cho xã hội, cải thiện cuộc sống cho một số bệnh nhân, và nâng
cao vai trò của vật liệu sinh học trong cuộc sống.

iv


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CHẾ TẠO GIÁ THỂ VÀ
GIÁ THỂ COMPOSITE
1.1

Hydroxyapatite

1.1.1 Tổng quan HA
Công thức chung của các Apatite là Ca10 (PO4 )6 X2 . Trong đó, X là florua (F) đối với
dạng florit, nhóm clorua (Cl) đối với clorapatit và nhóm hydroxyl (OH-) đối với
hydroxyapatite (HA) [1]. Năm 1912, người ta phát hiện rằng HA (OH- của apatit) tồn
tại trong tự nhiên [2]. HA có tỷ lệ khối lượng Ca / P =1,67 có cơng thức phân tử là
Ca10(PO4)6(OH)2, chứa 3,38% OH, 18,5% P và 39% Ca theo khối lượng. Xương, 50%
khối lượng được cấu tạo bởi HA. Và do sự tương đồng của HA với xương, cả về mặt
hóa học và cấu trúc và cả pha khoáng của xương [3] [4]. , nên HA được cho là có hoạt
tính sinh học (có thể tạo liên kết hóa học trực tiếp với mơ xương), tương thích sinh học
(cả mơ mềm và mơ cứng), có thể hấp thụ sinh học đối với cơ thể con người [5]. Do đó,
HA có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y sinh như lớp phủ chỉnh hình, phẫu thuật cột
sống, cấy ghép nha khoa, chất độn xương và tái tạo hàm mặt [6] [7]. HA cũng có thể
được sử dụng như một chất mang thuốc.

Hình 1. 1 Bột Hydroxyapatite

1


1.1.2 Cấu trúc và tính chất hố học của HA
Cơng thức chung cho Apatite là: M10(PO4 )6 Z2 trong đó M = cation hóa trị hai và Z =
anion hóa trị một.
Tên và tính chất cụ thể của từng hợp chất apatit phụ thuộc vào M và Z. Đối với HA,
cation hóa trị hai (M) tương ứng với Ca2+ và Z tương ứng với gốc hydroxyl (OH-); do
đó, cơng thức phân tử của HA là: Ca10 (PO4 )6 (OH)2
HA có cấu trúc tinh thể khá phức tạp gồm các ion photphat (PO43-), ion hydroxyl (OH)
và ion canxi (Ca2+), và có hai đơn vị HA trong một ô của đơn vị tinh thể [8]. Lượng ion
canxi, photphat và hydroxyl lần lượt là 39,84, 56,77 và 3,39% theo phần trăm khối
lượng. Ô mạng cơ sở có cấu trúc hình lục giác với nhóm khơng gian.
Nhóm khơng gian P63 / m được đặc trưng bởi trục c sáu lần vng góc với ba trục a
tương đương (a1, a2, a3) ở các góc 120 ° với nhau, với kích thước ơ là a = b = 0,9418
nm và c = 0,6884 nm [9] [10]. So với các gốm CaP khác, HA ổn định trong mơi trường
nước trong khoảng pH từ 4,2 đến 8,0 [11]

Hình 1. 2 Cấu trúc tinh thể của HA [12]
Cấu trúc tinh thể của HA có thể thay thế các ion khác nhau cho các nhóm Ca2+, PO43- và
OH-. Sự thay thế ion có thể ảnh hưởng đến hình thái tinh thể, độ kết tinh, độ hịa tan, các
thơng số mạng tinh thể, độ ổn định nhiệt và phản ứng sinh học của HA.
HA được đặc trưng bởi tỷ lệ nguyên tử Ca / P là 1,67. Giá trị Ca / P càng gần 1,67 thì
HA bên trong cơ thể người càng ổn định [13]. Người ta cũng chỉ ra rằng độ bền cơ học

2


của CaPs tăng lên khi tỷ lệ Ca / P tăng và đạt giá trị lớn nhất nếu tỷ lệ Ca / P là ~ 1,67
[14].

Bảng 1. 1 Một số tính chất đặc trưng của HA [12]
Tính chất

Giá trị

Tính chất

Giá trị

Tỷ trọng

3.16g/cm3

Modulus đàn hồi

35–120 GPa

Nhiệt độ phân huỷ

>1000OC

Tương thích sinh học

Cao

Điểm nóng chảy

1614OC

Phân huỷ sinh học

Thấp

Độ bền kéo

38–300 KPa

Hoạt tính sinh học

Cao

1.1.3 Các ứng dụng, nghiên cứu của HA trong y sinh
HA ngày càng được quan tâm nhiều hơn trong việc sử dụng trong các ứng dụng chỉnh
hình và nha khoa [6] [7]. Trong kỹ thuật mô xương, khi sử dụng HA có thể làm tăng khả
năng phản ứng của tế bào và sự lan truyền thúc đẩy quá trình khống hóa. HA cũng đã
được sử dụng cho nhiều lĩnh vực y sinh khác, ví dụ, giải phóng thuốc có kiểm soát, phụ
gia kem đánh răng, chất nền cho xương, v.v. [15]
Oonishi và cộng sự đã công bố việc sử dụng vật liệu tổng hợp HA, đối với các khuyết
tật, khoảng trống cần đầy lấp đầy ở xương trong các đặc tính sinh học chỉnh hình lâm
sàng cho thấy kết quả sử dụng vật liệu tổng hợp HA cho các khuyết tật xương khơng
xuất hiện các biến đổi hình thái sau phẫu thuật hoặc giảm thể tích và thiếu phản ứng
miễn dịch [16]. Ứng dụng khác của HA là HA được phủ lên các bộ phận kim loại để cấy
ghép xương [17].
Prabhakaran và cộng sự đã sử dụng kỹ thuật “electronic spinning” để chế tạo sợi nano
poly-L-lactide (PLLA) / Collagen (Col) / HA và PLLA / HA và quan sát thấy rằng vật
liệu tổng hợp sợi nano PLLA / HA kém hơn sợi nano PLLA / Col / HA về sự hình thành
của các mơ xương, các lỗ rỗng liên kết với nhau. Các sợi nano polycaprolactone (PCL)
/ HA / Col có tính cơ học cao và tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất chất nền ngoại
bào [15].

3


Petricca và cộng sự đã phát triển vật liệu tổng hợp dựa trên PLGA / HA (PLGA; poly
(D, L-lactide-co-glycolide) với các đặc tính và tính chất cơ học được cải thiện và có thể
được sử dụng làm giá đỡ để thay thế xương [18]. Hu và cộng sự đã công bố rằng một
thanh nanocomposite màu vàng nhẹ và trong suốt của chitosan (CS) / HA cho thấy ứng
dụng tuyệt vời trong việc tái tạo xương [19].

Hình 1. 3 Các ứng dụng trong y sinh của HA. (a) In 3D [20], (b) cấy ghép xương [21],
(c) Cấy ghép nha khoa [22], (d) Chất phân phối thuốc [22].
1.2

Tinh bột

1.2.1 Tổng quan
Tinh bột (C6H10O5.H2O)m là một polysaccharide dồi dào, có trong tự nhiên. Tinh bột là
sản phẩm cuối cùng của quá trình quang hợp và đóng vai trị là dạng lưu trữ hóa học của
năng lượng mặt trời trên trái đất. Phần lớn năng lượng dành cho các sinh vật không
quang hợp đến từ tinh bột, được tìm thấy trong các loại cây lương thực chính trên thế
giới. Ngày nay, tinh bột khá phong phú về loại và nguồn gốc, tinh bột dễ phân lập ở
dạng tinh khiết cao, tương đối dễ hòa tan và thủy phân bằng enzym thành glucose hoặc
các sản phẩm maltodextrin khác. Do đó, tinh bột là một sản phẩm tự nhiên, có thể tái
tạo sinh học được sử dụng trong công nghiệp, chẳng hạn như tạo thành xi-rô glucose,
xi-rơ có hàm lượng fructose cao, maltodextrin với nhiều loại trọng lượng phân tử trung
bình, cyclomaltodextrin, D-glucitol (D-sorbitol) và sự hình thành etanol, axit axetic, axit
D-lactic và các hợp chất hữu cơ khác bằng cách lên men [23].
Tinh bột được tạo bởi hai loại polyme chính đó là amylose (polyme mạch thẳng) và
amylopectin (polyme mạch nhánh) của α-D glucopyranoza. Tỷ lệ giữa amylose và

4


amylopectin thay đổi các thuộc tính từng loại ngũ cốc và thổ nhưỡng. Nếu tinh bột chỉ
chứa amylopectin thì thường được gọi là tinh bột sáp [24].
Bảng 1. 2 Thành phần của các loại tinh bột phổ biến [25].
Tinh bột

Amylose
(%)

Amylopecting
(%)

Lipid
(%)

Proein
(%)

Phosphate
(%)

Bắp

25

75

0,8

0,35

0,090

Khoai tây

22

78

0,01

0,1

0,21

Lúa mì

23

77

0,9

0,4

0,18

Gạo

19

81

0,59

0,3

0,09

Bột sắn

17

83

0,02

0,1

0,009

1.2.2 Tính chất hố lý

Hình 1. 4 Cấu trúc hóa học và biểu diễn giản đồ vật lý của amyloza và amylopectin
[32]
Hầu hết các loại tinh bột có cấu trúc bán tinh thể. Độ kết tinh của tinh bột khoảng 2045% [26] tùy thuộc vào loại tinh bột. Tinh bột có màu trắng, khơng tan trong nước lạnh
nhưng hấp thụ thuận nghịch với nước làm chúng trương nở nhưng không đáng kể. Khi
đun sôi chỉ một phần nhỏ tinh bột tan vào nước, còn phần chủ yếu tinh bột bị trương lên

tạo thành dung dịch keo gọi là hồ tinh bột.

5


Amylopectin (AP) là thành phần chính trong hầu hết các loại tinh bột. Cấu trúc phân
nhánh bao gồm các chuỗi ngắn của các đơn vị D-glucosyl liên kết a- (1,4) được liên kết
với nhau thông qua các liên kết a- (1,6) [27] [28]. Amylose (AM) thường bao gồm 15–
35% tinh bột theo trọng lượng, và về cơ bản là mạch thẳng với các chuỗi dài hơn nhiều
so với AP, mặc dù một phần AM cũng phân nhánh [29] [30]. Trong phân tử amylose có
chứa nhiều nhóm hydroxyl nên có tinh bột tính ưa nước rất cao. Bởi vì (AM) có cấu trúc
mạch thẳng, cuộn lại thành hình xoắn ốc với sáu đơn vị glucose, khoảng cách giữa chúng
nhỏ dễ dàng dẫn tới liên kết hydro giữa các phân tử polyme liền kề dẫn đến việc chúng
hòa tan kém trong nước [31].
1.2.3 Hồ tinh bột
Khi liên kết hydro trong tinh bột phản ứng với phân tử nước ở nhiệt độ cao sẽ chuyển
từ trạng thái có trật tự sang trạng thái mất trật tự (trạng thái chuyển tiếp) và hiện tượng
này được gọi là q trình hồ hóa [33] [34].
Q trình hồ hóa xảy ra trong tinh bột có nồng độ nước 25% và dải nhiệt độ từ 60ºC đến
70ºC. Khi trộn nước lạnh với tinh bột, hỗn dịch đồng nhất màu trắng đục sẽ được hình
thành. Tinh bột trong dung dịch nước bị nóng lên rất nhiều gây ra sự keo tụ của huyền
phù tinh bột. Tăng dần độ nhớt sẽ chuyển sang dạng gel hóa và tăng hơn nữa sẽ làm tăng
cường cấu trúc gel [35].

Hình 1. 5 Biểu diễn giản đồ các chuyển pha của tinh bột trong q trình hồ hố và tái
kết tinh [37].

6

Bảng 1. 3 Nhiệt độ hồ hóa của một vài tinh bột tiêu biểu [36].
Loại tinh bột

Nhiệt độ hồ hoá

Bắp

57-59 ℃

Khoai tây

59-68 ℃

Lúa mì

58-64 ℃

Gạo

68-78 ℃

Sắn

58,5-70 ℃

1.2.4 Tinh bột biến tính
Mục đích biến tính tinh bột là nhằm làm giảm độ nhớt của dung dịch cũng như làm giảm
các mắt xích cấu tạo trong tinh bột, tạo ra các mạch ngắn hơn so với cấu trúc tinh bột
ban đầu.
Một số phương pháp biến tính tinh bột:

• Phương pháp hố học
• Phương pháp enzyme
• Phương pháp vật lý
Ngồi ra biến tính tinh bột bằng phương pháp thuỷ phân bằng acid, oxi hố tính bột…
[38] [39].
1.2.5 Ứng dụng của tinh bột trong y sinh
Màng dựa trên biopolymer là một trong những ứng dụng y tế sử dụng tinh bột làm thành
phần chính. Nó cung cấp khả năng tương thích sinh học tuyệt vời, chi phí thấp và khả
năng phân hủy sinh học tuyệt vời là lợi thế của nó [40].
Tinh bột được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo giá thể tái tạo xương vì các tính chất
thích hợp của tinh bột như là khơng độc tính và khả năng điều chỉnh thời gian phân hủy.
Một giá thể lý tưởng là một giá thể phải đạt được các đặc tính như độ xốp thích hợp cho
sự di chuyển của tế bào, tính ưa nước và thời gian phân huỷ của giá thể. Ví dụ, giá thể
đã được tạo ra bằng cách sử dụng các sợi nano tinh bột / xenlulo thông qua kỹ thuật rửa
trôi muối. Xenlulo chiết xuất rơm rạ với 70% đường kính và trong khoảng từ 40nm đến
90nm đã được thêm vào để tăng cường các đặc tính của giá thể. Đáng chú ý, sự hấp thụ

7


nước đã tăng 10% do hàm lượng sợi nano xenlulo. Bên cạnh đó, giàn thể có khả năng
nâng cao mơ đun young và độ bền kéo, điều này trực tiếp cải thiện các tính chất cơ [41].
1.3

Chitosan

1.3.1 Tổng quan
Chitin được tìm thấy trong các bộ xương ngồi của giáp xác và trong các sợi nấm. Chitin
là một polysaccharide mạch thẳng của N-acetyl-d-glucosamine được liên kết bởi các
liên kết b- (1,4) glycosidic. Chitosan có nguồn gốc từ chitin bằng một quá trình deacetyl

hóa, do đó tạo ra dị trùng hợp của các monome d-glucosamine và N-acetyl-dglucosamine.
Chitin và chitosan thường được đặc trưng bởi mức độ deacetyl hóa (DD) của chúng, là
tỷ lệ của 2-acetamido-2-deoxyd glucopyranose với đơn vị cấu trúc 2-amino-2-deoxy-dglucopyranose. Đối với chitin DD lớn hơn 90–95% và đối với chitosan DD nhỏ hơn
35% [42].
Chitosan là một polyme tự nhiên có thể phân hủy sinh học, khơng độc hại, đã được
nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng y sinh và kỹ thuật mơ. Chitosan được biết là có
các hoạt tính sinh học khác nhau bao gồm các tác dụng tăng cường miễn dịch, các hoạt
động kháng u, kháng nấm và kháng khuẩn. Tuy nhiên, chitosan bị phân hủy bởi quá
trình thủy phân bằng enzym, độ bền kéo và độ đàn hồi của nó khơng thích hợp cho một
số ứng dụng y sinh như băng vết thương và thay thế mô da. Chitosan kết hợp với các
polyme khác đã mở ra một cơ hội nghiên cứu để thay đổi và cải thiện các đặc tính quan
tâm [43].
1.3.2 Tính chất hố lý của chitosan
Chitosan được sản xuất bằng cách khử chitin; trong quá trình này, một số đơn vị Nacetylglucosamine được chuyển thành các đơn vị glucosamine.
Các nhóm NH2 trên cấu trúc chitosan giải thích cho khả năng hịa tan của nó trong mơi
trường nước axit vì giá trị pKa của nó xấp xỉ 6,5 [44]. Độ hịa tan của chitosan phụ thuộc
vào các yếu tố khác nhau như trọng lượng phân tử polyme, mức độ axetyl hóa, pH, nhiệt
độ và độ kết tinh của polyme [45].

8


Độ nhớt của chitosan phụ thuộc vào khối lượng phân tử của polyme và mức độ deacetyl
hóa và giảm khi khối lượng phân tử của chitosan giảm. Trên thực tế, độ nhớt có thể được
sử dụng để xác định độ ổn định của polyme trong dung dịch, vì độ nhớt của chitosan
giảm trong quá trình bảo quản polyme do sự phân hủy polyme [46]. Điều này được giải
thích là do bản chất của chitosan là một polyelectrolyte cation vì sự proton hóa amin
trong mơi trường axit. Do đó, DD càng cao sự mở rộng chuỗi lớn hơn, nhiều đơn vị
glucosamine được tìm thấy trong chuỗi polyme hơn, dẫn đến mật độ điện tích lớn hơn.
Để điều chỉnh độ nhớt chitosan, việc khảo sát các hỗn hợp dung môi khác nhau đã được

đánh giá; theo điều này, Kassai và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc bổ sung
isopropanol và etanol vào dung dịch axit axetic 1% để hoà tan chitosan và đã được nhận
thấy rằng sự có mặt của các ancol này đã làm giảm độ nhớt nội tại của chitosan [47].
Các nhóm amin chính (C2) và các nhóm hydroxyl chính và phụ (C6, C3) là các phản
ứng của chitosan. Bên cạnh đó, liên kết glycosidic và nhóm acetamide cũng có thể được
coi là nhóm chức. Các nhóm chức năng này có thể thay đổi, tạo ra các polyme với các
đặc tính và hoạt động khác [48]. Mặt khác, chitin/chitosan là polymer mà các monomer
được nối với nhau bằng liên kết β-(1-4)-glucozit. Các liên kết này rất dễ bị đứt bởi acid,
base, tác nhân oxy hóa và enzyme thủy phân.

Hình 1. 6 Cấu trúc chitosan [48]
1.3.3 Ứng dụng của chitosan trong y sinh
Kể từ khi phát hiện các loại polyme đầu tiên trong ứng dụng làm chất dẫn thuốc,
chitosan
đã cho thấy các đặc tính sinh học và hóa lý ưu việt cho nhiều ứng dụng y sinh. Tính
năng chính của biopolyme này là đặc tính cation của nó do các nhóm amin. Các nhóm
amin này có khả năng như giải phóng thuốc một cách kiểm sốt, bám dính niêm mạc,
tạo gel tại chỗ, chuyển dịch, tăng cường thẩm thấu và các đặc tính ức chế bơm tràn [49].

9


Màng chitosan dễ dàng được sản xuất bằng phương pháp đúc dung mơi mang lại đặc
tính an tồn, khả năng tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học [50].

Hình 1. 7 Một số ứng dụng tiềm năng của chitosan trong y sinh [51].
1.4

Giá thể composite

1.4.1 Tổng quan
Kỹ thuật mô là một ngành dựa trên nguyên tắt cơ thể sống có khả năng tái sinh và kết
hợp các khái niệm kỹ thuật và sinh học tế bào để tạo ra (tăng trưởng) mô người mới
[52]. Một nhánh quan trọng của kỹ thuật mô liên quan đến việc sử dụng các vật liệu
được thiết kế có độ rỗng cao, được gọi là giá thể, sẽ hoạt động như các khn mẫu 3D
(tạm thời) để kết dính tế bào, tăng sinh, di chuyển và cuối cùng là hình thành mơ mới
[53].

Hình 1. 8 Sơ đồ phương pháp tiếp cận của kỹ thuật mô dựa trên giá thể [54].

10


1.4.2 Cấu trúc và tính chất của giá thể
Một giá thể lý tưởng cho kỹ thuật xương phải đáp ứng một số tiêu chí như sau: (i) tính
tương thích sinh học cho phép gắn kết, biệt hóa và tăng sinh tế bào, (ii) tạo xương (tức
là vật liệu phải tạo ra liên kết xương bền chắc), (iii) khả năng phân hủy sinh học với tốc
độ phù hợp với tốc độ hình thành mơ mới, (iv) cơ tính, ví dụ độ bền của giá thể phải đủ
để cung cấp sự ổn định cơ học ở các vị trí chịu tải trước khi tái tạo mô mới, và (v) cấu
trúc rỗng liên kết với nhau có độ rỗng [90% và kích thước lỗ từ 300 đến 500 µm để thâm
nhập tế bào, mô đang phát triển và dãn mạch [55] [56].
Độ rỗng và kích thước lỗ của giá thể 3D có ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng của
chúng
trong các ứng dụng y sinh. Mạng lưới rỗng mở và liên kết với nhau rất cần thiết cho
dinh dưỡng tế bào, tăng sinh và di chuyển cho q trình tuần hồn mơ và hình thành các
mơ mới. Bề mặt rỗng cũng giúp tạo điều kiện liên kết cơ học giữa các giá đỡ và mô xung
quanh để cải thiện độ ổn định cơ học của mơ cấy [57].
Vật liệu có độ rỗng cao cho phép giải phóng hiệu quả các yếu tố sinh học như protein,
gen hoặc tế bào và cung cấp chất nền tốt để trao đổi chất dinh dưỡng. Tuy nhiên, đặc
tính cơ học quan trọng trong việc duy trì sự ổn định cấu trúc của vật liệu sinh học thường

bị tổn hại do độ rỗng tăng lên [58].

Hình 1. 9 Cấu trúc của một số loại giá thể [58]

11


1.4.3 Phương pháp chế tạo giá thể
Các polyme tự nhiên như Collagen, Silk, Alginate, Chitosan và axit Hyaluronic là
polymer tự nhiên được ưa chuộng trong công nghệ chế tạo giá thể vì chúng có khả năng
phân hủy sinh học tốt, gắn kết tế bào, tăng sinh, tế bào v.v ... Vật liệu polyme tổng hợp
có khả năng chịu tải cao hơn vật liệu tự nhiên [59]. Polyme là vật liệu được sử dụng
rộng rãi trong chế tạo giàn giáo; các vật liệu khác bao gồm gốm sứ, kim loại, v.v. Một
vật liệu quan trọng khác là Hydrogel. Hydrogel là các mạng lưới polyme liên kết ngang
về mặt vật lý hoặc hóa học có khả năng hấp thụ một lượng lớn nước [60].
Một số phương pháp chế tạo giá thể
Rửa trôi muối: Kỹ thuật này sử dụng các chất có thể được phân tán vào một cấu trúc
khn và sau đó bị hòa tan khi cấu trúc đã ổn định, dẫn đến việc tạo ra các lỗ rỗng [59].
Sấy thăng hoa: bắt đầu bằng sự đông đặc của dung dịch polyme, dẫn đến sự hình thành
các tinh thể dung mơi được bao quanh bởi các tập hợp polyme sau đó dung mơi trải qua
q trình thăng hoa trực tiếp thành khí từ pha rắn [61].
Electrospinning: sử dụng điện trường đặt bên ngồi để kéo các sợi tích điện của dung
dịch polyme hoặc polyme nóng chảy dưới dạng các tia phản lực mỏng từ ống mao.
In 3D: In 3D chế tạo các vật thể thơng qua q trình xử lý từng lớp của chất nền vật liệu
dạng bột, lỏng hoặc rắn [59]. Cấu trúc của một đối tượng in 3D được quyết định bởi một
mơ hình thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) được tải lên máy in 3D [62].
1.5

Giá thể composite trên nền chitosan/tinh bột/HA

Chitosan có sự tương đồng với cấu trúc của một số glycosaminoglycans (GAGs) trong
các ứng dụng bên ngồi tế bào làm cho nó có thể kết dính tế bào với phản ứng cơ thể lạ
ở mức tối thiểu. Tuy nhiên, vật liệu sinh học dựa trên chitosan khơng có các tính chất
cơ lý phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật mô xương [63]. Trong số các chất tạo màng
sinh học, tinh bột thường được sử dụng cho các giá đỡ kỹ thuật mô, vì nó tương thích
sinh học, có thể phân hủy sinh học, dễ tiếp cận và rẻ tiền [33]. Người ta đã nhận thấy
rằng các đặc tính vật lý và hoạt tính sinh học của hydrogel chitosan được tăng lên khi
trộn với tinh bột [64]. Bất chấp những cải tiến này, các cấu trúc như vậy thiếu chất dẫn

12