Luận án Nghiên cứu tổng hợp màng hydroxyapatit bằng phương pháp điện hóa trên nền thép không gỉ 316L có và không có màng titan nitrua

MỞ ĐẦU
Hiện nay, ngành phẫu thuật chấn thương và chỉnh hình có nhiều loại vật
liệu khác nhau được dùng làm nẹp vít cố định xương trong quá trình thay thế
và hàn gắn xương như: thép không gỉ 316L, hợp kim của Coban
(CoNiCrMo), titan kim loại và hợp chất của titan (Ti6Al4V, TiN, TiO 2).
Những vật liệu này nhìn chung có độ bền cơ lý hóa và khả năng tương thích
sinh học cao với môi trường dịch cơ thể người. Tuy nhiên, trong một số
trường hợp cấy ghép cụ thể, những vật liệu bằng kim loại và hợp kim vẫn ít
nhiều bị ăn mòn dẫn đến các phản ứng đào thải làm giảm tuổi thọ của vật liệu
và gây ra những khó chịu nhất định cho bệnh nhân. Chính vì lý do này, vật
liệu sử dụng trong quá trình cấy ghép xương phải đáp ứng được các yêu cầu
cơ bản: có đặc tính chống ăn mòn cao, bền cơ học, có sự thích nghi tốt với cơ
thể, không bị biến dạng khi tiệt trùng ở nhiệt độ cao và dễ sử dụng [1-5].
Trong những năm gần đây, các chấn thương do bệnh lý và tai nạn gây ra
ngày càng nhiều, nhu cầu sử dụng vật liệu y sinh ngày càng tăng, đặc biệt nhu
cầu sử dụng vật liệu y sinh chất lượng cao. Chính vì vậy, hướng nghiên cứu
mới nhằm nâng cao chất lượng cho vật liệu y sinh trên cơ sở kim loại và hợp
kim ngày càng được phát triển mở rộng. Nhiều nghiên cứu về màng y sinh
được phủ trên các vật liệu trơ sinh học đang được tiến hành. Để nâng cao tính
tương đồng sinh học giữa các mô của cơ thể người với bề mặt vật liệu và đáp
ứng các yêu cầu cơ bản của vật liệu sử dụng trong lĩnh vực cấy ghép xương,
nhiều công trình đã nghiên cứu tổng hợp màng hydroxyapatit (HAp) lên bề mặt
kim loại, hợp kim nhằm mang lại các sản phẩm y sinh chất lượng cao phù hợp
nhu cầu của con người [6].

1


HAp có công thức hóa học là Ca10(PO4)6(OH)2. Trong tự nhiên tồn tại ở
dạng khoáng chất, thuộc họ apatit và là khoáng chất chính trong khung
xương, răng của người và động vật.

HAp có nhiều ứng dụng trong y sinh học do đặc tính quý giá của chúng:
có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao với các tế bào, các mô, không bị
cơ thể đào thải, tồn tại ở nhiều trạng thái tập hợp... Một màng HAp mịn,
mỏng phủ trên xương nhân tạo có tác dụng tăng cường khả năng liên kết với
các mô và xương tự nhiên.
Có rất nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để tổng hợp màng
HAp trên nền kim loại và hợp kim như: phương pháp vật lý (plasma chân
không, phun nhiệt, phương pháp phún xạ magnetron, phún xạ chùm ion, lắng
đọng pha hơi...), phương pháp hóa học (sol-gel, nhúng, ngâm, ép nóng...) và
phương pháp điện hóa [1, 7, 8]. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm
riêng. Màng HAp tổng hợp bằng phương pháp điện hóa đang thu hút các nhà
khoa học bởi vì: nhiệt độ phản ứng thấp, có thể phủ lên chất nền có hình dạng
phức tạp, điều khiển chiều dày màng, có thể tổng hợp được màng có độ tinh
khiết cao… [9-11]. Chính vì ưu điểm này nên tên đề tài được lựa chọn:
“Nghiên cứu tổng hợp màng hydroxyapatit bằng phương pháp điện hóa
trên nền thép không gỉ 316L có và không có màng titan nitrua” với mục
đích góp phần vào quá trình nghiên cứu tổng hợp cũng như định hướng ứng
dụng của vật liệu phủ màng HAp trong lĩnh vực cấy ghép xương.
* Mục tiêu của luận án:
Chế tạo thành công màng HAp trên nền thép không gỉ 316L (TKG316L)
và thép không gỉ 316L phủ TiN (TiN/TKG316L), có hoạt tính sinh học trong
dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF).

2


* Nội dung nghiên cứu chính của luận án:
Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu đã đề ra, nội dung nghiên cứu của luận
án gồm ba nội dung chính sau:
1. Khảo sát lựa chọn các điều kiện thích hợp (nồng độ dung dịch, nhiệt

độ, tốc độ quét thế, số lần quét, nồng độ H2O2) và nghiên cứu đặc trưng hóa lý
của màng HAp tổng hợp trên nền TKG316L.
2. Chế tạo màng TiN trên nền TKG316L bằng phương pháp phún xạ
manegtron một chiều và khảo sát lựa chọn các điều kiện thích hợp (điện thế
áp đặt, nhiệt độ, pH, nồng độ H2O2, thời gian) để tổng hợp màng HAp trên
nền TiN/TKG316L.
3. Nghiên cứu hoạt tính sinh học của bốn loại vật liệu TKG316L,
HAp/TKG316L, TiN/TKG316L và HAp/TiN/TKG316L trong dung dịch mô
phỏng dịch cơ thể người (SBF).

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung về titan nitrua(TiN)
1.1.1. Tính chất của TiN [12-14]
1.1.1.1. Tính chất vật lý
TiN là hợp chất của titan và nitơ, có màu của kim loại vàng, độ cứng, độ
bền nhiệt và độ bền ăn mòn cao, nhiệt nóng chảy 2950°C, oxy hóa chậm (bắt
đầu oxy hóa ở 800oC) và có điện trở suất khá nhỏ (20-30 µΩ.cm2), độ phản xạ
cao trong vùng hồng ngoại. TiN ở nhiệt độ phòng tồn tại ở trạng thái rắn và có
tỷ khối là 5,22 g/cm3, gấp đôi tỷ khối của thủy tinh, nhưng thấp hơn so với
hầu hết các kim loại.
TiN rất cứng, nó được so sánh với vật liệu corundum (vật liệu sử dụng
trong các chất mài mòn như giấy nhám...). Tính chất của TiN phụ thuộc một
phần vào hàm lượng nitơ, hình thái cấu trúc và kích thước hạt. TiN có cấu
trúc tinh thể của mạng tinh thể muối, trong đó các nguyên tử titan tạo thành
một mạng tinh thể lập phương tâm diện còn các nguyên tử nitơ nằm trong các
hốc bát diện (hình 1.1).

Hình 1.1: Cấu trúc mạng tinh thể của TiN [14]
1.1.1.2. Tính chất hóa học
TiN có độ bền hóa học cao. Trong không khí chỉ bị tấn công dần dần ở
nhiệt độ trên 600oC và ở nhiệt độ 1200oC trong bầu khí quyển O2 hoặc CO2 bị
oxy hóa nhanh chóng. Trong dung dịch kiềm nóng TiN bị phân hủy và tạo ra
amoniac.
4


1.1.2. Một số phương pháp tổng hợp màng TiN
TiN là vật liệu có tính chất cơ lý tốt do đó nó rất thích hợp làm lớp trung
gian trong hệ thống màng đa lớp. Tuy nhiên, tùy thuộc vào mục đích sử dụng
khác nhau mà màng TiN được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau
trên các loại vật liệu nền khác nhau: lắng đọng hơi hóa học (CVD), lắng đọng
hơi vật lý (PVD) [15]. Nguyên tắc của các phương pháp này dựa trên tiền chất
dễ bay hơi để hình thành màng trên vật liệu nền.
Phương pháp PVD được thực hiện trong buồng kín chứa khí trơ với áp
suất thấp khoảng dưới 10-2 bar ở nhiệt độ từ 400oC – 500oC thích hợp cho
việc chế tạo các dụng cụ trong ngành công nghiệp như các công cụ cắt, các
dụng cụ cấy ghép y sinh... Các phương pháp PVD phổ biến là phương pháp
phún xạ, hồ quang chân không, xung laze [16-21].
Phún xạ magnetron là kỹ thuật phún xạ (sử dụng cả với xoay chiều và
một chiều) cải tiến từ các hệ phún xạ thông dụng bằng cách đặt bên dưới bia
các nam châm nhằm nâng cao hiệu suất phún xạ. Từ trường của nam châm có
tác dụng bẫy các điện tử và ion lại gần bia và tăng hiệu ứng ion hóa, tăng số
lần va chạm giữa các ion, điện tử với các nguyên tử khí tại bề mặt bia do đó
làm tăng tốc độ lắng đọng, giảm sự bắn phá của điện tử và ion trên bề mặt
màng, giảm nhiệt độ đế và có thể tạo ra sự phóng điện ở áp suất thấp hơn
[22].
Màng mỏng TiN được tổng hợp trên đế Si bằng phương pháp phún xạ

Magnetron. Kết quả nghiên cứu cấu trúc hình học và cấu trúc pha đã cho thấy có
sự thay đổi cấu trúc pha khi thay đổi điều kiện tạo màng như tỷ lệ hỗn hợp khí
argon và nitơ. Độ gồ ghề bề mặt của màng tổng hợp trong điều kiện 100% nitơ
tinh khiết nhỏ hơn so với màng TiN tổng hợp với hỗn hợp hai khí nitơ và argon
[23].
Y.L. Jeyachandran tại khoa Vật lý, Đại học Bharathiar, Ấn Độ và C.Y.
Bao ở trường Đại học Sichuan đã nghiên cứu tổng hợp lớp phủ titan và titan
5


nitrua trên đế kính bằng phương pháp phún xạ magnetron và tổng hợp màng
HAp có mặt của ion F- (FHAp) và có mặt cả F- và Zn2+ (Zn-FHAp), trên nền
titan kim loại bằng phương pháp nhúng trong dung dịch có chứa
Ca(CH3COO)2.2H2O + Zn (CH3COO)2.4H2O + 85% H3PO4 và 40% HF, pH
=9, điều chỉnh bằng NH4OH sau đó làm khô ở 150oC và ủ nhiệt ở 650oC trong
thời gian 15 phút. Kết quả chụp AFM của Ti và TiN cho thấy bề mặt lớp phủ
khá phẳng và đồng đều. Độ ghồ ghề bề mặt của Ti thay đổi từ 2,1 đến 2,8 nm
và của TiN từ 1,3 đến 3,5 nm (hình 1.2). Sự phát triển của các vi khuẩn
Porphyromonas gingivalis đã được nghiên cứu trên những vật liệu tổng hợp
được [24]. Các nghiên cứu của họ cho thấy sự phát triển của vi khuẩn là khác
nhau trên mỗi loại vật liệu. Tùy vào từng điều kiện cụ thể có thể ứng dụng
những vật liệu này trong ngành công nghệ sinh học.
TiN

Ti

Hình 1.2: Hình ảnh AFM của lớp phủ Ti và TiN [24]
Màng TiN được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron một
chiều trên đế thủy tinh, hệ chân không làm việc có áp suất tới hạn là 10-4 torr
với bia làm vật liệu là Ti 99,96% kích thước bia 10106 (mm). Khí làm việc

là khí Ar (99,99%) và khí hoạt tính là N2 (99,99%) chúng được trộn lẫn với tỉ
lệ cho trước và được đưa vào buồng chân không bằng hệ van kim. Từ trường
bên ngoài mặt bia được tạo bằng nam châm vĩnh cửu ferit, cường độ từ
trường khoảng 350 Gauss. Quá trình tạo màng tiến hành với áp suất 3.10-3 đến
3.10-6 torr. Thế phún xạ thay đổi từ 350 – 650 V, tỉ lệ khí N2/Ar thay đổi từ 5
6


– 15%. Kết quả cho màng TiN có cấu trúc tinh thể cao, tồn tại đủ các mặt
mạng (111), (200) và (311) (hình 1.3). Màng có điện trở suất thấp ρ = 35
μΩ.cm ứng với các thông số tạo màng tối ưu: Thế phún xạ ngưỡng Up = 550
V, tỉ lệ N2/Ar = 10%, khoảng cách giữa bia và đế h = 4,5cm, áp suất phún xạ
toàn phần P = 3.10-3 torr, nhiệt độ đế 200oC. Chiết suất và hệ số tắt của màng
ở bước sóng 550nm là 1,14 và 2,13 [25].

Hình 1.3: Phổ nhiễu xạ của các màng TiN được tạo tại: Up=550 V; tỉ lệ N2/Ar
10%; áp suất làm việc p=3 mtorr, nhiệt độ 200oC, khoảng cách bia và đế thay
đổi: h=3,5cm; h=4,5cm; h=5,5cm [25]
M. H. Islam và các đồng nghiệp Sở Y tế vàKhoa Sinh học, Đại học Công
nghệ Sydney đã tổng hợp màng Ti xen TiN trên nền Si và thủy tinh bằng
phương pháp phún xạ mangetron một chiều trong buồng chân không chứa hỗn
hợp khí Ar và N2 có độ tinh khiết cao, áp suất buồng 510-6 Torr. Bia Ti (độ
tinh khiết 99,999%) đường kính 9 cm, cách nền 6 cm, Ti và TiN được tổng
hợp nhiệt độ phòng với điện năng cung cấp 1,5 kV [26]. Màng Ti với chiều
dày khoảng 60 nm, sau đó màng TiN có chiều dày 1÷2,5 µm được tổng hợp
bằng cách thay đổi áp suất riêng phần của N2 từ 0 lên 1 mTorr (áp suất tổng
của Ar và N2 là 2,4 mTorr) và năng lượng phún xạ bia Ti từ 100 lên 250 W.
Kết quả cho thấy lưu lượng nitơ ảnh hưởng tới thành phần của TiN. Với
áp suất 0,4 mTorr < N2< 0,8 mTorr, màng TiN có màu vàng, ngoài khoảng áp
suất này màng TiN có màu vàng sáng. Hình thái học bề mặt TiN thô ráp hơn

và kích thước hạt tăng khi áp suất N2 tăng (hình 1.4).
7


(a)

(b)

Hình 1.4: Hình ảnh SEM bề mặt TiN khi thay đổi áp suất N2: 0,4 mTorr (a)
và 0,8 mTorr (b) [26]
1.1.3. Ứng dụng của TiN
Vì TiN có màu kim loại vàng, độ bền hóa, độ bền cơ lý và đặc biệt có độ
cứng cao nên nó được ứng dụng nhiều trong công nghiệp làm mũi khoan, làm
lưỡi dao cắt, làm vật liệu trang trí bảo vệ, vật liệu linh kiện điện tử và vật liệu
nẹp vít xương dùng trong phẫu thuật cấy ghép [27].
Màng TiN được chế tạo trên đế Si, có điện trở suất khoảng 25 μΩ.cm
được ứng dụng làm hàng rào khuếch tán trong công nghệ điện tử IC. Với ưu
điểm của tính chất cơ học như: có màu kim loại vàng, độ cứng cao… được
ứng dụng cho mục đích trang trí và được tạo trên đế thủy tinh hoặc đế MgO,
màng có điện trở suất khoảng 13-192 μΩ.cm [25].
Các công cụ cắt gọt, khuôn đúc, bánh răng, ổ bi thường chịu ứng suất cơ
học và ứng suất nhiệt rất cao trong khi làm việc, do đó dễ bị hỏng. Khó khăn
này được khắc phục nếu dùng các vật liệu có độ cứng cao. Trong công nghệ
siêu cắt hiện nay chỉ có lớp phủ kim cương được ứng dụng. Tuy nhiên lớp
phủ này khá đắt và hiếm. Bằng phương pháp phún xạ magnetron với hàm
lượng nitơ thay đổi 0 ÷ 30% màng TiN dày 20 μm trên lưỡi dao cắt có độ
cứng và chịu mài mòn tốt hơn màng Ni được dùng trước đó. Kết quả nghiên
cứu cho thấy lớp phủ TiN với hàm lượng 3% N2 đáp ứng yêu cầu trong công
nghệ siêu cắt và dần thay thế màng kim cương [28].

8


Màng TiN ngoài ứng dụng trong sản phẩm công nghiệp, điện tử, trang trí
đồ gia dụng còn được ứng dụng trong lĩnh vực y sinh như trong công nghệ
làm răng, làm nẹp vít xương bởi vì nó có mô đun đàn hồi thấp, độ tương thích
sinh học và độ bền ăn mòn cao trong môi trường sinh lý. Titan và hợp kim
của titan (Ti6Al4V, Ti6Al7Nb) cũng được các nhà khoa học nghiên cứu và
ứng dụng làm vật liệu y sinh. Các kết quả nghiên cứu cho thấy các vật liệu
này có tính tương thích sinh học cao hơn so với các vật liệu kim loại và hợp
kim khác đã sử dụng trước đó như: Cr-Ni, hợp kim Co [29, 30]. Tuy nhiên,
giá thành của titan và hợp kim của nó khá cao do đó việc ứng dụng vào thực
tế gặp nhiều khó khăn. Các lớp phủ titan nitrua (TiN) và titan có hoạt tính
sinh học và chống ăn mòn tốt trong môi trường dịch sinh học, được phủ trên
các chi tiết, thiết bị, ốc vít chế tạo bằng thép không gỉ dùng trong sửa chữa,
cấy ghép chỉnh hình đầu gối, xương hông và nẹp vít xương [26]. Trong
khoảng 10 năm trở lại đây, các kết quả thử nghiệm lâm sàng cho thấy lớp phủ
titan và TiN có hoạt tính sinh học trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể
người.
Màng TiN dày 3 μm được phủ trên thép 316L bằng phương pháp PVD, sau
đó ngâm trong dung dịch mô phỏng cơ thể người của Hank 28 ngày. Kết quả cho
thấy vật liệu thép có phủ TiN có khả năng chống ăn mòn tốt hơn vật liệu thép
không có TiN, đồng thời kết quả đo phân cực Tafel và tổng trở điện hóa cho thấy
màng TiN là lớp phủ phù hợp trên nền kim loại cho các ứng dụng y sinh [31].
1.2. Tổng quan chung về hydroxyapatit (HAp)
1.2.1. Tính chất của HAp
1.2.1.1. Tính chất vật lý
Hydroxyapatit (HAp), Ca10(PO4)6(OH)2, tồn tại trạng thái tinh thể, có
màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành,
kích thước hạt và trạng thái tồn tại. HAp có nhiệt độ nóng chảy 1760 oC và

9


nhiệt độ sôi 2850oC, độ tan trong nước 0,7 g/L, khối lượng mol phân tử
1004,6 g, khối lượng riêng là 3,08 g/cm3, độ cứng theo thang Mohs bằng 5.
Bằng phương pháp hiển vi điện tử SEM hoặc TEM có thể nhận biết được
tinh thể HAp tồn tại các dạng khác nhau: dạng hình que, hình kim, hình vảy,
hình sợi, hình cầu, hình trụ (hình 1.5) [7, 32].

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Hình 1.5: Ảnh hiển vi điện tử của các tinh thể HAp [32-34]
(a) - Dạng hình que

(b) - Dạng hình trụ

(c) - Dạng hình cầu

(d) - Dạng hình sợi

(e) - Dạng hình vảy

(f) - Dạng hình kim

HAp có hai dạng cấu trúc là dạng lục phương (hexagonal) và dạng đơn tà
(monoclinic). Khi được điều chế ở nhiệt độ từ 25 đến 100 oC HAp có dạng lục
phương và có dạng đơn tà khi nung dạng lục phương ở 850oC trong không khí
sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, giản đồ pha X-ray của hai
dạng này giống nhau cả về số lượng và vị trí của các pic nhiễu xạ, chỉ khác
nhau về cường độ pic. Đối với dạng đơn tà cường độ các pic yếu hơn so dạng
lục phương khoảng 1% [36].
Cấu trúc của HAp tổng hợp, HAp có trong thành phần của xương và ngà
răng thường có dạng lục phương và thuộc nhóm không gian P6 3/m với các
hằng số mạng a = 0,9417 nm, b = 0,9417 nm và c = 0,6875 nm, α = β = 90o và

10


γ = 120o. Mỗi ô mạng cơ sở của tinh thể HAp gồm các ion Ca2+, PO43- và OHđược sắp xếp như hình 1.6 [36, 37].
Ca2+

PO43-

OH-

Hình 1.6: Cấu trúc của HAp [38]
Công thức cấu tạo của phân tử HAp được thể hiện trên hình 1.7, có thể
nhận thấy phân tử HAp có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca - O là liên kết
cộng hoá trị. Hai nhóm -OH được gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch

[39].

Hình 1.7: Công thức cấu tạo của phân tử HAp [38, 40]
1.2.1.2. Tính chất hoá học [36]
HAp không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành các
muối canxi và nước:
Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl  3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O

(1.1)

HAp tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ
8000C đến 12000C tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng:
Ca10(PO4)6(OH)2  Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0



x



1)

(1.2)

Ở nhiệt độ lớn hơn 12000C, HAp bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β –
TCP) và Ca4P2O9 hoặc CaO:
11


Ca10(PO4)6(OH)2  2β – Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O

(1.3)

Ca10(PO4)6(OH)2  3β – Ca3(PO4)2 + CaO + H2O

(1.4)

1.2.1.3. Tính chất sinh học [40, 41]
HAp tự nhiên và nhân tạo có cùng bản chất và thành phần hóa học, đều
là những vật liệu có tính tương thích sinh học cao. Ở dạng bột mịn, kích thước
nano HAp là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P
trong phân tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng. Ở dạng màng và dạng xốp,
HAp có thành phần hoá học và các đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp
liên thông với nhau làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập. Chính
vì vậy mà vật liệu này có tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô,
có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh
xương nhanh mà không bị cơ thể đào thải. Ngoài ra, HAp là hợp chất không
gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao.
Hợp chất HAp tương đối bền với dịch men tiêu hoá, ít chịu ảnh hưởng
của dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HAp được
cơ thể người hấp thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản. Vì những đặc
tính này, bột HAp kích thước nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với
hiệu quả cao.
Trong các pha canxi photphat thì pha HAp có khả năng phân huỷ chậm
nhất nên các tế bào xương có thời gian để hoàn thiện và phát triển. Điều này
dẫn đến khả năng ứng dụng trong y học của HAp là nhiều nhất. Để chế tạo vật
liệu HAp có tính tương thích sinh học cao, cần nghiên cứu và chọn lựa các
thông số công nghệ phù hợp với mỗi mục đích ứng dụng trong y sinh học và
dược học.
Khi phân tích thành phần xương người, người ta thấy xương gồm có

phần vô cơ và hữu cơ. Phần hữu cơ chiếm khoảng 30% trọng lượng cơ thể,
được tạo bởi các collagen, các cement và các thành phần tế bào xốp. Collagen
là một mạng lưới các màng liên kết nội và một ma trận các tế bào mở rộng
12


của xương nhằm thu hút các khoáng chất phát triển trên bề mặt làm cho
xương cứng cáp hơn, trong khi đó cement chứa một vài liên kết nội với
protein. Ngược lại, các tế bào xốp bao gồm các tế bào vô định hình như
osteoblast và osteocyt, là những chất liên quan đến việc gãy và lành xương.
Phần vô cơ của xương gồm có pha tinh thể và pha vô định hình, được tạo
thành từ tri-canxi photphat. Pha vô định hình có nhiều hơn ở thanh niên và bị
chuyển hoá một phần thành pha tinh thể theo thời gian [26]. Khoảng 40%
trọng lượng xương của thanh niên được tìm thấy là HAp. Pha khoáng trong
xương được đặt trong màng collagen có dạng hình kim hoặc hình vảy có
chiều dài từ 10-60 nm, rộng khoảng 2-6 nm. Ngoài ra, xương chứa khoảng
20% trọng lượng là nước, có mặt hầu hết trong các mảng hữu cơ và có dưới
dạng vết trong tinh thể HAp.
Răng chứa phần ngoài là chân răng, nướu răng (được bao bọc bởi lợi) và
đầu răng vừa khít với các hốc của hàm răng. Các mô chính của răng là men
răng, hàm răng và chất nám. Chân răng thường bị bao phủ bởi men răng,
thường nằm ở mép răng và tồn tại dưới dạng mảng bám trên răng. Chất nám
giúp cố định răng trong hốc. Giống như xương, răng được tạo bởi cả phần vô
cơ và phần hữu cơ. HAp với các ion như Mg 2+ và CO32- là các thành phần vô
cơ chính. Phần trăm trọng lượng của nó trong men răng, hàm răng và chất
nám tương ứng là 95, 75 và 35%.
Không giống như các mô canxi hoá khác có hệ số cân bằng với chất lưu
trong cơ thể, men răng cân bằng với nước bọt và do vậy sẽ tạo ra các chất
phòng các bệnh về răng miệng, tránh bị sâu răng do vi khuẩn tấn công.
Răng thường cứng hơn xương là nhờ kích thước của tinh thể HAp tương

đối to hơn so với trong xương. Chiều dài, rộng và độ dày trung bình của nó
tương ứng là 60, 100 và 35 nm. Chủ yếu trong các mô này là các đám tinh thể
HAp dày đặc có dạng hình que hoặc hình lăng trụ. Tuy nhiên, xương-bể chứa

13


khoáng của cơ thể, hoạt động hoá học và sinh học hơn so với men răng, men
chỉ nhằm bảo vệ các lớp bên trong của răng.
Thành phần các chất có trong xương được thể hiện trong bảng 1.1
Bảng1.1. Phần trăm (%) về khối lượng của các chất trong xương [38]
Ca2+

34,8

CO32-

7,4

P

15,2

F-

0,03

Ca/P(về số mol)

1,71

Cl-

0,13

Na+

0,9

Và các chất dưới dạng vết như: Cu2+, Sr2+...

Mg2+

0,72

Tổng chất vô cơ

65

K+

0,03

Tổng các chất hữu cơ

25

1.2.2. Các phương pháp tổng hợp HAp
HAp tổng hợp có thành phần giống với HAp tự nhiên, có tính tương
thích sinh học và độ hòa hợp sinh học cao. HAp được ứng dụng ở nhiều dạng

khác nhau trong nhiều lĩnh vực khác nhau. HAp có thể điều chế từ nhiều
nguồn nguyên liệu khác nhau: từ Ca(OH)2 và H3PO4 hay các nguyên liệu khác
có ion Ca2+ (ví dụ như CaHPO4, CaCO3, Ca(NO3)2...) và PO43-, HPO42-,
H2PO4- (ví dụ như Ca3(PO4)3, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4, KH2PO4...) trong môi
trường kiềm. Vì vậy, HAp được tổng hợp ở nhiều dạng: dạng bột, dạng gốm,
dạng compozit và dạng màng.
1.2.2.1. Dạng bột
HAp dạng bột [38] được tổng hợp từ dung dịch chứa nguyên liệu ban
đầu khác nhau bao gồm: phương pháp kết tủa hóa học, phương pháp sol-gel,
phương pháp kết tinh từ dung dịch bão hóa, phương pháp hóa cơ.
Việc tổng hợp HAp bằng phương pháp kết tủa có thể đi từ dung dịch
chứa các muối của các ion Ca2+ và PO43-. Đây là phương pháp cơ bản để tổng
hợp HAp dạng bột. Các nguyên liệu ban đầu có thể là các muối dễ tan trong
nước như Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4… theo phản ứng:

14


10Ca(NO3)2 +6(NH4)2HPO4+8NH4OH  Ca10(PO4)6(OH)2 +20NH4NO3 +
6H2O

(1.5)

Hoặc phản ứng kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan
trong nước như Ca(OH)2, CaO, CaCO3 với axit H3PO4 theo phản ứng:
10Ca(OH)2 + 6H3PO4

NH4OH

Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O

(1.6)

Bột HAp được tổng hợp trong thời gian 24 giờ bằng phương pháp hóa
học ướt với nguyên liệu đầu Ca(OH)2 và NH4H2PO4 trong hỗn hợp dung môi
rượu nước. Kết quả nghiên cứu XRD cho thấy mẫu HAp tổng hợp ở nhiệt độ
thấp và có mặt etanol có độ tinh thể thấp hơn HAp tổng hợp ở nhiệt độ cao và
không có etanol. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tổng hợp tăng làm giảm diện tích bề
mặt riêng của HAp. Ngoài ra, bột HAp còn được tổng hợp từ vỏ trứng, xương
bò, mai cua và được pha tạp một số nguyên tố vi lượng có trong cơ thể như
Mg, Zn, Ag… để tăng hoạt tính kháng khuẩn. HAp cũng được nghiên cứu
tổng hợp để loại bỏ một số chất độc hại có trong nước: nitro benzen, F -, NO3[42-45].
1.2.2.2. HAp dạng xốp và gốm xốp
HAp dạng xốp và gốm xốp thường được nén ép từ HAp bột với một số
chất kết dính và chất tạo xốp, sau đó thiêu kết ở nhiệt độ cao. Peron E. và các
đồng nghiệp đã chế tạo gốm xốp HAp từ bột HAp được tổng hợp bằng
phương pháp kết tủa hóa học từ Ca(OH)2 và H3PO4, sấy khô ở 100oC và
nghiền trong cối gốm đến khi kích thước đạt khoảng 150 - 250 nm. Sau đó,
bột HAp được trộn với naphtalene (lượng vừa đủ) và thêm 4 giọt dung dịch
polyvinyl ancol 1%, hỗn hợp này được ép trong khuôn hình trụ bằng thép
không gỉ với áp lực 110 và 220 MPa, được làm nóng trong lò nung, nhiệt độ
1000, 1100 và 1200oC trong 3 giờ. Kết quả thu được mẫu dạng khối 47% độ
xốp, kích thước lỗ xốp khoảng 50-120 nm, ứng suất kéo mẫu 4 - 21 MPa và
độ tinh thể của HAp tăng lên [31].

15


Ngoài phương pháp nén ép thiêu kết, HAp dạng gốm xốp còn được chế
tạo bằng phương pháp phản ứng pha rắn, phương pháp phản ứng thủy nhiệt.

Tuy nhiên các phương pháp này có nhược điểm thực hiện phản ứng ở nhiệt độ
và áp suất cao trong thời gian dài.
1.2.2.3. HAp dạng compozit
HAp compozit cũng tạo ra vật liệu dạng khối xốp với nguyên liệu ban
đầu HAp dạng bột, chất nền là các phân tử polyme. Sự kết hợp của hạt HAp
với polyme đã gắn kết hiệu quả những đặc tính của hai loại vật liệu này. Các
polyme có thể sử dụng như poly axit lactic, polystyren, collagen, chitosan,
xenlulo… trong đó các polyme sinh học được quan tâm trong lĩnh vực y sinh
vì chúng có tính tương thích và phân hủy sinh học cao [46-49].
Để chế tạo được vật liệu compozit chứa HAp, cation Ca2+ được phân tán
đều trong mạng lưới polyme sau đó các anion PO43- và OH- được đưa vào
dưới dạng dung dịch để phản ứng tạo thành các nano tinh thể. Hoặc có thể tạo
các tinh thể nano HAp trước, sau đó phân tán chúng vào mạng lưới polyme.
Đồng thời mạng lưới polyme có tác dụng ngăn không cho các tinh thể HAp
kết khối lại với nhau. Các polyme sinh học được ưu tiên sử dụng làm chất nền
thuận lợi cho việc gia công, chế tạo các chi tiết, đồng thời các polyme này còn
có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức.
Ting Tian và cộng sự người Trung Quốc đã chế tạo vật liệu
nanocompozit của poly axit lactic (PLA) và HAp bằng phương pháp
ngâm/nhúng. HAp đã thiêu kết được cho vào dung dịch của PLA đã chuẩn bị
trước, sau đó dùng kỹ thuật ly tâm để loại bỏ dung dịch PLA không tham gia
vào vật liệu compozit [50]. Ảnh SEM của vi cấu trúc khung compozit
PLA/HAp cho thấy có một lớp mỏng polyme phát triển trên các khung HAp
với cấu trúc lỗ xốp của HAp đã thiêu kết không thay đổi (hình 1.8).

16


Hình 1.8. Ảnh SEM vi cấu trúc khung compozit PLLA/nano HAp với các độ
phóng đại khác nhau [50]

1.2.2.4. HAp dạng màng
Với những vật liệu truyền thống, ngành phẫu thuật chấn thương chỉnh
hình vẫn sử dụng các kim loại có tính tương thích sinh học như titan, thép
không gỉ hay các hợp kim làm vật liệu cấy ghép để thay thế hay nối ghép các
bộ phận xương bị hư hỏng. Mặc dù các vật liệu này có độ bền cơ lý cao
nhưng khả năng tương thích sinh học còn hạn chế, bị ăn mòn theo thời gian
nên các mô tế bào không có khả năng phát triển trên các kim loại đó. Các
bệnh nhân sẽ thấy đau đớn và khó chịu khi có những vật lạ nằm trong cơ thể.
Để tăng độ cứng, độ bền cơ - hóa và hoạt tính sinh học của chi tiết cấy ghép,
người ta chế tạo màng gốm HAp có độ dày mong muốn và có khả năng bám
dính tốt trên bề mặt kim loại. Màng HAp đã cải thiện được hoạt tính sinh học
cho các vật liệu y sinh bằng kim loại và hợp kim này, giúp quá trình liền
xương nhanh hơn và thúc đẩy xương non phát triển. Màng HAp thường được
phủ trên nền kim loại và hợp kim bằng phương pháp vật lý và phương pháp
điện hóa.
a. Phương pháp vật lý
Phương pháp vật lý là phương pháp tạo ra màng HAp từ ion hoặc chuyển
pha. Các phương pháp này có ưu điểm là có thể dễ dàng chế tạo được màng

17


HAp có chiều dày cỡ µm. Nhược điểm là màng có độ bám dính không cao
với vật liệu nền, khó điều chỉnh được chiều dày của màng HAp, thực hiện ở
nhiệt độ cao nên sản phẩm thường bị lẫn các tạp chất của vật liệu nền, HAp
dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao dẫn đến tỷ lệ Ca/P bị thay đổi. Một số phương
pháp vật lý được sử dụng: phương pháp plasma [7], bốc bay chân không [51]
và phún xạ magnetron [22].
A. Dey và đồng nghiệp tại viện nghiên cứu gốm sinh học Kolkata- Ấn
Độ tổng hợp màng HAp bằng phương pháp phun plasma trên nền TKG316L

với nguyên liệu đầu vào bột HAp kích thước 67 µm được tổng hợp bằng
phương pháp kết tủa hóa học trong buồng phun công suất 1,5 kW, môi trường
khí Ar. Sau đó, màng HAp/TKG316L được xử lý nhiệt 600oC trong không
khí để tăng mức độ kết tinh và khả năng bám dính của màng HAp với nền.
Kết quả X-ray của HAp trước và sau khi phun cho thấy HAp tinh thể đơn pha,
không thay đổi thành phần pha sau phun với độ tinh thể của HAp màng
91,5%, HAp bột 90% (hình 1.9). Kích thước được xác định thông qua hình
ảnh SEM của màng HAp/TKG316L (hình 1.10a) và % thể tích lỗ xốp của
màng HAp được xác định bằng hình ảnh SEM phát xạ trường của bề mặt
màng HAp/TKG316L sau khi được đánh bóng bề mặt (hình 1.10b). Kết quả
cho thấy màng HAp/TKG316L có kích thước hạt khoảng 50-70 µm. Các lỗ
rỗng tồn tại hai loại kích thước vĩ mô khoảng 10-30 µm và vi mô khoảng 1
µm. Phần trăm thể tích lỗ xốp trung bình khoảng 18% và độ bám dính của
màng HAp với nền 13 MPa. Màng HAp/TKG316L chiều dày khoảng 200 µm
được xác định độ cứng và mô đun đàn hồi bằng phương pháp vết lõm với tải
trọng từ 10 - 100 mN. Kết quả màng HAp/TKG316L có độ cứng từ 1,5 -5
GPa, mô đun đàn hồi 60-100 GPa [7].

18


Hình 1.9: Giản đồ XRD của bột HAp tổng hợp (a) và HAp/TKG316L (b) [7]

Hình 1.10: Hình ảnh bề mặt màng HAp/TKG316L:
(a) sau khi phun và (b) sau khi đánh bóng bề mặt [7]
b. Phương pháp điện hóa
Các phương pháp vật lý (plasma, phún xạ, bốc bay) đều tạo ra màng
HAp có chiều dày cỡ µm. Độ bám dính của màng HAp vào vật liệu nền
không cao, dao động trong khoảng từ 15-30 MPa. Trong khi đó yêu cầu độ
bám dính của vật liệu y sinh phải đạt khoảng 50 MPa mới đảm bảo tuổi thọ và

tránh sự thoái hóa sớm của vật liệu nền kim loại và hợp kim. Để khắc phục
hạn chế này, người ta đã chế tạo và phủ được lớp màng HAp có chiều dày cỡ
nm (màng n- HAp) trên các vật liệu nền khác nhau bằng phương pháp điện
hóa như:

19


* Phương pháp điện di:
Nguyên tắc của phương pháp điện di [52] dựa trên hiện tượng chuyển
dịch tương đối của pha phân tán trong môi trường phân tán, dưới tác dụng của
điện trường ngoài. Pha phân tán là hạt HAp kích thước nano, môi trường phân
tán là dung môi hữu cơ hoặc môi trường mô phỏng dịch thể của con người
(SBF). Dưới tác dụng của điện trường phù hợp, các hạt huyền phù HAp tích
điện âm và di chuyển về phía anôt để hình thành màng mỏng n – HAp (màng
HAp có độ dày cỡ vài nanomet) trên bề mặt anôt với độ bám dính cao.
Phương pháp điện di đã tạo được màng n-HAp có độ bám dính lớn hơn 60
MPa.
Ưu điểm của phương pháp này là dễ dàng điều khiển quá trình, có thể
tạo được các màng có độ dày như mong muốn và đặc biệt là màng có khả
năng bám dính tốt trên bề mặt kim loại.
U. Kamachi Mudali và đồng nghiệp tại Ấn Độ đã tổng hợp màng HAp
trên nền TKG316L bằng phương pháp điện di với nguyên liệu đầu là bột HAp
được tổng hợp bằng phương pháp hóa học ướt từ H3PO4 0,3 M và Ca(OH)2
0,1 M. Quá trình điện di thực hiện ở nhiệt độ phòng trong cốc thủy tinh 100
ml có nắp đậy cao su chứa huyền phù 2,5% HAp và rượu isopropyl, tốc độ
khuấy 100 vòng/phút, điện thế thay đổi từ 30 đến 90 V, thời gian 3 phút.
Màng HAp/TKG316L được thiêu kết 1 giờ ở 800oC trong chân không (10-5
Torr). Sau đó, các mẫu được ngâm trong dung dịch SBF của Hank, kết quả đo
điện thế mạch hở, phân cực vòng và tổng trở điện hóa cho thấy khả năng

chống ăn mòn của vật liệu HAp/TKG316L tổng hợp tại điện thế 60 V cao hơn
so với vật liệu HAp/TKG316L tổng hợp ở các điện thế khác và nền
TKG316L. Kết quả phân tích thành phần pha của HAp tổng hợp ở 60 V trong
3 phút cho những pic nhọn với cường độ mạnh đã chỉ ra HAp có độ tinh thể
cao. Các thông số từ XRD cho thấy không có sự chuyển đổi cấu trúc hoặc

20


thành phần hợp thức của HAp, đồng thời khẳng định bản chất ổn định của
màng HAp hình thành sau khi thiêu kết với tỷ lệ Ca/P =1,67 (hình 1.11).

Hình 1.11: Giản đồ XRD của HAp/TKG316L tổng hợp ở 60 V, 3 phút [53]
* Phương pháp anôt hóa:
Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vật liệu bằng kim loại
trơ để làm anôt như platin, titan… trong dung dịch chất điện giải chứa các ion
Ca2+ và PO43-. Dưới tác dụng của điện áp một chiều từ 250 - 350 V, trên anôt
sẽ xảy ra hiện tượng phóng tia lửa điện tại các điểm dẫn điện tốt. Tại nơi này
nhiệt độ có thể lên tới 103 - 104 độ Kenvin làm cho kim loại bị oxy hóa và
nóng chảy tạo thành một lớp oxit với chiều dày khoảng 1 - 2 µm có độ xốp
cao. Lớp oxit này có điện trở cao khi nguội và đóng rắn, làm cho hiện tượng
tia lửa điện chuyển sang điểm có điện trở nhỏ hơn. Thời gian anôt hóa diễn ra
trong khoảng 30 phút tạo ra một khối oxit có độ xốp cao. Tại các mao quản
của khối xốp này sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ các ion Ca2+ và PO43-, quá trình
hình thành các tinh thể HAp phụ thuộc vào số lượng các mầm tinh thể trong
khi phóng tia lửa điện và sự khuếch tán của các ion Ca2+ và PO43- đến bề mặt
lớp oxit.

21

A. Kar và đồng nghiệp trường Đại học Nevada, Hoa Kỳ tổng hợp
HAp/Ti trong dung dịch chứa H2PO4- 1,67 mM + Ca2+ 2,5 mM + NaCl 0,15
M, pH =7,2 được điều chỉnh bằng Tris và HCl [54]. Nền Ti trước khi tổng
hợp HAp được anôt hóa và xử lý bề mặt trong dung dịch kiềm để tạo lớp nano
oxit TiO2 dạng ống trên bề mặt Ti với mục đích cải thiện độ bám dính của
HAp với nền. Kết quả SEM cho thấy quá trình xử lý bề mặt Ti anôt hóa trong
dung dịch NaOH 0,5 M tại nhiệt độ 50oC tạo lớp nano TiO2 có cấu trúc ống
đồng đều hơn khi xử lý ở 60oC (hình 1.12).

(b)

(a)

Hình 1.12: Hình ảnh SEM của Ti anôt hóa được xử lý trong dung dịch
NaOH 0,5M trong 2 phút tại 50oC (a) và 60oC (b) [54]
Màng HAp tổng hợp trên Ti sau khi đã xử lý anôt hóa và kiềm bằng
phương pháp dòng áp đặt qua hai bước. Bước 1 tạo xung dòng tới -10
mA/cm2 trong 0,2 giây từ mật độ dòng ban đầu 10 µA/cm2 trong 10 giây.
Bước 2, sau 100 vòng tạo xung, HAp được tổng hợp ở mật độ dòng không đổi
trong thời gian 60 phút. Kết quả HAp thu được có tinh thể dạng hình que với
chiều dài 2-3 µm, đường kính 70-100 nm và mọc định hướng (hình 1.13).
Đồng thời kết quả XRD cho thấy HAp tinh thể đơn pha (hình 1.14). Độ bám
dính của màng HAp với nền Ti phụ thuộc vào quá trình xử lý bề mặt Ti anôt
hóa trong kiềm. Với màng HAp/Ti không xử lý kiềm, độ bám dính của màng
19 MPa. Màng HAp/Ti xử lý kiềm có độ bám dính 25 MPa và độ bám dính

22

của màng HAp với nền Ti tăng 40 MPa khi tiếp tục nung ở 600 oC trong môi
trường khí trơ.

(a)

(b)

Hình 1.13: Hình ảnh SEM của HAp/Ti: (a) mặt bên HAp hình thành trên lỗ
xốp TiO2 và (b) bề mặt trên của HAp [54]

Hình 1.14: Giản đồ XRD của HAp/Ti [54]
* Phương pháp kết tủa catôt:
Nguyên lý của phương pháp này là dùng tác nhân dòng điện để kết tủa
HAp lên vật liệu nền kim loại và hợp kim trong dung dịch chứa muối của
canxi và amoniphotphat. Điều kiện để kết tủa màng HAp là phải lựa chọn
được thành phần dung dịch và điện thế hoặc dòng thích hợp. Phương pháp
này cho phép điều khiển được chiều dày màng và tổng hợp được màng có độ
tinh khiết cao. Màng HAp tổng hợp trên một số nền kim loại và hợp kim như:
TKG316L, TKG304, titan và hợp kim của crôm trong dung dịch chứa muối
Ca2+, H2PO4- (tỉ lệ Ca/P là 1,67) và NaNO3 0,1 M, pH được điều chỉnh bằng
23


NH4OH tại những giá trị điện thế và dòng catôt khác nhau. Hình thái học,
thành phần pha và thành phần hóa học của màng HAp tổng hợp bằng phương
pháp kết tủa catôt phụ thuộc nhiều vào điều kiện tổng hợp và tính chất của vật
liệu nền [1, 3, 35, 55-58].
Dong-Yang Lin và đồng nghiệp tổng hợp màng HAp trên nền
CoNiCrMo trong dung dịch Ca(NO3)2 0,6 mM + NH4H2PO4 0,36 mM (tỉ lệ
Ca/P là 1,67) + NaNO3 0,1 M, pH = 6 [1]. Kết quả SEM của HAp sau 1 giờ

tổng hợp, tại điện thế áp đặt từ -1,4 đến -2,2 V, nhiệt độ 80oC cho thấy HAp
có hình dạng khác nhau. Tại -1,4 V, HAp có dạng phiến nhỏ xếp chồng lên
nhau. Hình thái học của HAp thay đổi đáng kể, có dạng que khi điện thế tổng
hợp tăng lên -1,6 V và không bao phủ hoàn toàn trên bề mặt nền. Các tinh thể
HAp đồng đều và dày đặc khi điện thế -1,8 V. Tuy nhiên, bề mặt HAp xuất
hiện các lỗ rỗng khi điện thế cao hơn và có hiện tượng nứt bề mặt màng tại
điện thế -2,2 V. Sự nứt màng do khí H2 thoát ra nhiều khi điện thế tổng hợp
cao (hình1.15). Đồng thời kết quả XRD cho thấy tại điện thế -1,4 V màng thu
được chủ yếu pha của octacanxi photphat (OCP), tại các điện thế khác thu
được pha của HAp (hình 1.16). Các kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian
tổng hợp cũng ảnh hưởng đến bề mặt, hình thái học và pha của HAp thu
được.

24


Hình 1.15: Hình ảnh SEM của
HAp/CoNiCrMo tổng hợp tại các
điện thế khác nhau: -1,4 (a), -1,6 (b),
-1,8 (c), -2,0 (d) và -2,2 V (e) [1]

Hình 1.16: Giản đồ XRD của màng HAp tổng hợp tại điện thế khác nhau [1]
1.2.3. Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF)
Các vật liệu bằng kim loại và hợp kim như TKG, Ti, hợp kim của Ti...
được ứng dụng nhiều trong y sinh, đặc biệt trong nha khoa và chỉnh hình [2,
3, 59, 60]. Các vật liệu này thường được làm nẹp vít xương, các loại ốc vít
xương, chân răng giả... để sửa chữa, thay thế cho những bộ phận hư hỏng của
25