Tổng hợp và nghiên cứu tính tương thích sinh học khả năng tạo mô xương của vật liệu composit poly (d, l) lactic axithydroxyapatit

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trần Thanh Hoài

TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH TƢƠNG THÍCH SINH HỌC KHẢ
NĂNG TẠO MÔ XƢƠNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSIT
POLY (D, L) LACTIC AXIT/HYDROXYAPATIT
Chuyên ngành:
Mã số

:

Hóa lí thuyết và Hóa lí
62440119

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Nguyễn Kim Ngà
2. PGS.TS. Hồ Phú Hà

Hà Nội - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và được sự hướng dẫn khoa học
của PGS.TS. Nguyễn Kim Ngà và PGS.TS. Hồ Phú Hà. Hầu hết các số liệu, kết quả trong luận
án là nội dung từ các bài báo đã và sắp được xuất bản của tôi và các thành viên của tập thể
khoa học. Các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Trần Thanh Hoài


LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Kim Ngà và PGS.TS.
Hồ Phú Hà đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn
thành bản luận án.
Tôi xin cám ơn sự giúp đỡ và khích lệ của các cán bộ đồng nghiệp trong và ngoài bộ môn
Hóa lý, Hóa Vô cơ-đại cương, Viện Kỹ thuật Hóa học, ĐH Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của Viện Kỹ thuật Hóa học, ĐH
Bách Khoa Hà Nội đối với tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn chân thành đến gia đình và bạn bè đã động viên, khuyến khích
tôi trong quá trình làm luận án
Tác giả

Trần Thanh Hoài


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU..................................................................................................................................... 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................................... 2
1.1. Xƣơng và các phƣơng pháp cấy ghép xƣơng ........................................................... 4
1.2.

Các vật liệu chế tạo khuôn định dạng ....................................................................... 9

1.2.1. Polyme phân hủy sinh học ....................................................................................... 10
1.2.2. Vật liệu vô cơ có hoạt tính sinh học ........................................................................ 14
1.2.3. Composit.................................................................................................................. 16
1.3.

Phƣơng pháp tổng hợp bột HAp ............................................................................. 20

1.4.

Phƣơng pháp chế tạo khuôn định dạng composit .................................................. 28

1.5.

Phƣơng pháp nghiên cứu hoạt tính sinh học của vật liệu ..................................... 33

1.5.1. Phương pháp nghiên cứu khả năng tạo apatit của vật liệu trong dung dịch SBF ... 33
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu sự phát triển, bám dính và di trú của tế bào trên vật liệu
…………………………………………………………………………………….34
CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM .............................................................................................. 38
2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm .................................................................................. 38
2.1.1. Hóa chất ................................................................................................................... 38
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm ................................................................................ 39
2.2. Tổng hợp bột HAp ........................................................................................................ 39
2.2.1. Tồng hợp bột HAp sử dụng chất hoạt động bề mặt P123 ....................................... 39
2.2.2. Tồng hợp bột HAp sử dụng chất hoạt động bề mặt CTAB ..................................... 40
2.3. Tổng hợp composit HAp/PDLLA ............................................................................... 41
2.3.1. Tổng hợp composit HAp/PDLLA với dung môi là 1,4-dioxan............................... 41

2.3.2. Tổng hợp composit HAp/PDLLA với dung môi là chloroform .............................. 42
2.4. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng ........................................................................ 43
2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ........................................................................ 43
2.4.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) .................................................................... 43
2.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................................ 43


2.4.4. Phương pháp EDS ................................................................................................... 44
2.4.5. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ nitơ ..................................................................... 44
2.4.6. Phương pháp đo độ xốp của khuôn định dạng ........................................................ 45
2.5. Các phƣơng pháp xác định hoạt tính của vật liệu ..................................................... 45
2.5.1. Xác định hoạt tính sinh học của bột nano HAp ....................................................... 45
2.5.3. Phương pháp nghiên cứu khả năng tạo apatit của khuôn định dạng ....................... 47
2.5.4. Phương pháp kiểm tra khả năng phát triển, bám dính của tế bào trên khuôn định
dạng….. ............................................................................................................................. 47
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................................... 50
3.1. Các kết quả nghiên cứu đặc trƣng, thành phần bột HAp tổng hợp ........................ 50
3.1.1. Các kết quả đặc trưng bột HAp tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng
chất hoạt động bề mặt P123............................................................................................... 50
3.1.2. Các kết quả đặc trưng bột HAp tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng
chất hoạt động bề mặt CTAB ............................................................................................ 65
3.2. Các kết quả nghiên cứu các đặc trƣng, hoạt tính và tính tƣơng thích sinh học của
khuôn định dạng composit HAp/PDLLA .......................................................................... 75
3.2.1. Các kết quả nghiên cứu đối với khuôn định dạng composit HAp/PDLLA tổng hợp
với dung môi 1, 4-dioxan .................................................................................................. 75
3.2.2. Các kết quả nghiên cứu đối với khuôn định dạng composit HAp/PDLLA tổng hợp
với dung môi chloroform ................................................................................................... 92
KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 100
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN……………………...101
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………………...102

PHỤ LỤC…………………………………………………………………………………….113


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. Các chữ viết tắt
BMP

Protein kích thích gen tạo xương- Bone morphogenetic protein

CTAB

Cetyltrimethyllammonium bromide

DAPI

4’, 6-diamidino-2-phenylindol

DCPA

Dicalcium phosphate

EDS

Phổ tán sắc năng lượng tia X - Energy-dispersive X-ray spectroscopy

FT-IR

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier - Fourier Transform Infrared Spectroscopy

HAp:

Hydroxyapatit

HT-PPFhm Poly(propylen fumarate) cao phân tử với nhóm hydroxy ở cuối chuỗi
PDLLA Poly (D, L) lactic axit
PLA

Polylactic axit

PLGA

Poly(lactic-co-glycolic) axit

PGA

Poly(glycolic axít)

PCL

Poly(caprolactone)

TTCP

Tetracalcium phosphate

SEM

Hiển vi điện tử quét - Scanning Electron Microscopy

SBF

Dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người – Simulated Body Fluid

XRD

Nhiễu xạ tia X - X-Ray Diffraction

β-TCP

β-tricalcium phosphate

2. Các ký hiệu
P123: Pluronic co-polyme PEO20-PPO70-PEO20


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1.Các loại vật liệu dùng trongchữa trị tái tạo xương [119] ............................................. 5
Hình 1.2. Các nguyên tắc chung của kỹ thuật mô[87, 88] .......................................................... 6
Hình 1.3. Sự polyme hóa tạo polyme (D,L) lactic axit [48] ..................................................... 11
Hình 1.4. Mối quan hệ giữa độ nhớt của dung dịch PDLLA và khối lượng phân tử [56] ........ 12
Hình 1.5. Mô hình cấu trúc tinh thể HAp [70]......................................................................... 15
Hình 1.6. Các hình thái tinh thể HAp có thể tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt ............. 22
Hình 1.7. Ảnh hưởng của chế độ nhiệt đến hình thái hạt HAp [112] ....................................... 24
Hình 1.8. Sự kết tinh trong quá trình thủy nhiệt bao gồm bước hình thành mầm và bước phát
triển mầm thanh tinh thể [36] .................................................................................................... 25
Hình 1.9. Ảnh SEM của bột HAp tổng hợp với thời gian thủy nhiệt khác nhau ở 200oC: 24 giờ
(a), 48 giờ(b), 72 giờ (c)[21]...................................................................................................... 25
Hình 1.10. Ảnh hưởng của kích thước hạt tạo lỗ parafin đến kích thước lỗ xốp của khuôn định
dạng polyme PLLA: .................................................................................................................. 30
Hình 1.11. Nguyên tắc của phương pháp AlamarBlue ............................................................. 35

Hình 1.12. Nguyên tắc của kính hiển vi laze đồng tiêu ............................................................ 36
Hình 1.13. Hình ảnh tế bào gan chuột qua kính hiển vi laze đồng tiêu .................................... 37
Hình 2.1. Quy trình tổng hợp bột HAp có sử dụng chất hoạt động bề mặt P123 ..................... 40
Hình 2.2. Quy trình tổng hợp bột HAp có sử dụng chất hoạt động bề mặt CTAB .................. 41
Hình 2.3. Quy trình tổng hợp khuôn định dạng composit HAp/PDLLA ................................. 42
Hình 2.4. Quy trình thí nghiệm in-vitro thử hoạt tính của khuôn định dạng ............................ 48
Hình 3.1. Các ảnh SEM của các mẫu bột HAp tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với các
nồng độ chất hoạt động bề mặt P123 khác nhau: (a) 0 g P123, (b) 1 g P123, (c) 2 g P123, (d) 3
g P123 ........................................................................................................................................ 51
Hình 3.2. Sự phân bố kích thước hạt nano HAp trong bột HAp tổng hợp bằng phương pháp
thủy nhiệt với các nồng độ chất hoạt động bề mặt P123 là 2 g ................................................. 52
Hình 3.3. Giản đồ XRD của mẫu bột nano HAp tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt sử
dụng chất hoạt động bề mặt P123: (a) 0P123, (b) 1P123 và (c) 2P123 .................................... 53
Hình 3.4. Phổ FTIR của bột nano HAp tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với hàm lượng
chất hoạt động bề mặt P123 khác nhau: (a) 0P123, (b) 1P123, (c) 2P123 ................................ 53


Hình 3.5. Phổ EDS của bột nano HAp tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt với hàm lượng
chất hoạt động bề mặt P123là 2 g .............................................................................................. 54
Hình 3.6. Đường đẳng nhiệt hấp phụ và nhả hấp phụ nitơ của các mẫu bột nano HAp tổng hợp
bằng phương pháp thủy nhiệt với hàm lượng chất hoạt động bề mặt P123 khác nhau: (a)
0P123, (b) 1P123, (c) 2P123 ..................................................................................................... 56
Hình 3.7. Đường phân bố kích thước lỗ trên hạt nano HAp của các mẫu tổng hợp bằng
phương pháp thủy nhiệt với hàm lượng chất hoạt động bề mặt P123 khác nhau ...................... 56
Hình 3.8. Ảnh SEM của mẫu HAp tổng hợp không qua xử lý nhiệt ........................................ 57
Hình 3.9. Cơ chế có thể xảy ra trong quá trình tạo nano HAp: (a) không có mặt chất hoạt động
bề mặt P123, (b) Có mặt chất hoạt động bề mặt P123 .............................................................. 58
Hình 3.10. Hình ảnh SEM (với độ phóng 1000

và 10,000 lần) của màng composit

HAp/PDLLA được tổng hợp từ các mẫu nano HAp khác nhau: (a1), (a2) mẫu F-0P, (b1), (b2)
mẫu F-1P, (c1), (c2) mẫu F-2P .................................................................................................. 59
Hình 3.11. Ảnh SEM (với độ phóng đại 250 và 25,000 lần) của màng HAp/PDLLA sau khi
ngâm trong SBF 1 và 7 ngày ..................................................................................................... 62
Hình 3.12. Phân tích EDS của mẫu F-2P sau khi ngâm trong dung dịch SBF: (a) sau 1 ngày
ngâm, (b) sau 7 ngày ngâm........................................................................................................ 63
Hình 3.13. Ảnh SEM của các mẫu bột HAp được tổng hợp với các hàm lượng khác nhau của
chất hoạt động bề mặt CTAB .................................................................................................... 66
Hình 3.14. Ảnh SEM của các mẫu bột HAp được tổng hợp với hàm lượng CTAB 0,64 gam và
các khoảng thời gian thủy nhiệt khác nhau 6 giờ (a), 12 giờ (b), 18 giờ (c) ............................. 67
Hình 3.15. Khảo sát sự phân bố chiều dài hạt nano HAp tổng hợp với 0,64 g CTAB và thủy
nhiệt trong 12 giờ ...................................................................................................................... 68
Hình 3.16. Phổ EDS của mẫu nano HAp tổng hợp với 0,64 g CTAB và thủy nhiệt trong 12
giờ .............................................................................................................................................. 68
Hình 3.17. Phổ FTIR của các mẫu HAp tổng hợp với hàm lượng CTAB khác nhau: 4,64 g (a),
1,64 g (b), 0,64g (c) ................................................................................................................... 70
Hình 3.18. Giản đồ XRD của các mẫu HAp tổng hợp với hàm lượng CTAB khác nhau: 0,64 g
(a), 1,64 g (b), 4,64 g (a) ............................................................................................................ 70
Hình 3.19. Cơ chế có thể xảy ra trong quá trình tạo nano HAp: (a) Khi có mặt chất hoạt động
bề mặt CTAB, (b) Sự kết tụ của các hạt mixen dưới tác động của nhiệt độ ............................. 71


Hình 3.20. Ảnh SEM của màng HAp/PDLLA (được phủ bột HAp có thời gian thủy nhiệt 12
giờ) trước và sau khi ngâm trong SBF 3 và 7 ngày: a, c, f là độ phóng đại 1000 lần; b, d, g, e, h
là độ phóng đại 5000, 10000, 20000, 50000 lần........................................................................ 74
Hình 3.21. Ảnh khuôn định dạng composit HAp/PDLLA được tổng hợp bằng phương pháp
đổ dung môi rửa hạt sử dụng dung môi 1,4-dioxan: (a) mẫu S3 có tỷ lệ HAp là 20%, (b) mẫu
S4 có tỷ lệ HAp là 30% ............................................................................................................. 75
Hình 3.22. Ảnh mẫu khuôn định dạng composit HAp/PDLLA (mẫu S3) với độ phân giải cao

200 px và 100 px ....................................................................................................................... 76
Hình 3.23. Ảnh SEM của khuôn định dạng được tổng hợp với các tỷ lệ HAp khác nhau: (a1,
a2) mẫu S1, (b1, b2) mẫu S2, (c1, c2) mẫu S3, (d1, d2) mẫu S4 với độ phóng đại 200 và 2000
lần .............................................................................................................................................. 77
Hình 3.24. Sự phân bố kích thước lỗ của các mẫu khuôn định dạng composit HAp/PDLLA . 79
Hình 3.25. Phổ FTIR của các mẫu: (a) mẫu bột HAp, (b) mẫu S3, (c) mẫu S4, (d) mẫu S1 ... 80
Hình 3.26. Mô hình liên kết hydro giữa nhóm OH của HAp và nhóm CO của PDLLA ......... 81
Hình 3.27. Phổ EDS của mẫu S4 .............................................................................................. 81
Hình 3.28. Ảnh SEM của mẫu khuôn định dạng S3, S4 sau khi ngâm trong SBF 5 và 7 ngày:
a1, a3, b1 là độ phóng đại 5000 lần, a2, a4, b2 là độ phóng đại 50000 lần ............................... 83
Hình 3.29. Ảnh SEM (độ phóng đại 10000 và 15000 lần) của mẫu S1, S2 sau khi ngâm trong
SBF 5 và 7 ngày ........................................................................................................................ 84
Hình 3.30. Phổ EDS của mẫu khuôn định dạng S3 sau 5 ngày ngâm trong SBF ..................... 85
Hình 3.31. Cơ chế hình thành lớp apatit giống xương trên khuôn định dạng composit
Hap/PDLLA trong dung dịch SBF (quá trình hình thành từ a đến f)[64]. ................................ 86
Hình 3.32. Khả năng phát triển của tế bào MG63 trong môi trường chứa các mẫu khuôn định
dạng được tổng hợp với dung môi 1,4-dioxan (S1, S2, S3 và S4) sau 3, 5 và 7 ngày .............. 88
Hình 3.33. Sự bám dính và phát triển của tế bào MG63 trên khuôn định dạng (S1, S2, S3 và
S4) sau 5 và 7 ngày .................................................................................................................... 90
Hình 3.34. Ảnh SEM của các mẫu khuôn định dạng composit HAp/PDLLA được tổng hợp
với dung môi chloroform (F1, F2 và F3): a1, b1, c1 là ảnh với độ phóng đại X 200; a2, b2, c2
là ảnh với độ phóng đại X500.................................................................................................... 93
Hình 3.35. Giản đồ XRD của mẫu khuôn định dạng PDLLA và HAp/PDLLA sử dụng dung
môi chloroform .......................................................................................................................... 94


Hình 3.36. Đồ thị so sánh độ xốp và kích thước lỗ của các khuôn định dạng tổng hợp sử dụng
dung môi chloroform với tỷ lệ HAp khác nhau ......................................................................... 95
Hình 3.37. Khả năng tồn tại phát triển của tế bào MG63 trong môi trường có các khuôn định
dạng được tổng hợp với dung môi chloroform (F1, F2 và F3) sau 3, 5 và 7 ngày .................... 97

Hình 3.38. Sự bám dính và phát triển của tế bào MG63 trên khuôn định dạng (F1, F2 và F4)
sau 5 và 7 ngày .......................................................................................................................... 98


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần của xương [65] ........................................................................................ 4
Bảng 1.2. Tính chất của polyme (D,L) lactic axit [56] ............................................................. 11
Bảng 1.3. Một số composit tạo khuôn định dạng đã được nghiên cứu ..................................... 18
Bảng 1.4. Một số composit HAp/polyme đã được chế tạo ....................................................... 19
Bảng 1.5. Ưu nhược điểm của một số phương pháp tổng hợp HAp ......................................... 27
Bảng 1.6. Tổng hợp một số phương pháp sử dụng để tạo khuôn định dạng............................. 32
Bảng 2.1. Thành phần trong 1000 ml SBF có pH = 7,4 [69] .................................................... 46
Bảng 3.1. Một số đặc điểm của các mẫu bột HAp tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt sử
dụng chất hoạt động bề mặt P123.............................................................................................. 51
Bảng 3.2. Thành phần các nguyên tố trong mẫu bột HAp (2P123) .......................................... 55
Bảng 3.3. Tỷ lệ Ca/P trong các mẫu bột HAp được tổng hợp với hàm lượng P123 khác nhau55
Bảng 3.4. Đặc trưng bề mặt của các mẫu bột nano HAp tổng hợp bằng phương pháp thủy
nhiệt với hàm lượng chất hoạt động bề mặt P123 khác nhau ................................................... 56
Bảng 3.5. Tỉ lệ Ca/P của các mẫu sau khi ngâm trong SBF ..................................................... 63
Bảng 3.6. So sánh khả năng tạo khoáng của mẫu HAp tổng hợp trong luận án với các mẫu
HAp đã được công bố ................................................................................................................ 64
Bảng 3.7. Một số đặc trưng và hình thái học của các mẫu bột HAp tổng hợp với các hàm
lượng khác nhau của chất hoạt động bề mặt CTAB .................................................................. 66
Bảng 3.8. Tỷ lệ các nguyên tố trong mẫu nano HAp tổng hợp với 0,64 g CTAB và thủy nhiệt
trong 12 h ................................................................................................................................... 69
Bảng 3.9. Tỷ lệ Ca/P của các mẫu nano HAp tổng hợp với hàm lượng CTAB khác nhau ...... 69
Bảng 3.10. So sánh hình thái hạt nano HAp của hai mẫu 2P123 và CT(12) ............................ 75
Bảng 3.11. Thành phần và kích thước lỗ xốp của các mẫu khuôn định dạng ........................... 78
Bảng 3.12. Độ xốp của các mẫu khuôn định dạng tổng hợp với dung môi 1,4-dioxan ............ 82
Bảng 3.13. Thành phần các nguyên tố trong lớp apatit trên mẫu S3 sau khi ngâm trong SBF 86

Bảng 3.14. So sánh khả năng tạo apatit của mẫu khuôn định dạng tổng hợp được với các vật
liệu khác đã công bố .................................................................................................................. 88
Bảng 3.15. Thành phần và kích thước lỗ xốp của các mẫu khuôn định dạng tổng hợp với dung
môi chloroform .......................................................................................................................... 94


Bảng 3.16. Độ xốp của các khuôn định dạng tổng hợp sử dụng hai dung môi khác nhau
chloroform và 1, 4-dioxan ......................................................................................................... 95


MỞ ĐẦU
Các tổn thương về xương đang gia tăng bởi sự già hóa dân số, tai nạn giao thông và sự
xuất hiện nhiều môn thể thao mạo hiểm dễ gây ra các chấn thương. Trong các bệnh về xương
thì tỷ lệ bệnh cần ghép xương đang gia tăng đáng kể. Thay thế xương là một giải pháp tối ưu
trong điều trị sửa chữa các vùng bị phá hủy hay các mô nhiễm bệnh do hoại tử, dị tật, thoái
hóa, ung thư hay vì mục đích thẩm mỹ [52]. Các phương pháp ghép xương hiện nay đang
được sử dụng là phương pháp ghép xương tự thân, ghép xương đồng loại , ghép xương dị loại
và kỹ thuật mô xương. Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm riêng, trong đó kỹ thuật mô
xương là một phương pháp mới đang được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Trong kỹ thuật mô
xương, vật liệu có hoạt tính sinh học được chế tạo dưới dạng khuôn định dạng 3D. Khuôn định
dạng (scaffold) là khuôn tạm thời để tế bào bám dính, sinh trưởng, phát triển và hình thành
khung ngoại bào trong quá trình hình thành cấu trúc mô mới [59,107].
Khuôn định dạng có thể được chế tạo từ các vật liệu polyme phân hủy sinh học, vật
liệu vô cơ có hoạt tính sinh học hoặc composit. Vật liệu polyme phân hủy sinh học và vật liệu
vô cơ đã được nghiên cứu nhiều. Nhưng vật liệu polyme thường thiếu nhóm chức có hoạt tính
sinh học, tính chất cơ học kém, còn vật liệu vô cơ sinh học thì cứng nhưng giòn. Vì vậy, vật
liệu composit với sự liên kết của vật liệu gốm sinh học và polyme, được xem là phương pháp
hiệu quả để tăng cường hoạt tính sinh học và tính chất cơ học của khuôn định dạng. Vật liệu
vô cơ có thành phần tương tự thành phần khoáng trong xương là hydroxyapatit (HAp). HAp
có tính tương thích sinh học, hoạt tính sinh học cao. Chính vì vậy, vật liệu composit

HAp/polyme đang thu hút các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển để tạo ra khuôn định
dạng có những tính chất gần giống với xương người.
Hiện nay, trên thế giới, vật liệu composit HAp/polyme ứng dụng trong kỹ thuật mô
xương đã được nghiên cứu rất nhiều và thử nghiệm trên động vật. Ở trong nước, đến nay chưa
có công trình nào nghiên cứu về vật liệu composit ứng dụng trong kỹ thuật mô xương. Vì vậy,
chúng tôi đã lựa chọn đề tài:’’Tổng hợp và nghiên cứu tính tương thích sinh học khả năng tạo
mô xương của vật liệu composit poly (D, L) lactic axit/hydroxyapatit’’.

Mục tiêu của luận án:

1


Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composit sinh học gồm hydroxyapatit và polyme sinh
học (PDLLA) nhằm mục đích tạo ra vật liệu có khả năng tương hợp sinh học, kích thích sự
phát triển xương để có thể ứng dụng trong lĩnh vực cấy ghép và tái tạo xương.
Nội dung nghiên cứu của luận án:
Để hoàn thành mục tiêu đề ra, luận án bao gồm các nội dung nghiên cứu sau:
1. Nghiên cứu tổng hợp bột HAp kích thước nano bằng phương pháp thủy nhiệt có bổ sung
hai chất hoạt động bề mặt khác nhau là CTAB và P123. Trong đó, luận án nghiên cứu các yếu
tố ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng của tinh thể HAp như:
-

Ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt động bề mặt.

-

Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt.

Từ các mẫu bột HAp tổng hợp được ở các điều kiện khác nhau, luận án thực hiện đánh

giá hoạt tính sinh học của bột HAp bằng thí nghiệm in-vitro ngâm trong dung dịch SBF.
2. Nghiên cứu chế tạo khuôn định dạng composit HAp/PDLLA bằng phương pháp đổ
dung môi rửa hạt. Trong đó, luận án nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của
khuôn định dạng như:
-

Ảnh hưởng của tỷ lệ HAp/PDLLA.

-

Ảnh hưởng của dung môi sử dụng là chloroform và 1,4-dioxan.

Từ các mẫu khuôn định dạng chế tạo được, luận án thực hiện đánh giá hoạt tính sinh
học của các khuôn định dạng bằng thí nghiệm in-vitro ngâm trong dung dịch SBF và tính
tương thích sinh học của khuôn định dạng bằng thí nghiệm in-vitro với tế bào MG63.
Ý nghĩa khoa học và đóng góp mới của luận án:
Luận án đã tập trung nghiên cứu tổng hợp bột HAp có kích thước nano và chế tạo vật
liệu composit HAp/PDLLA cấu trúc 3D có lỗ xốp ứng dụng trong kỹ thuật mô xương. Các kết
quả đạt được đã có những đóng góp mới sau:
-

Luận án đã tổng hợp thành công bột nano HAp bằng phương pháp thủy nhiệt có sử dụng
hai chất hoạt động bề mặt khác nhau là P123 và CTAB. Bột HAp tổng hợp được (đường
kính trung bình 28 nm chiều dài trung bình 120 nm, tỷ lệ Ca/P là 1,66) có kích thước
tương tự kích thước khoáng xương tự nhiên và thể hiện hoạt tính sinh học cao khi ngâm
trong dung dịch SBF. Lớp apatit được hình thành trong thời gian ngắn sau 7 ngày ngâm
trong dung dịch SBF, hình thái lớp apatit tạo thành đặc trưng cho lớp apatit giống
xương.
2

-

Luận án đã chế tạo thành công khuôn định dạng composit HAp/PDLLA có cấu trúc 3D
xốp, bằng phương pháp đổ dung môi rửa hạt với chất tạo lỗ là NaCl và sử dụng hai dung
môi khác nhau là 1,4-dioxan và chloroform. Khuôn định dạng composit HAp/PDLLA tổng
hợp được có độ dày 2 mm, độ xốp cao > 70% với kích thước lỗ xốp dao động trong
khoảng 117-254 µm. Các mẫu khuôn định dạng đều có khả năng tương thích sinh học với
tế bào MG63.

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Xƣơng và các phƣơng pháp cấy ghép xƣơng
Xương là mô liên kết chính trong cơ thể và giữ một số các chức năng quan trọng. Chức
năng chính của xương là nâng đỡ cơ thể, bảo vệ các cơ quan sống trong hộp sọ, cột sống và
lồng ngực; là nơi cho dây chằng, cơ bám giúp cơ thể có thể vận động và di chuyển; là nơi sản
sinh ra máu và kiểm soát nồng độ canxi và photpho trong máu [147]. Thành phần chính của
xương gồm có 69 % canxi photpho (chủ yếu là hydroxyapatit), 21 % collagen, 9 % nước và 1
% các thành phần khác [65] (Bảng 1.1). Xương là một composit tự nhiên có thành phần chính
là gốm (hydroxyapatit) và polyme (collagen) với cấu trúc vi mô phức tạp đã tạo nên tính chất
cơ học cao khó có thể bắt chước [65].
Bảng 1.1. Thành phần của xương [65]

Thành phần

Tỷ lệ

Hydroxyapatit

69 %

Thành phần hữu cơ

22%

Collagen

90 – 96 % thành phần hữu cơ

Các phần khác

4 – 10 % thành phần hữu cơ

Nước

9%

Xương là mô cứng có khả năng tự tái tạo và sửa chữa trong một số trường hợp bị gãy
hay tổn thương mà không để lại sẹo. Tuy nhiên, trong trường hợp tổn thương do bệnh lý hay
các tổn thương quá lớn, xương không thể tự liền và tự sửa chữa. Chính vì vậy, phương pháp
cấy ghép xương là giải pháp tôi ưu để thay thế phần bị tổn thương và hỗ trợ quá trình tái tạo
xương. Sự lựa chọn phương pháp cấy ghép xương phụ thuộc vào các yếu tố như khả năng phát
triển của mô, kích thước mô tổn thương, kích thước, hình dạng, thể tích mảnh ghép, các đặc
điểm cơ sinh, quy trình xử lý mảnh ghép, giá thành, các đặc điểm sinh học và các biến chứng
có liên quan [16]. Phương pháp cấy ghép xương có thể được chia làm các loại chính sau:
phương pháp ghép xương đồng loại (allograft), phương pháp ghép xương tự thân (autograft),
phương pháp ghép dị loại (xenograft).
Phương pháp ghép xương tự thân (autograft): là phương pháp lấy xương từ chính cơ

thể bệnh nhân (xương ở hông, xương hàm, xương sọ v.v.) để ghép vào phần xương bị tổn
4


thương [35],[63]. Phương pháp này có ưu điểm mô ghép là của chính cơ thể bệnh nhân nên
không gây ra các phản ứng miễn dịch đào thải mô ghép và thời gian liền vết thương nhanh.
Tuy nhiên, phương pháp này khiến bệnh nhân phải chịu đau nhiều do phải phẫu thuật hai lần
và số lượng có hạn. Trong trường hợp vùng tổn thương lớn, phần xương tự thân thu gom được
không đủ cho chỗ cần ghép thì cần phải dùng phương pháp ghép xương khác [8].

Xƣơng tự thân

Hình 1.1.Các loại vật liệu dùng trongchữa trị tái tạo xương [119]

Phương pháp ghép xương đồng loại (allograft): là phương pháp lấy mô ghép từ người
hiến tặng và được xử lý an toàn tuyệt đối cho việc ghép xương [8]. Phương pháp này có ưu
điểm là bệnh nhân không phải phẫu thuật nhiều lần, mô ghép có nhiều đặc tính tương đồng với
xương tự thân. Tuy nhiên, phương pháp này gây ra các phản ứng miễn dịch đào thải mô ghép,
số lượng mô ghép hạn chế, tính chất cơ học của vật liệu giảm 50% trong quá trình xử lý mô
trước khi cấy ghép và chi phí cao [139].
Phương pháp ghép xương dị loại (xenograft): là phương pháp lấy mô ghép từ loài khác
như từ động vật, thực vật [63]. Mô ghép thường được dùng phổ biến là san hô và xương bò.
5


Phương pháp này có ưu điểm về chi phí và số lượng mô đa dạng. Tuy nhiên, cũng giống như
phương pháp sử dụng mô ghép đồng loại, phương pháp này thường gây ra các phản ứng miễn
dịch đào thải mô ghép, tính chất của vật liệu thay đổi trong quá trình xử lý mô trước khi cấy
ghép [63] .
Để khắc phục các nhược điểm trên, kỹ thuật mô xương đã được phát triển. Trong kỹ

thuật mô, khuôn định dạng được thiết kế phù hợp với vị trí cấy ghép và có thể được bổ sung
các tác nhân kích thích phát triển cùng với tế bào tạo xương của bệnh nhân. Chính vì vậy, kỹ
thuật mô xương sẽ cải thiện sự liên kết giữa mô ghép và cơ thể, kích thích tái tạo xương.
Tác nhân kích
thích phát

Tế bào

triển

Thiết bị phản

Khuôn định

Có tính chất cơ học thích hợp

dạng

Có tính tương thích sinh học

ứng sinh học

Có cấu trúc thích hợp

Nuôi cấy in-vitro

Nuôi cấy in-vivo

Kích thích hoạt tính của
khuôn

Kiểm tra sự bám dính, phát
triển và biệt hóa của tế bào
Kiểm tra sự phân hủy của
khuôn
Kiểm sự phát triển tạo mô

Hình 1.2. Các nguyên tắc chung của kỹ thuật mô[87, 88]

Khuôn định dạng (scaffold) là khuôn tạm thời để tế bào bám dính, sinh trưởng, phát
triển và hình thành khung ngoại bào phục vụ cho việc tạo thành cấu trúc mô mới [108]. Quá
trình nuôi cấy tế bào trên khuôn định dạng được thực hiện bằng thí nghiệm in-vitro để hoạt
hóa tế bào. Sau đó, khuôn định dạng sau khi nuôi cấy với tế bào được cố định vào các phần bị
tổn thương trong cơ thể như xương, sụn hay phần mô mềm [121]. Quá trình tái tạo mô tự
nhiên trong khuôn định dạng bao gồm hai quá trình xảy ra song song đó là sự xâm nhập, phát
6


triển của mạch máu vào trong cấu trúc khuôn và sự phát triển của các mô mới, đồng thời
khuôn bị phân hủy dần dần [118]. Hình 1.2 là sơ đồ mô tả các nguyên tắc chung của kỹ thuật
mô [119]. Khuôn định dạng dùng trong kỹ thuật mô nói chung cần có tính chất như sau:
Tính tương thích sinh học:
Khả năng tương thích sinh học là tính chất quan trọng nhất để phân biệt vật liệu sinh
học với các vật liệu khác [57]. Tính tương thích sinh có thể được định nghĩa là khả năng của
vật liệu tương thích với các đáp ứng trên vật chủ. Điều đó có nghĩa là vật liệu có thể tồn tại
trong cơ thể người mà không gây ra các phản ứng miễn dịch [41]. Một khuôn định dạng được
sử dụng trong tái tạo mô xương thì khả năng tương thích sinh học của nó là một tính chất quan
trọng cần có. Khi một khuôn định dạng được đặt vào cơ thể sống thì một xu hướng tự nhiên là
cơ thể sống sẽ phản ứng lại với vật thể lạ này [41]. Có rất nhiều phản ứng xuất hiện trên bề
mặt giữa khuôn định dạng với phần mô được cấy như phản ứng viêm, phản ứng sưng… Các
phản ứng này phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu như thành phần hóa học của vật liệu, cấu

trúc, hình thái, khả năng kết tinh, khả năng thấm ướt, tính đàn hồi và độ xốp của khuôn định
dạng [41]. Để tạo ra khuôn định dạng cho kỹ thuật mô thì cần phải hiểu rõ cơ chế của các phản
ứng tương tác giữa bề mặt mô và vật liệu để từ đó điều khiển các phản ứng này và tối ưu các
đặc điểm của vật liệu. Vì vậy, khả năng tương thích sinh học của vật liệu cần được đánh giá
qua các thử nghiệm sinh học.
Các hoạt tính sinh học bề mặt:
Thành phần hóa học của bề mặt khuôn định dạng liên quan đến khả năng bám dính của
tế bào. Sự bám dính ban đầu đóng vai trò quan trọng đến sự sống của tế bào [23]. Sự phát triển
và biệt hóa của tế bào chỉ xuất hiện sau khi tế bào bám lên được khuôn định dạng. Khi một
khuôn định dạng được cấy vào trong cơ thể, tế bào sẽ bám lên bề mặt khuôn định dạng thông
qua các phân tử sinh học được gọi là các thụ thể bề mặt tế bào. Các thụ thể bề mặt có thể được
hấp phụ lên bề mặt khuôn định dạng khi khuôn định dạng có các tính chất hóa học thích hợp
[23]. Các thụ thể kết nối tế bào có thể truyền tín hiệu hóa sinh giữa các phần ngoại bào và nội
bào. Tính ưa nước hay khả năng thấm ướt phụ thuộc vào thành phần hóa học trên bề mặt
khuôn định dạng và ảnh hưởng đến sự bám dính của tế bào [90]. Các tế bào sau khi gắn được
lên bề mặt sẽ giãn và di chuyển đến vị trí thích hợp hơn để đảm bảo cho sự cố định chắc chắn
và sự phát triển của tế bào sau này. Không chỉ thành phần hóa học mà cả hình thái trên bề mặt

7


khuôn định dạng cũng ảnh hưởng đến các thích ứng của tế bào với vật liệu như sự bám dính,
sự di cư và sự phát triển của tế bào [116].
Các tính chất cơ học và cấu trúc vật liệu:
Cấu trúc 3D của khuôn định dạng phải có độ xốp cao, các lỗ xốp có độ liên thông cao.
Các nghiên cứu cho thấy với kích thước lỗ tối thiểu là 100 µm là thích hợp cho tế bào di
chuyển và quá trình trao đổi chất giữa tế bào với môi trường [87]. Các đặc điểm cấu trúc của
khuôn định dạng phụ thuộc vào phương pháp chế tạo.
Độ xốp và độ liên thông giữa các lỗ xốp là những thông số quan trọng của khuôn định
dạng bởi chúng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình vận chuyển dinh dưỡng, khí và các chất thải

của quá trình trao đổi chất phục vụ cho hoạt động sống của tế bào [87]. Kuboki (1998) nhận
thấy độ xốp của khuôn định dạng là yếu tố quyết định sự hình thành xương khi thực hiện thí
nghiệm trên vật liệu hydroxyapatit đặc và có lỗ xốp [74]. Trên vật liệu hydroxyapatit với cấu
trúc xốp, xương mới được hình thành sau 2 tuần, trong khi đó trên vật liệu này với cấu trúc
đặc, không có xương mới tạo thành [74]. Độ xốp tăng sẽ tạo thuận lợi cho quá trình khuếch
tán các chất dinh dưỡng và khí do đó sẽ thúc đẩy sự phát triển của tế bào. Trong các thí
nghiệm in-vivo với các khuôn định dạng poly(L-lactic-co-D,L lactic)/β-tricanxi photphat có độ
xốp từ 80-88% cũng cho kết quả tương tự, sự phát triển của các mô xuất hiện ở vùng có độ
xốp cao hơn [167].
Hơn nữa, kích thước lỗ cũng rất quan trọng bởi nó ảnh hưởng đến sự tương tác của tế
bào. Nếu kích thước quá nhỏ, nó sẽ ngăn cản sự di chuyển của tế bào, sự phát triển khuôn
ngoại bào và sự phân bố các mạch máu [4]. Nghiên cứu trước đây cho thấy, kích thước lỗ to
hơn 300 µm có tỉ lệ tái tạo xương và sự phân bố mạch cao [146]. Kết quả thí nghiệm in-vitro
trên mẫu khuôn định dạng hydroxyapatit có độ xốp 70%, kích thước lỗ 800 µm và mẫu có độ
xốp 60%, kích thước lỗ 400 µm cho thấy mẫu có độ xốp 60%, kích thước lỗ 400 µm cho kết
quả tốt hơn. Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm in-vivo chỉ ra rằng khuôn có độ xốp 70% , kích
thước lỗ 800 µm có sự hình thành xương tốt hơn. Mặc dù, kết quả khác nhau trong hai thí
nghiệm in-vivo và in-vitro nhưng điều này cho ta thấy ảnh hưởng của độ xốp và kích thước lỗ
đến sự phát triển của tế bào và sự tái tạo mô [81]. Các nghiên cứu khác cho thấy kích thước lỗ
và độ xốp tối ưu cho sự tái tạo mô phụ thuộc vào từng giai đoạn tái tạo. Ở giai đoạn đầu là giai
đoạn tế bào bắt đầu bám dính và phát triển trên khuôn định dạng, kích thước lỗ tối ưu cho sự
phát triển của các tế bào tạo xương là 100-350 µm. Khi số lượng tế bào tăng lên, tế bào cần
8


không gian để phát triển và trao đổi chất thì kích thước lỗ xốp thích hợp là 350-1000 µm. Như
vậy, khuôn định dạng tổng hợp được cần có kích thước lỗ trong khoảng 100-350 µm.
Tính chất cơ học của khuôn định dạng đóng vai trò nâng đỡ cơ thể và duy trì không
gian cho tế bào phát triển. Tính chất cơ học của khuôn bị ảnh hưởng bởi độ xốp và kích thước
lỗ. Do đó, việc điều chỉnh kích thước lỗ và độ xốp của khuôn định dạng phải đảm bảo sự phát

triển của tế bào đồng thời duy trì được tính cơ học thích hợp là hết sức quan trọng [149]. Nếu
tính cơ học thấp nó không thể đảm nhiệm chức năng như nâng đỡ và duy trì không gian cho tế
bào phát triển. Nếu khuôn định dạng quá cứng sẽ gây các áp lực lên các mô của vật chủ như
tăng cảm giác đau, làm giảm hoạt động tế bào tạo xương [42]. Xương tự nhiên thường được
dùng để làm mẫu cho việc thiết kế và chế tạo khuôn định dạng. Tuy nhiên, các tính chất cơ
học của xương không chỉ phụ thuộc vào thành phần mà còn phụ thuộc vào cấu trúc xương.
Điều đó có nghĩa là độ bền cơ của xương không chỉ phụ thuộc vào loại xương mà còn phụ
thuộc vào độ tuổi và giới tính [40]. Xương có thể được phân thành hai loại là xương đặc và
xương xốp. Thông thường mô-đun và độ co giãn của xương xốp ở người nằm trong khoảng
0,01- 2 GPa và 0,1 – 30 MPa [160]. Vì vậy, tùy từng vị trí cấy ghép mà khuôn định dạng sẽ
được chế tạo với độ bền cơ thích hợp.
Sự phân hủy sinh học
Khuôn định dạng với khả năng phân hủy sinh học có thể được phân hủy hoặc tái hấp
thụ và được thay thế bởi mô mới sau khi cấy ghép. Để tránh phải phẫu thuật lần thứ hai thì
khuôn cấy ghép vào phải được thay thế hoàn toàn bởi mô mới. Vì vậy, thời gian phân hủy
khuôn phải được tính toán dựa trên thời gian mô mới tái tạo. Thời gian phân hủy khuôn phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần, cấu trúc vi mô, tính chất hóa lý, khối lượng phân tử
của vật liệu tạo khuôn định dạng cũng như điều kiện môi trường cấy khuôn [138].
Khuôn định dạng là mô quan trọng nhất trong kỹ thuật mô. Hiện nay, khuôn định dạng
có thể được tạo ra từ nhiều loại vật liệu khác nhau. Các vật liệu dùng để chế tạo khuôn định
dạng dùng trong kỹ thuật mô sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.

1.2. Các vật liệu chế tạo khuôn định dạng
Đến nay, các dạng vật liệu sinh học đã được nghiên cứu để chế tạo khuôn định dạng
ứng dụng trong kỹ thuật tạo mô gồm 3 dạng chính: vật liệu polyme phân hủy sinh học; vật liệu

9


vô cơ có hoạt tính sinh học; vật liệu composit được tổng hợp từ 2 dạng vật liệu trên

(polyme/vật liệu vô cơ hoạt tính sinh học).
1.2.1. Polyme phân hủy sinh học
Các polyme phân hủy sinh học đã được nghiên cứu nhiều bao gồm các polyme tổng
hợp như poly(lactic axit) (PLA), poly(glycolic axit) (PGA), poly(caprolactone) (PCL) [76];
các polyme có nguồn gốc tự nhiên như chitosan, collagen, fibrin, hyaluronic axit,..[91, 99].
Các kết quả nghiên cứu cho thấy các polyme đều thể hiện ưu nhược điểm nhất định. Các
polyme có nguồn gốc tự nhiên thì có ưu điểm là có các nhóm chức năng tương thích với tế
bào, để tế bào bám dính và phát triển, và kích thích sự hình thành xương mới sớm (ví dụ trên
vật liệu chitosan chỉ sau 4 tuần xương mới đã hình thành) [91, 99]. Tuy nhiên, các polyme tự
nhiên lại có độ bền cơ thấp, có thể có khả năng kháng miễn dịch và truyền bệnh, đa số rất
hiếm và giá thành cao [27]. Ví dụ, collagen có ưu điểm là tính kháng nguyên thấp, có khả
năng liên kết với tế bào, nhưng có nhược điểm là độ bền cơ thấp, có thể có độc tính do một vài
phần tử liên kết chéo gây ra [155]. Các polyme tổng hợp đều có độ bền cơ tốt, dễ điều khiển
hình dạng, kích thước cũng như tốc độ phân hủy, không có độc tính, miễn dịch, tuy nhiên các
polyme tổng hợp hầu hết có tính kỵ nước và thiếu các nhóm chức năng tương thích sinh học
với tế bào, do vậy làm giảm hoạt tính của khuôn định dạng [85]. Một số polyme tổng hợp đã
và đang được nghiên cứu và ứng dụng như poly(glycolic axit) (PGA), poly(lactic axit) (PLA),
Poly(lactic-co-glyco)(PLGA), Poly(ε-caprolactol) (PCL).
Poly glycolic axit (PGA) là polyme tổng hợp đầu tiên được sử dụng trong lĩnh vực y
sinh [76] . PGA đã được sử dụng để chế tạo khuôn định dạng, do nó khá háo nước. Nhưng
PGA có nhược điểm là phân hủy nhanh trong môi trường nước hoặc in-vivo, và do đó làm
giảm độ bền cơ học của khuôn định dạng trong khoảng 2 đến 4 tuần [14]. PLGA là polyme
đồng trùng hợp giữa glycolic với dạng L- hoặc DL-lactic. PLGA có thành phần khác nhau thì
tính chất khác nhau. PLGA có thành phần 50% glycolic và 50% DL-lactic thì dễ bị thủy phân
và thời gian phân hủy nhanh hơn PLGA có tỉ lệ 75/25 và 85/15 (thời gian thủy phân là 1-2
tháng, 4-5 tháng và 5-6 tháng tương ứng với từng tỉ lệ) [140]. PLGA đã được ứng dụng trong
điều trị phục hồi tổn thương xương bởi tính tương thích sinh học, không gây độc, không gây
kích ứng. Tuy nhiên, PLGA không được thay thế vào những phần chịu lực vì khả năng chịu
lực của vật liệu thấp [115]. PCL có nhược điểm là tốc độ phân hủy rất chậm (có thể đến vài
năm), tuy nhiên PCL đã được ứng dụng làm khuôn định dạng trong kỹ thuật mô xương, do nó

10


có độ bền cơ khá tốt, chẳng hạn trong quá trình ứng dụng thay thế xương, nó có thể giữ được
tính chất vật lý trong khoảng 6 tháng [75]. PLA cũng đã được ứng dụng rộng rãi trong điều trị
lâm sàng [22]. PLA được tổng hợp bằng cách trùng hợp axit lactic. Axit có hai loại đồng phân
là L-lactic axit và D-lactic axit. Do đó PLA có bốn loại: Poly(L-lactic axit) (PLLA), Poly(Dlactic axit) (PDLA), Poly(meso-lactic axit) và Poly(D-L lactic axit) (PDLLA) [22]. PLA có
tính kỵ nước hơn PGA do có thêm nhóm methyl trong cấu trúc. Do đó, PLLA phân hủy chậm
hơn và cần 24 tháng để phân hủy hoàn toàn [94]. PDLLA là một polyme vô định hình có độ
bền cơ thấp hơn PLLA nhưng thời gian phân hủy nhanh hơn. Chính vì vậy, PDLLA thích hợp
để tạo khuôn định dạng hơn [152].
Cấu trúc và tính chất của PDLLA
Poly (D, L) lactic axit (PDLLA) là polyme được tạo bởi sự trùng hợp hỗn hợp đồng
phân L- và D-lactic [73] . Poly (D, L) lactic axit có công thức phân tử là (C3H4O2)n (Hình
1.3). Khối lượng phân tử của polyme này khác nhau phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp, do
đó các ứng dụng của polyme nay cũng khác nhau [73].

L-lactic axit

D- lactic axit

Polyme (D, L) lactic axit

Hình 1.3. Sự polyme hóa tạo polyme (D,L) lactic axit [48]

PDLLA là vật liệu trong suốt, thường tồn tại dưới dạng hột nhỏ màu trắng hoặc màu vàng
[84]. Một số tính chất khác được trình bày trong Bảng 1.2.
Bảng 1.2. Tính chất của polyme (D,L) lactic axit [56]

Khối lượng riêng

1,21-1,28 g/cm3

Độ giãn nở

2,5-7 %

Nhiệt chuyển pha

40 – 69 oC

Nhiệt độ nóng chảy

165 – 180 oC

Độ hòa tan

Tan trong dung dịch chloroform, axeton, chloromethane,
tetra-hydrofuran, etyl-acetat, hexaflo-isopropanol, 1-4dioxan
11


Không tan trong nước
Độ bền cơ

35-85 MPa

Dung dịch PDLLA trong chloroform ở 30oC có độ nhớt tăng khi khối lượng phân tử tăng. Mối
quan hệ giữa độ nhớt và khối lượng phân tử được biểu diễn trên Hình 1.4. Khối lượng phân tử
được đo bằng phương pháp sắc ký lọc gel trong chloroform. PDLLA không tương thích với

Độ nhớt (dl/g)

các vật liệu có tính kiềm và tính axit mạnh [44].

Khối lượng phân tử (kDa)
Hình 1.4. Mối quan hệ giữa độ nhớt của dung dịch PDLLA và khối lượng phân tử [56]

PDLLA ổn định trong điều kiện độ ẩm thấp. Tuy nhiên, nó sẽ bị phân hủy sinh học
trong thời gian 10-15 tháng tùy thuộc vào khối lượng phân tử [19]. Khi nhiệt độ và độ ẩm
tăng, tốc độ phân hủy sinh học sẽ tăng lên. Thời gian phân hủy trong nước ở 25 oC là 6 tháng.
Quá trình phân hủy PDLLA xảy ra qua 2 giai đoạn: giai đoạn phân hủy chủ yếu gồm sự thủy
phân các liên kết este không phụ thuộc vào hoạt động của vi sinh vật để tạo ra các phân tử
polyme có khối lượng phân tử thấp [98]. Khi khối lượng phân tử dưới 10000 Da, các vi sinh
vật sẽ chuyển hóa các polyme thành cacbon dioxit và nước. PDLLA ổn định hơn poly (L)
lactic axit và poly (D) lactic axit. PDLLA cần được bảo quản ở điều kiện độ ẩm thấp và nhiệt
độ khoảng từ - 15 oC đến - 20 oC [92]. Sản phẩm của quá trình phân hủy PDLLA là axit lactic,
đây là chất có thể được dung nạp tốt và không độc. Các thí nghiệm in-vitro và in-vivo cho
thấy các poly axit lactic nói chung (bao gồm PDLLA) được dung nạp tốt và không gây ra các
đáp ứng miễn dịch đáng kể [11]. Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác lại cho thấy PDLLA gây
12


ra một số phản ứng miễn dịch nhẹ. Cơ quan quản lý thực phẩm và dược phẩm Hoa kỳ FDA
(Food and Drug Administration) cũng báo cáo trường hợp hiếm gặp có phản ứng viêm ở bệnh
nhân được tiêm với mỹ phẩm PDLLA [110].
Các poly lactic axit là vật liệu đã có nhiều ứng dụng thành công trong lĩnh vực y học và
trong chế tạo khuôn định dạng trong kỹ thuật mô. Nghiên cứu cho thấy, PDLLA rất thích hợp
để chế tạo khuôn định dạng ứng dụng trong kỹ thuật mô xương. PDLLA có nhiệt độ chuyển
pha khoảng 55 oC, và modul đàn hồi gần 3GPa. Đây là một trong ít các polyme phân hủy sinh

học có tính chất cơ học gần giống với xương (modul đàn hồi của xương khoảng 3 đến 30 GPa)
[162].
PDLLA đã được nghiên cứu trong các thí nghiệm in-vitro với tế bào. Cũng như các
poly lactic khác, vật liệu này hoàn toàn có khă năng hấp thụ sinh học và sự phân hủy được
thực hiện bởi sự thủy phân phân cắt các liên kết este trong polyme. Tiếp theo, sự phân hủy sẽ
được thực hiện khi vật liệu bị hấp thụ bởi các tế bào miễn dịch mà chủ yếu là đại thực bào.
Các phân tử và các hạt vật liệu được hấp thụ và được sử dụng trong chuyển hóa của tế bào qua
chu trình acid citric [151]. Các nghiên cứu về các phản ứng mô trong cơ thể cho thấy, PDLLA
dạng thanh được cấy vào bắp chuột đã gây ra các phản ứng mô tối thiểu và được dung nạp tốt
trong khoảng thời gian 6 tháng [55]. Các stent bằng PDLLA được nghiên cứu trên động mạch
chủ của thận thỏ với thời gian đáp ứng với mô là 24 tháng. Sự thủy phân các stent bắt đầu sau
9 – 12 tháng và vật liệu hoàn toàn bị thủy phân và hấp thụ sau 24 tháng [46]. Khi cấy các
màng PDLLA dưới da, các phản ứng mô cục bộ cũng đã xảy ra nhưng ở mức độ nhẹ trong
khoảng thời gian nghiên cứu là 52 tuần [9]. Các thí nghiệm với vật liệu từ PDLLA ở tủy
xương, bắp cơ đều cho thấy vật liệu từ PDLLA không gây ra các phản ứng miễn dịch đáng kể,
độ bền cơ ổn định trong thời gian nghiên cứu [62]. Ứng dụng của vật liệu PDLLA trong cấy
ghép khớp trên một số bệnh nhân cũng đã cho các kết quả tốt. Các bệnh nhân được cấy ghép
đã giảm đau, không có trường hợp tái phẫu thuật, không có phản ứng nhiễm trùng, độ lệch
khớp không đáng kể, đã có sự kết hợp hoàn chỉnh của xương với phần cấy ghép trong thời
gian nghiên cứu từ 24 tháng đến 59 tháng [48].
Tóm lại, có thể thấy PDLLA có những ưu điểm đáng chú ý như dễ chế tạo, sản xuất, có
tính tương thích sinh học cao ít gây ra các đáp ứng miễn dịch trong cơ thể, độ bền cơ ổn định
và có modul đàn hồi gần giống với xương. Đặc biệt, khi phân hủy, PDLLA tạo ra axit lactic là
sản phẩm không gây độc và có thể được cơ thể dung nạp. PDLLA đã được nghiên cứu và ứng
13