Tổng hợp và đặc trưng màng hydroxyapatit pha tạp một số nguyên tố vi lượng trên nền thép không rỉ 316L định hướng ứng dụng làm nẹp vít xương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ
CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

VÕ THỊ HẠNH

TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƢNG MÀNG HYDROXYAPATIT PHA
TẠP MỘT SỐ NGUYÊN TỐ VI LƢỢNG TRÊN NỀN THÉP KHÔNG
GỈ 316L ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG LÀM NẸP VÍT XƢƠNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2018
i


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Hiện nay, vật liệu được sử dụng phổ biến trong ngành chỉnh hình với mục
đích làm nẹp vít xương chủ yếu là các kim loại trơ về mặt hóa học như thép không
gỉ 316L, titan và các hợp kim của titan như TiN, TiO2 và Ti6Al4V... Các vật liệu nẹp
vít xương làm từ titan và hợp kim của titan có độ bền cơ lý cao và khả năng tương
thích tốt nhưng giá thành của các sản phẩm này rất cao. Do đó, để giảm giá thành
của các dịch vụ y tế, ở Việt Nam hiện nay hầu hết các nẹp vít xương đều được làm
bằng thép không gỉ 316L. Tuy nhiên, thép không gỉ 316L trong môi trường dịch cơ
thể người thường bị hạn chế về khả năng chịu ăn mòn và tính tương thích sinh học.
Khi tồn tại lâu trong cơ thể, thép không gỉ có thể xảy ra sự ăn mòn cục bộ và sản

phẩm của quá trình ăn mòn là các hợp chất của crôm, niken, … gây độc cho các tế
bào xương và gây dị ứng cho cơ thể [1]. Do đó, nhiều trường hợp nẹp vít xương làm
bằng thép không gỉ sau một thời gian cấy ghép trong cơ thể có hiện tượng loãng
xương và gây phù nề ở chỗ tiếp xúc giữa xương và nẹp vít. Vì vậy, để khắc phục
những nhược điểm này các nhà khoa học đã nghiên cứu phủ lên nền thép không gỉ
màng hydroxyapatit (HAp).
HAp tồn tại cả trong tự nhiên và nhân tạo. Trong tự nhiên, HAp là thành
phần chính trong xương, răng và mô cứng của người và động vật có vú (trong
xương, HAp chiếm khoảng 25-75% theo trọng lượng và 35-65% theo thể tích [2]).
HAp tổng hợp có cấu trúc và hoạt tính sinh học tương tự HAp tự nhiên nên chúng
có khả năng tương thích sinh học cao với các tế bào, các mô và không bị cơ thể đào
thải. HAp được tổng hợp dưới các dạng khác nhau như dạng bột, dạng gốm, dạng
compozit, dạng màng và ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y sinh. Màng HAp được
phủ lên nẹp vít xương và các vật liệu dùng trong cấy ghép xương nói chung có tác
dụng kích thích tế bào xương phát triển, tăng độ bám dính và sự kết nối mạnh mẽ
giữa xương vật chủ và vật liệu cấy ghép. Ngoài ra, màng HAp có khả năng bảo vệ
kim loại nền chống lại sự ăn mòn trong môi trường sinh lý, hạn chế sự giải phóng
ion kim loại từ nền vào môi trường.
Tuy nhiên, màng HAp tổng hợp có độ hòa tan tương đối cao trong môi
trường sinh lý và tính chất cơ lý kém. Nhược điểm này của HAp đã được các nhà
1


khoa học nghiên cứu và khắc phục bằng cách pha tạp vào màng HAp một số
nguyên tố vi lượng có mặt trong cơ thể như magiê, natri, sronti, flo, kẽm … Việc
pha tạp được thực hiện bằng cách thay thế ion Ca2+ bằng các cation và thay thế ion
OH- bằng anion trong cấu trúc của HAp. Các nguyên tố này khi được đưa vào màng
HAp với hàm lượng thích hợp sẽ tạo màng HAp pha tạp có thành phần tương tự
xương tự nhiên, làm tăng hoạt tính sinh học cho màng. Ngoài ra, vấn đề nhiễm
trùng sau phẫu thuật cũng quyết định tới sự thành công của việc cấy ghép. Do đó

các nguyên tố có khả năng kháng khuẩn như đồng, bạc và kẽm cũng được nghiên
cứu để đưa vào màng HAp. Sự có mặt của Ag, Zn và Cu trong cấu trúc của HAp có
khả năng làm giảm độ bám dính của vi khuẩn, ngăn ngừa sự hình thành màng sinh
học, từ đó làm ức chế sự tăng trưởng của vi khuẩn [3, 4].
Chính vì các lý do này mà nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài luận án: “Tổng
hợp và đặc trưng màng hydroxyapatit pha tạp một số nguyên tố vi lượng trên nền
thép không gỉ 316L định hướng ứng dụng làm nẹp vít xương”.
2. Mục tiêu của luận án:
-

Chế tạo thành công màng NaHAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên
tố vi lượng: magiê, stronti, flo, đồng, bạc và kẽm trên nền thép không gỉ 316L
đáp ứng yêu cầu làm nẹp vít xương.

-

Nghiên cứu các đặc trưng hóa lý, nghiên cứu đánh giá độc tính, khả năng
kháng khuẩn và khả năng tương thích sinh học của màng NaHAp pha tạp
riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố trên.

3. Nội dung nghiên cứu của luận án:
Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu đề ra, nội dung nghiên cứu của luận án bao
gồm 7 nội dung chính sau:
-

Khảo sát lựa chọn các điều kiện thích hợp tổng hợp màng NaHAp và NaHAp
pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố vi lượng: magiê, stronti và flo
bằng phương pháp quét thế catôt, nghiên cứu đặc trưng hóa lý màng HAp
pha tạp thu được.

-

Khảo sát lựa chọn các điều kiện thích hợp để tổng hợp màng NaHAp với sự
có mặt riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố vi lượng bạc, đồng, kẽm trên nền
2


TKG316L bằng phương pháp trao đổi ion, nghiên cứu đặc trưng hóa lý màng
HAp pha tạp thu được.
-

Kết hợp đồng thời hai phương pháp: điện hóa và trao đổi ion để tổng hợp
màng NaHAp pha tạp đồng thời các nguyên tố vi lượng: Mg, Sr, F, Cu, Ag
và Zn.

-

Nghiên cứu hoạt tính sinh học của vật liệu: TKG316L, NaHAp/TKG316L,
MgSrFNaHAp/TKG316L và MgSrFZnCuAgNaHAp/TKG316L trong dung
dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF).

-

Nghiên cứu khả năng gây độc tế bào sợi của bột NaHAp, MgSrFNaHAp
bằng 2 phương pháp: Trypan blue và MTT.

-

Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của bột NaHAp, MgSrFNaHAp,
AgNaHAp, CuNaHAp, ZnNaHAp và MgSrFZnCuAgNaHAp đối với 3 chủng

khuẩn: P.aerugimosa, E.coli và E.faecalis bằng phương pháp khuếch tán đĩa
thạch.

-

Đánh giá khả năng tương thích sinh học của các vật liệu TKG316L không
phủ và có phủ màng NaHAp và MgSrFNaHAp trên cơ thể chó.

3


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tính chất của HAp
1.1.1. Tính chất vật lý
HAp có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc xanh lơ, tuỳ theo điều kiện
hình thành, có nhiệt độ nóng chảy 1760 oC và nhiệt độ sôi 2850 oC, độ tan trong
nước 0,7 g/L, khối lượng mol phân tử 1004,60 g, khối lượng riêng là 3,08 g/cm3, độ
cứng theo thang Mohs bằng 5 [5]. Các tinh thể HAp thường tồn tại ở dạng hình que,
hình kim, hình vảy, hình sợi, hình cầu, hình trụ (hình 1.1) [6].

nh 1.1. Hình ảnh SEM của các tinh thể HAp [6]
(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: dạng lục phương và dạng đơn tà. Dạng lục
phương thường được tạo thành trong quá trình điều chế ở nhiệt độ từ 25 oC đến 100
o

C. Dạng đơn tà chủ yếu được sinh ra khi nung dạng lục phương ở 850 oC trong

không khí sau đó làm nguội đến nhiệt độ phòng. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hai
dạng này hoàn toàn giống nhau về số lượng và vị trí của các vạch nhiễu xạ. Chúng
chỉ khác nhau về cường độ của pic, dạng đơn tà cho các pic có cường độ yếu hơn so
với dạng lục phương khoảng 1 % [7].
4


HAp tự nhiên có trong xương và ngà răng cũng như HAp tổng hợp thường ở
dạng lục phương, thuộc nhóm không gian P63/m với các hằng số mạng a, b, c tương
ứng là 0,9417; 0,9417 và 0,6875 nm, α = β = 90 o và γ = 120 o. Mỗi ô mạng cơ sở
của tinh thể HAp gồm các ion Ca2+, PO43- và OH- được sắp xếp như hình 1.2 [5, 8].
Ca2+

PO43-

OH-

nh 1.2. Cấu trúc của HAp [7]
Công thức cấu tạo của phân tử HAp được thể hiện trên hình 1.3. 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 [9].

nh 1.3. Công thức cấu tạo của phân tử HAp [9]
1.1.2. Tính chất hóa học
HAp không phản ứng với kiềm nhưng phản ứng với axit tạo thành muối Ca2+:
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 800 oC
đến 1200 oC tạo thành ôxy - 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 1200 oC, HAp bị phân huỷ thành β - Ca3(PO4)2 (β- TCP)
và Ca4P2O9 hoặc CaO:
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)

5


1.1.3. Tính chất sinh học
HAp là dạng canxi photphat có tỷ lệ Ca/P trong phân tử đúng như tỷ lệ trong
xương và răng, nên HAp nhân tạo có tính tương thích sinh học cao. Điều này dẫn

đến khả năng ứng dụng cao của HAp trong y học.
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 [10].
Ở dạng màng, 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 [11]. Ngoài ra, HAp là hợp chất
không gây độc, không gây dị ứng cho cơ thể người và có tính sát khuẩn cao [9].
1.2. Các phƣơng pháp tổng hợp HAp
HAp tổng hợp có thành phần giống với HAp tự nhiên, có tính tương thích
sinh học cao, do đó HAp được nghiên cứu tổng hợp ở nhiều dạng khác nhau như:
dạng bột, dạng gốm xốp, dạng compozit và dạng màng.
1.2.1. Dạng bột
Bột HAp được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương
pháp kết tủa hóa học [12-15], phương pháp sol – gel [16], .... Trong đó phương
pháp kết tủa hóa học là phương pháp cơ bản để tổng hợp bột HAp, đi từ nguyên liệu
ban đầu là các muối dễ tan trong nước như Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4 [12,
13], … theo phản ứng (1.5) hoặc theo 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 [14, 15]
theo phản ứng (1.6):
10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH3 + 8 H2O  Ca10(PO4)6(OH)2 +
20NH4NO3 + 6H2O
NH  H 2O
 Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O
10Ca(OH)2 + 6H3PO4 3

(1.5)
(1.6)

Hơn nữa, với phương pháp kết tủa hóa học dễ dàng tổng hợp bột HAp pha
tạp bằng cách cho thêm muối NO3- của ion cần pha tạp vào dung dịch ban đầu theo
phản ứng (1.7) [14, 17]:
6


10Ca(NO3)2 + xM(NO3)n + 6(NH4)2HPO4 + (8+xn)NH3 + (8+xn) H2O 
Ca10-xMx(PO4)6(OH)2 + (20+xn)NH4NO3 + (6+xn)H2O

(1.7)

1.2.2. Dạng xốp và gốm xốp
HAp dạng xốp và gốm xốp thường được tạo ra từ việc nén ép bột HAp với
một số chất kết dính và chất tạo xốp, sau đó thiêu kết ở nhiệt độ cao [18-20].
Nhà khoa học Peron E và các đồng nghiệp đã chế tạo gốm xốp HAp bằng
cách trộn bột HAp với lượng vừa đủ naphtalen và dung dịch polyvinyl ancol 1%.
Sau đó, hỗn hợp này được ép với áp lực 110 và 220 MPa và được nung ở nhiệt độ trên
1000 oC. Kết quả thu được mẫu HAp dạng khối độ xốp 47 %, kích thước lỗ xốp
khoảng 50 - 120 nm, ứng suất kéo mẫu 4 - 21 MPa [18].
1.2.3. Dạng compozit
HAp dạng compozit được tổng hợp từ nguyên liệu ban đầu HAp dạng bột và
chất nền là các phân tử polyme, các polyme sinh học được ưu tiên sử dụng làm chất
nền như polylactic [21], polyamit [22], collagen [23, 24], chitosan [25], chitin [26],
pectin [23], … Các polyme này thuận lợi cho việc gia công, chế tạo các chi tiết,
đồng thời còn có khả năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm
chức. Ngoài ra, có thể tạo nano compozit HAp bằng cách phân tán đều ion Ca2+
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.
1.2.4. Dạng màng

Trong ngành phẫu thuật chỉnh hình các kim loại như titan, các hợp kim của
titan và TKG thường được sử dụng để thay thế hay nối ghép các bộ phận xương.
Mặc dù các kim loại này có độ bền 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, do đó rất khó hình thành liên kết hóa học với xương tự nhiên. Vì
vậy, để cải thiện những hạn chế này các nhà khoa học đã nghiên cứu tổng hợp màng
HAp trên nền kim loại cấy ghép: trên nền Titan và hợp kim của Titan [27-31], nền
TKG316L [32-35], nền Co [36], hợp kim của Mg [37, 38], .... Màng HAp khi phủ
lên vật liệu y sinh đã cải thiện được hoạt tính sinh học cho vật liệu, giúp cho quá
trình liền xương nhanh hơn và thúc đẩy xương non phát triển.

7


Màng HAp thường được phủ trên kim loại nền bằng các phương pháp:
phương pháp vật lý (plasma [6, 39, 40], phún xạ magnetron [41-43], mạ xung laze
[44-46], bốc bay chân không [47]), phương pháp hồ quang điện [38, 48], phương
pháp điện di [33, 49, 50], phương pháp sol-gel [1, 51, 52] và phương pháp điện hóa
[28, 29, 33, 36, 49, 52]. Các phương pháp trên đều có ưu và nhược điểm riêng. Các
phương pháp vật lý và phương pháp sol - gel có ưu điểm dễ dàng chế tạo được màng
HAp có chiều dày cỡ µm. Tuy nhiên, màng được tạo ra có độ bám dính không cao
với vật liệu nền, khó điều chỉnh được chiều dày màng, hơn nữa do quá trình được
thực hiện ở nhiệt độ cao nên sản phẩm thường bị lẫn các tạp chất của vật liệu nền và
ở nhiệt độ cao HAp dễ bị phân hủy dẫn đến tỷ lệ Ca/P bị thay đổi. Còn phương pháp
điện di và hồ quang điện được thực hiện ở hiệu điện thế rất cao dẫn đến chi phí lớn.
Để khắc phục các hạn chế nêu trên, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp điện
hóa để chế tạo màng HAp trên các vật liệu nền khác nhau, phương pháp này có nhiều
ưu điểm như nhiệt độ phản ứng thấp, cho phép điều khiển được chiều dày màng,
màng tạo ra có độ tinh khiết và độ bám dính cao, hệ phản ứng đơn giản [36, 37].
Sự hình thành màng HAp bằng phương pháp kết tủa catôt trong dung dịch

chứa Ca(NO3)2 + NH4H2PO4 + NaNO3 có thể xảy ra một số phản ứng như sau [35,
36, 53]:
a. Phản ứng điện hóa:

H 2 PO4 + 2e-  PO34 + H2

(1.8)

H 2 PO4 + H2O + 2e-  H2PO3- + 2OH-

(1.9)

H 2 PO4 + e-  HPO24 + ½ H2

(1.10)

HPO24 + e-  PO34 + ½ H2

(1.11)

2H2O + 2e-

 H2 + 2OH-

(1.12)

b. Phản ứng axit-bazơ

H 2 PO4 + OH-  HPO24 + H2O

(1.13)

HPO24 + OH- PO34 + H2O

(1.14)

c. Phản ứng kết tủa hóa học:
3

10Ca2+ + 6 PO4 + 2OH-  Ca10(PO4)6(OH)2

8

(1.15)


Ngoài ra, với phương pháp điện hóa còn dễ dàng đưa thêm một số nguyên tố
vi lượng có mặt trong cơ thể như Mg, Sr, F… pha tạp vào màng HAp bằng cách đưa
muối M(NO3)n vào dung dịch tổng hợp để tạo màng HAp pha tạp theo phương trình
phản ứng (1.16):
(10-x)Ca2+ + 6PO43- + (2-y)OH- + xM2+ + yX-  Ca10-x M x(PO4)6(OH)2-yXy (1.16)
Tuy nhiên, bằng phương pháp điện hóa rất khó tổng hợp màng HAp pha tạp các
nguyên tố có thế khử lớn như Cu, Ag, Zn ... Do đó, các nguyên tố này được nghiên cứu
để pha tạp vào màng HAp bằng phương pháp trao đổi ion.
1.3. Tính chất và các phƣơng pháp tổng hợp HAp pha tạp
Màng HAp pha tạp các nguyên tố Na, Mg, Sr, F, Cu, Ag, Zn có nhiều ưu
điểm vượt trội hơn so với màng HAp nguyên chất như: độ hòa tan màng giảm; sự
trao đổi chất, khả năng tương thích sinh học và hoạt tính sinh học của màng tăng.
1.3.1. Pha tạp natri
Natri là một nguyên tố phổ biến bên cạnh sự hiện diện của nguyên tố canxi và

phôtpho trong khoáng xương và răng tự nhiên. Tỷ lệ nguyên tố Na trong xương, men
răng và ngà răng tương ứng là 0,7; 0,5 và 0,8 % [54]. Sự hiện diện của natri trong
apatit sinh học có thể tăng cường bám dính các tế bào và thúc đẩy sự chuyển hóa
xương, tăng quá trình trao đổi chất và kích thích tế bào xương phát triển.
Các nhà khoa học đã nghiên cứu pha tạp Na vào màng HAp trên nền
compozit C/C bằng phương pháp áp dòng catôt [55]. Màng NaHAp có khả năng
tương thích sinh học cao trong dung dịch SBF, thể hiện bằng khả năng hình thành
màng apatit dày đặc hơn so với màng HAp nguyên chất sau 14 ngày ngâm vật liệu.
Hơn nữa, kết quả nghiên cứu của tác giả cho thấy sự phát triển của tế bào tạo xương
MC3T3-E1 trên màng NaHAp nhanh hơn so với màng HAp nguyên chất. Điều này
chứng tỏ sự có mặt Na trong màng đã làm tăng tính tương thích sinh học cho màng
NaHAp [55].
1.3.2. Pha tạp magiê
Magiê là một trong những yếu tố cần thiết cho tất cả các sinh vật sống, hơn
100 enzym cần sự có mặt của ion magiê cho quá trình xúc tác [1]. Sự có mặt của
Mg trong xương đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các mô xương và
thúc đẩy sự canxi hóa, đồng thời giúp cho các chất vôi (canxi) được trải đều trong
9


mô xương. Thiếu magiê sẽ ảnh hưởng đến tất cả các giai đoạn chuyển hóa xương
gây ngừng phát triển xương, giảm tế bào xương và hoạt động của tế bào xương
[56]. Magiê cũng ngăn ngừa các nguy cơ có thể gây loãng xương trong cơ thể
người. Hơn nữa, sự kết hợp của các ion magiê trong HAp sẽ làm giảm độ hòa tan,
do đó nâng cao kết dính tế bào và cải thiện hoạt tính sinh học cho HAp [57]. Vì vậy,
HAp pha tạp Mg được nghiên cứu tổng hợp ở nhiều dạng khác nhau: dạng bột được
tổng hợp bằng phương pháp kết tủa hóa học [17], phương pháp sol-gel [58]...; dạng
gốm xốp tổng hợp bằng phương pháp thiêu kết [58]; dạng màng được tổng hợp
bằng phương pháp điện hóa [57], phương pháp mạ xung laze [56], phương pháp
sol-gel [1]...

Nhà khoa học Yajing Yan và cộng sự pha tạp tổng hợp màng MgHAp và
HAp trên nền Ti bằng phương pháp kết tủa điện hóa trong dung dịch điện ly gồm:
Ca(NO3)2 0,036 M + NH4H2PO4 0,025 M + Mg(NO3)2 0,0084 M sao cho tỉ lệ (Ca +
Mg)/P = 1,67; ở pH 4,2; nhiệt độ 65 oC; mật độ dòng không đổi 0,85 mA/cm2 và
thời gian lắng đọng 2100 giây. Kết quả nghiên cứu hình thái bề mặt của màng cho
thấy, các tinh thể MgHAp có dạng hình tấm và dày đặc với chiều dày 21,2 µm,
trong khi đó tinh thể HAp có hình kim và kém dày đặc hơn. Các nghiên cứu về độ
bám dính cho kết quả màng MgHAp có độ bám dính là 18,1 MPa, cao hơn so với
màng HAp có độ bám dính khoảng 17,3 MPa [57].
Màng MgHAp tạo ra được nghiên cứu khả năng tương thích sinh học trong
dung dịch SBF cho thấy sự phát triển apatit trên màng MgHAp tốt hơn so với màng
HAp nguyên chất [1, 56]. Sự có mặt của Mg trong màng HAp đã cải thiện được độ
bám dính của tế bào nguyên xương so với màng HAp tinh khiết [56].
1.3.3. Pha tạp stronti
Stronti được biết đến là một trong những cation quan trọng trong xương, hoạt
động để thúc đẩy tăng trưởng xương. Stronti thúc đẩy sự sinh trưởng của tế bào tạo
xương, có khả năng ức chế hoạt động của hủy cốt bào, ức chế tái hấp thu xương và
giảm hoạt động của tế bào hủy xương. Hàm lượng tối ưu của stronti cho hoạt động
nâng cao tế bào tạo xương được xác định khi pha tạp vào HAp từ 3 – 7 % về khối
lượng [59].
Nhà khoa học Kaihui Nan và cộng sự đã tổng hợp màng SrHAp trên nền Ti
bằng phương pháp hồ quang điện trong dung dịch điện li có chứa canxi axetat,
10


stronti axetat và muối đinatri pentahydrat phôtphat β - glyxerol ở nhiệt độ 40 oC,
điện áp 400 V, mật độ dòng điện 0,5 A/cm2 trong 15 phút [60]. Kết quả cho thấy
màng SrHAp tạo thành có cấu trúc xốp và lỗ, các lỗ được phân phối đồng đều trên bề
mặt màng với đường kính dao động 5 - 10 µm, chiều dày màng khoảng 15 - 25 nm.
Màng SrFHAp cũng được nghiên cứu và tổng hợp trên nền kim loại Ti bằng

phương pháp điện hóa trong dung dịch điện ly gồm: Sr(NO3)2 + Ca(NO3)2 +
(NH4)2HPO4 + NaF ở pH bằng 4, nhiệt độ 60 oC, mật độ dòng 9,4.10-4 A/cm2 trong
40 phút [59]. Màng SrFHAp thu được có công thức Ca9,5Sr0,5(PO4)6(OH)1,35F0,65,
cấu trúc nhẵn, đồng nhất, không bị phân lớp, so với màng HAp nguyên chất màng
SrFHAp dày đặc hơn và độ xốp thấp hơn; trong dung dịch nước muối sinh lý (NaCl
0,9 %), hàm lượng ion Ca2+ bị hòa tan từ màng SrFHAp chậm hơn nhiều so với
màng HAp nguyên chất; trong dung dịch SBF, giá trị điện thế ăn mòn Ecorr của vật
liệu SrFHAp/Ti dịch chuyển về phía dương hơn so với vật liệu HAp/Ti và nền Ti
không phủ, giá trị mật độ dòng ăn mòn icorr của vật liệu SrFHAp/Ti giảm khoảng 24
lần so với nền Ti và giảm hơn 5 lần so với vật liệu HAp/Ti. Như vậy, sự có mặt của
Sr và F trong màng đã làm giảm khả năng hòa tan màng HAp trong môi trường sinh
lý, màng SrFHAp có thể ngăn chặn sự khuếch tán ion gây ăn mòn và có khả năng
bảo vệ cho bề mặt kim loại nền.
1.3.4. Pha tạp flo
Flo là nguyên tố vi lượng tồn tại trong men răng và xương, flo đóng vai trò
thiết yếu chống lại sự hòa tan apatit và có thể kích thích sự kết tinh khoáng muối
Ca-P trong quá trình hình thành xương [59]. Sự hiện diện của FHAp trong tinh thể
men răng làm tăng sự ổn định, giúp chống lại sự hòa tan trong môi trường miệng có
tính axit. Màng hydroxyapatit pha tạp flo được tổng hợp bằng nhiều phương pháp
khác nhau: phương pháp bốc bay chân không [47], phương pháp sol - gel [1],
phương pháp điện hóa [61-63], ... sự có mặt F đã làm giảm khả năng hòa tan màng
và tăng khả năng tương thích sinh học cho màng FHAp so với màng HAp nguyên
chất [1, 47, 59].

11


1.3.5. Pha tạp đồng
Đồng là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể, với hàm lượng nhỏ nhưng
rất quan trọng cho nhiều hoạt động sống của sinh vật. Ngoài ra, đồng còn có khả

năng kháng khuẩn cao.
Vật liệu Ti chứa hàm lượng đồng 2 % về khối lượng có thể chống được 57 %
khuẩn E.coli và 79 % khuẩn S.aureus [64]. Bằng phương pháp đồng kết tủa các nhà
khoa học người Ấn độ đã tổng hợp bột CuHAp, CuFHAp và nghiên cứu hoạt động
kháng khuẩn của chúng bằng cách thử nghiệm chống lại vi khuẩn gram âm và gram
dương. Kết quả cho thấy bột CuFHAp ứng với công thức Ca10-xCux(PO4)6(F)2 (x =
0,15-0,5) có thể chống được 100 % vi khuẩn E.coli và bột CuHAp ứng với công
thức Ca10-xCux(PO4)6(OH)2 (x = 0,2) chống được 98 % vi khuẩn S.aureus [2]. Gần
đây, nhà khoa học Yong Huang và các cộng sự đã tổng hợp màng CuSrHAp trên
nền Ti với mục đích tăng tính tương thích sinh học và tăng khả năng kháng khuẩn
cho màng HAp. Kết quả cho thấy lớp phủ CuSrHAp có khả năng chống ăn mòn cao
trong dung dịch SBF, tăng khả năng bám dính của tế bào tạo xương và với sự có
mặt của đồng có thể làm chết khuẩn E.coli trong một vài ngày đầu tiên [65].
1.3.6. Pha tạp bạc
Bạc được biết đến với hoạt động kháng khuẩn phổ rộng chống lại vi khuẩn
gram dương và vi khuẩn gram âm, nấm, động vật nguyên sinh và virus, kể cả các
chủng kháng thuốc kháng sinh [4]. Do đó việc đưa bạc vào màng HAp nhằm mục
đích kháng khuẩn được các nhà khoa học quan tâm.
Màng HAp pha tạp Ag được nhà khoa học tổng hợp trên nền Ti bằng phương
pháp phún xạ magnetron [66, 67], phương pháp plasma [68], trên nền TKG316L
bằng phương pháp đồng kết tủa [69]… Các kết quả thử nghiệm khả năng kháng
khuẩn cho thấy màng nano AgHAp có khả năng kháng 98 % vi khuẩn S.aureus và
hơn 99 % vi khuẩn E.Coli trong vòng 24 giờ [64, 70, 71], có khả năng kháng khuẩn
tốt đối với vi khuẩn S.pyogenes và S.typhimurium [64].
1.3.7. Pha tạp kẽm
Kẽm là nguyên tố vi lượng cần thiết trong cơ thể. Sự có mặt của Zn trong
xương có tác dụng kích thích sự hình thành xương và ức chế quá trình hủy xương.
Nếu thiếu Zn sẽ làm tăng nguy cơ loãng xương, làm cho xương giòn, xốp và dễ gãy
12

[72]. Hạt nano ZnHAp chứa 1,6 % Zn về khối lượng đã cho thấy khả năng tăng hoạt
tính sinh học, có khả năng kháng khuẩn và không độc hại cho các tế bào [73].
Màng ZnHAp đã được tổng hợp trên nền TKG304 bằng phương pháp điện di
[73]. Các nghiên cứu về độ bám dính và khả năng tương thích trong dung dịch SBF
cho thấy: ZnHAp tạo ra có dạng hình kim và độ bám dính giữa màng và kim loại
nền đạt 16,9 ± 1,9 MPa, sau khi ngâm 7 ngày trong dung dịch SBF một màng apatit
mới đã được hình thành trên bề mặt của mẫu, chứng tỏ màng ZnHAp có hoạt tính
sinh học tốt trong dung dịch SBF.
Nhóm nghiên cứu người Ấn Độ đã nghiên cứu sự phát triển vi khuẩn
P.gingivalis (tác nhân chính gây bệnh sâu răng) trên màng FHAp và ZnFHAp tổng
hợp trên nền Ti bằng phương pháp sol - gel và trên màng TiN. Kết quả chỉ ra khả
năng ức chế vi khuẩn của màng ZnFHAp lớn hơn màng FHAp và lớn hơn màng
TiN [74].
1.4. Thử nghiệm hoạt tính sinh học của HAp
1.4.1. Thử nghiệm in vitro
Khả năng tương thích của vật liệu cấy ghép với xương tự nhiên được quan
tâm nghiên cứu bằng nhiều phương pháp khác nhau. Một trong số các phương pháp
tiếp cận quan trọng nhất là nghiên cứu sự hình thành màng apatit trên bề mặt của
vật liệu khi ngâm trong môi trường SBF hoặc thử nghiệm trên cơ thể động vật sống.
Khả năng chống ăn mòn, bảo vệ của màng HAp cho vật liệu nền được
nghiên cứu bằng các phương pháp điện hóa (đo điện thế mạch hở, đo phổ tổng trở,
đo đường cong phân cực ngoại suy Tafel) khi ngâm vật liệu trong dung dịch SBF
[57, 59, 75] hoặc dung dịch muối Ringer (NaCl 0,86 % + KCl 0,03 % + CaCl2 0,033
%) ở 37oC %) [1, 76].
Để nghiên cứu khả năng hòa tan, các nhà khoa học xác định hàm lượng ion
Ca2+ hòa tan từ màng HAp hoặc HAp pha tạp và nồng độ ion kim loại nền hòa tan
khi ngâm vật liệu trong dung dịch muối sinh lý [59] hoặc dung dịch muối Ringer ở
37 oC [1, 76].
Đánh giá hoạt tính sinh học của vật liệu bằng cách nghiên cứu khả năng phát

triển của tế bào tạo xương MC3T3 - E1 khi được nuôi cấy trên bề mặt vật liệu [54,
57, 59, 61].
13


1.4.1.1. Trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người
Để nghiên cứu khả năng tương thích sinh học của vật liệu Ti có phủ màng
MgHAp, nhà khoa học Yajing Yan và cộng sự đã tiến hành ngâm vật liệu trong
dung dịch SBF [57]. Kết quả nghiên cứu hình thái bề mặt màng sau khi ngâm 4
ngày trong dung dịch SBF cho thấy có sự hình thành màng apatit dày đặc trên màng
MgHAp (hình 1.4).

nh 1.4. Hình ảnh SEM của màng MgHAp trước và sau 4 ngày ngâm trong
dung dịch SBF [57]
Ngoài ra, sau khi ngâm 4 ngày trong dung dịch SBF, kết quả đo đường cong
phân cực cho thấy màng MgHAp có khả năng che chắn bảo vệ kim loại nền cao hơn
so với màng HAp nguyên chất, thể hiện bằng điện thế ăn mòn dịch chuyển về phía
dương hơn và mật độ dòng ăn mòn thấp hơn so với màng HAp nguyên chất và vật
liệu Ti không phủ [57].
1.4.1.2. Trong dung dịch Ringer và dung dịch muối sinh lý
Khả năng chống ăn mòn và khả năng hòa tan của vật liệu TKG 316L không
phủ và có phủ màng MgFHAp với thành phần khác nhau được nghiên cứu bằng
cách ngâm trong dung dịch muối sinh lý và dung dịch muối Ringer [1]. Kết quả đo
đường cong phân cực của vật liệu cho thấy tất cả vật liệu phủ màng MgFHAp đều
cho mật độ dòng ăn mòn thấp hơn từ 2,1 ÷ 2,6 lần trong dung dịch muối Ringer và
từ 2,2 ÷ 2,4 lần so với TKG316 không phủ và thấp nhất ứng với mẫu phủ màng
MgFHAp ứng với công thức Ca9Mg(PO4)6F2 (FA10Mg).
Hình ảnh SEM của mẫu sau khi đo đường cong phân cực ở khoảng thế từ -400
mV đến 1000 mV cho thấy trên nền TKG316 không phủ có sự ăn mòn cục bộ xảy ra
rõ với các lỗ ăn mòn chiều rộng lên tới 50 - 100 µm, còn vật liệu TKG 316L có phủ

màng FA10Mg thì sự ăn mòn xảy ra không rõ với các lỗ ăn mòn có chiều rộng 5 - 15
14


µm. Kết quả này chứng tỏ màng FA10Mg có năng bảo vệ tốt cho kim loại nền, ngăn
chặn sự giải phóng các ion kim loại từ nền vào môi trường và cải thiện khả năng
tương thích sinh học cho nền TKG316L khi cấy ghép trong cơ thể người.
1.4.1.3. Thử nghiệm tế bào
Nhà khoa học Yong Huang và các cộng sự đã nuôi cấy tế bào MC3T3 - E1
trên bề mặt vật liệu Titan có phủ màng SrFHAp, HAp và không phủ trong 24 giờ, ở
37oC. Hình ảnh SEM (hình 1.5) cho thấy, trên bề mặt vật liệu có phủ màng SrHAp,
tế bào xuất hiện nhiều hơn và lan truyền tốt hơn so với vật liệu phủ HAp nguyên
chất và nền Ti không phủ. Điều này chứng tỏ màng SrFHAp có hoạt tính sinh học
tốt và có khả năng tăng cường độ kết dính với tế bào [59].

nh 1.5. Hình ảnh SEM của tế bào MC3T3 - E1 phát triển trên: màng HAp
(a), màng SrFHAp (b) và nền Ti (c) [59]
1.4.2. Thử nghiệm in vivo
Tại Viện công nghệ Massachusetts (Mỹ), các nhà khoa học đã nghiên cứu và
so sánh sự hình thành xương non của chân chó khi được cấy ghép bởi ba loại vật
liệu: Ti6Al4V không phủ, Ti6Al4V phủ HAp tổng hợp bằng phương pháp phun
plasma (PSHA) và Ti6Al4V phủ HAp tổng hợp bằng phương pháp điện hóa
(EDHA) [77]. Trong khoảng thời gian từ 6 giờ đến 7 ngày cấy ghép, trên cả ba loại
vật liệu sớm hình thành các cụm khoáng. Từ 7 ngày đến 14 ngày, mô xương mới
được hình thành với các sợi collagen tự kết nối bởi các tiểu cầu HAp. Tuy nhiên,
thời gian hình thành mô xương có sự khác biệt giữa hai vật liệu phủ màng PSHA và
EDHA: trên màng PSHA, quá trình hình thành mô xương diễn ra sớm, sau 7 ngày
cấy hình ảnh TEM cho thấy một lớp mô khoáng dày đặc hình thành ngay trên bề
mặt màng; ngược lại, quá trình hình thành mô xương diễn ra trên màng EDHA
15

chậm hơn trong 7 ngày đầu, nhưng sau 7 ngày các mô khoáng mới trên màng
EDHA hình thành một cách nhanh chóng với cấu trúc dải đặc trưng của lớp
collagen được nhìn thấy trong lớp mô xương mới. Sau 14 ngày, lớp mô xương mới
hình thành trên cả hai màng EDHA và PSHA là như nhau và cao hơn nhiều so với
vật liệu Ti6Al4V không phủ màng HAp. Như vậy, sự có mặt của HAp đã giúp cho
sự hình thành xương non diễn ra nhanh hơn.
Để nghiên cứu sự ăn mòn và viêm tại chỗ của màng octacanxi phôtphat
(OCP) và HAp, nhóm tác giả Sachiko Hiromoto đã phủ màng OCP hoặc HAp trên
hợp kim magiê (AZ31) và tiến hành thử nghiệm in vivo bằng cách cấy vào dưới da
của chuột chuyển gen [78]. Kết quả cho thấy màng HAp và OCP đều có khả năng
chống ăn mòn cao, trong đó vật liệu AZ31 có phủ màng HAp cho tỷ lệ ăn mòn thấp
hơn 20% so với màng OCP. Sau 16 tuần cấy, một lớp mô mềm đã được hình thành
xung quanh màng HAp hoặc OCP/AZ31 (hình 1.6) và không có hiện tượng viêm
nhiễm, còn trên chuột có cấy vật liệu AZ31 không phủ thì có sự hình thành lớp mô
mềm tuy nhiên lại có hiện tượng viêm tại chỗ cấy ghép.

nh 1.6. Sự hình thành mô mềm trên AZ31 (a) và HAP/AZ31 (b) ở dưới da
khi cấy vào chuột sau 16 tuần [78]
1.5. Ứng dụng của HAp và HAp pha tạp
HAp tổng hợp có cấu trúc và hoạt tính sinh học tương tự HAp tự nhiên nên
HAp được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh dưới dạng bột, dạng gốm, dạng
compozit và dạng màng. HAp được dùng để chế tạo vật liệu cấy vào cơ thể sinh vật,
làm chất gắn kết trong xương, làm dược phẩm, thuốc trong y tế ...

16


1.5.1. Làm thuốc bổ sung canxi

Canxi đóng vai trò rất quan trọng trong nhiều hoạt động của cơ thể như tham
gia vào quá trình co cơ, dẫn truyền thần kinh, giải phóng các hormon và đông máu.
Ngoài ra, nó còn tham gia vào quá trình điều hoà nhiều enzym khác nhau trong cơ
thể. Nếu cơ thể thiếu canxi có thể gây ra các bệnh như còi xương, loãng xương, ...
Vì vậy, việc bổ sung canxi là rất quan trọng và cần thiết cho sức khỏe con người,
đặc biệt cho trẻ em và người cao tuổi.
Có thể bổ sung canxi cho cơ thể người bằng cách dùng thức ăn, thuốc tiêm
hoặc truyền huyết thanh, … Tuy nhiên, canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thường
nằm ở dạng hợp chất hòa tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao và thường
phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ và chuyển hoá
canxi thành HAp. Do đó phương pháp hữu hiệu để bổ sung canxi là sử dụng HAp ở
dạng bột mịn, kích thước nano [10].
Trong thành phần của HAp chứa rất nhiều canxi và hợp chất HAp được cơ
thể người hấp thụ trực tiếp mà không cần chuyển hóa. Vì thế, bột HAp kích thước
nano được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao.
1.5.2. Làm các bộ phận để cấy ghép vào cơ thể
1.5.2.1. Làm răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng
Các nhà khoa học Nhật Bản đã thành công trong việc tạo ra một hỗn hợp gồm
HAp tinh thể kích thước nano và polyme sinh học có khả năng phủ và bám dính trên
răng theo cơ chế “mọc ghép”, nghĩa là tinh thể HAp mới tạo thành lớp men răng cứng
chắc, “bắt chước” theo đúng tinh thể HAp của lớp men răng tự nhiên [79]. Quá trình
này gồm 2 giai đoạn:
Giai đoạn a: Lớp men HAp cũ, cần thay thế trên bề mặt răng bị phân huỷ bởi
dung dịch H2O2 + H3PO4. Hợp chất H2O2 còn có tác dụng loại bỏ các chất bẩn tồn
tại trên răng.
Giai đoạn b: Các ion Ca2+, PO43-, OH- trong các polime sinh học dạng bột
nhão tạo thành vi tinh thể HAp kích thước nano. Hỗn hợp này được phủ lên bề mặt
răng cũ để tạo thành lớp men răng mới.

17

1.5.2.2. Làm mắt giả
Vật liệu gốm xốp HAp có cấu trúc xốp bền vững, nhẹ và đặc biệt là có nhiều
lỗ liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu,
không độc, không dị ứng và có khả năng thích ứng cao với cơ thể. Nhà khoa học Ấn
Độ B.Kundu đã chế tạo mắt nhân tạo từ gốm xốp HAp được tổng hợp từ san hô và
thử nghiệm in vivo trên chó. Kết quả cho thấy mắt nhân tạo này cho phép các mạch
máu tiếp nhận và phát triển thành các mô cấy, có khả năng thích ứng tốt trong cơ
thể mà không bị nhiễm trùng, các kết quả thực nghiệm này mở ra khả năng ứng
dụng mắt nhân tạo trên cơ thể người [80].
Ngoài ra, việc sử dụng loại vật liệu này đã khắc phục được hiện tượng sụp
mi do trọng lượng, hạn chế các phản ứng của cơ thể và làm tăng thời gian sử dụng
của mắt giả.
1.5.2.3. Làm vật liệu thay thế và sửa chữa những khuyết tật của xương
Tuỳ thuộc vào mục đích cấy ghép hoặc thay thế, người ta có thể chế tạo ra
các sản phẩm gốm HAp có kích thước và độ xốp khác nhau [81]. Sau đó, gia công
các sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HAp ở dạng
hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xương [82].
Tuy nhiên, gốm y sinh HAp nguyên chất không phù hợp với những vùng
xương phải chịu tải trọng nặng của cơ thể bởi tính cơ lý kém, độ bền cơ học thấp
trong môi trường cơ thể người, ngoài ra nếu sử dụng ở dạng khối hoặc hạt thì HAp
không thể phân hủy trong cơ thể người. Do đó trong nhiều năm trở lại đây,
compozit tạo nên bởi các hạt HAp và polyme phân hủy sinh học (polyaxit lactic,
polyacrylic axit, chitosan, polyvinyl ancol và các đồng phân polyme của nó) đã
nhận được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học vì tính dẫn xương tốt, khả
năng phân hủy sinh học và độ bền cơ học cao. Ngoài ra, các polyme này còn có khả
năng liên kết với các tế bào sinh học thông qua các nhóm chức của mình. Đây cũng
là ưu điểm vượt trội của vật liệu compozit chứa HAp [83-85].
J. Huang và các cộng sự đã chế tạo xương nhân tạo từ vật liệu compozit của

polyaxit lactic và HAp (PLLA/HAp và PLA/HAp) bằng phương pháp trộn nóng
chảy [86]. Kết quả nghiên cứu hình thái cấu trúc bằng các phương pháp TEM và
XRD cho thấy nano HAp là các tinh thể hình kim có kích thước 50 - 200 nm gần
giống với xương người, cả PLLA và HAp đều giữ nguyên cấu trúc kết tinh trong
18


vật liệu nanocompozit PLLA/HAp. Thử nghiệm hoạt tính sinh học của vật liệu
PLLA/HAp được tiến hành bằng cách ngâm chúng vào dung dịch SBF với tỷ lệ
rắn/lỏng là 1,5 mg/mL. Sau 7 ngày thử nghiệm, quan sát ảnh SEM của vật liệu cho
thấy cấu trúc lỗ xốp của HAp đã thiêu kết không thay đổi. Tuy nhiên, trên bề mặt
của compozit xuất hiện một vài cặn đọng của HAp với kích thước khoảng 100 nm.
Ngoài ra, từ phổ năng lượng tán xạ tia X của vi cấu trúc khung compozit
PLLA/HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF có thể phát hiện sự có mặt của Ca và P với
tỷ lệ Ca/ P bằng 1,65 gần với cấu trúc của apatit.
Ngoài ra, màng HAp được phủ lên nẹp vít xương nhằm mục đích làm tăng
khả năng chống ăn mòn và tăng cường tính tương thích sinh học của nẹp vít khi đưa
vào cơ thể. Màng HAp có khả năng định hình, tạo liên kết chặt chẽ giữa xương của
vật chủ và vật liệu cấy ghép, thúc đẩy quá trình liền xương [69].
1.6. Tình hình nghiên cứu HAp ở trong nƣớc
Trong nước, một số nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp
HAp. Tuy nhiên, các nghiên cứu về HAp mới chỉ dừng lại ở dạng bột, dạng gốm,
dạng compozit và dạng màng HAp nguyên chất. Cho đến nay, chưa có công trình
nào công bố về tổng hợp màng HAp pha tạp. Sau đây là một số nghiên cứu về HAp
tiêu biểu ở trong nước:
Bộ môn Hóa vô cơ, Khoa Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã
nghiên cứu tổng hợp bột HAp bằng phương pháp kết tủa hóa học [13, 87, 88].
Nhóm nghiên cứu cũng tổng hợp thành công vật liệu HAp phủ trên màng polyme
sinh học PVA [89].
Nhóm nghiên cứu của TS. Đỗ Ngọc Liên, Viện Công nghệ xạ hiếm đã triển

khai đề tài nghiên cứu cấp Bộ về tổng hợp bột và chế thử gốm xốp HAp [90]. Bên
cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng tạo màng HAp bằng phương pháp sol-gel trong
dung môi etanol [91].
Nhóm nghiên cứu của cố TS. Đào Quốc Hương, Viện Hóa học, Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã thực hiện một số đề tài nghiên cứu tổng hợp
HAp dạng bột, những kết quả ban đầu đã mở ra triển vọng ứng dụng bột HAp làm
nguyên liệu trong việc bào chế thuốc chống loãng xương [12] và HAp dạng gốm xốp
với mục đích dùng làm vật liệu nối xương trong phẫu thuật chỉnh hình [92], tuy nhiên,
cho đến nay, kết quả thu được còn hạn chế và chưa có công bố nào về vấn đề này.
19


Luận án tiến sĩ của Vũ Duy Hiển đã tổng hợp thành công vật liệu HAp đơn
pha dạng khối xốp bằng phương pháp thủy nhiệt trực tiếp từ khung xương mai mực
[93]. Gốm xốp nhận được sau khi thiêu kết vẫn giữ được cấu trúc xốp tự nhiên của
mai mực ban đầu. Những thử nghiệm trong dung dịch SBF đã khẳng định mẫu gốm
xốp HAp đều có tính tương thích sinh học.
Nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Nguyễn Kim Ngà, Viện Kỹ thuật hóa học,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nghiên cứu tổng hợp compozit của HAp và
polyaxit lactic (PDLA) để làm khung xương nhân tạo bằng cách đúc với chất tạo
xốp NaCl. Kết quả thử nghiệm trong môi trường SBF cho thấy, sau 7 ngày ngâm
vật liệu có sự hình thành màng apatit dạng hoa. Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu
khả năng kết dính và phát triển của dòng tế bào người MG63 cho thấy có sự phát
triển của tế bào tốt nhất đối với vật liệu có chứa 30 % HAp [89].
Nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Đinh Thị Mai Thanh, Viện Kỹ thuật nhiệt
đới đã thực hiện một số đề tài nghiên cứu tổng hợp màng HAp trên nền TKG304,
TKG316L, TiN/TKG316L, Ti, Co bằng phương pháp kết tủa điện hóa trong dung
dịch chứa muối Ca2+ và H2PO4-. Kết quả đã lựa chọn được điều kiện thích hợp để
tổng hợp màng HAp và HAp thu được có cấu trúc tinh thể, đơn pha dạng cầu, que
và xương rồng [94]. Sự tương thích của vật liệu phủ màng HAp được thử nghiệm

trong dung dịch SBF. Kết quả thử nghiệm cho thấy màng HAp tổng hợp có khả
năng bảo vệ cho vật liệu nền, đồng thời màng apatit được hình thành có dạng tinh
thể, đơn pha, cấu trúc xương rồng [95-98]. Nhóm nghiên cứu cũng đã nghiên cứu
tổng hợp bột HAp pha tạp Mg, Al, Ba và bột nano compozit HAp/Chitosan bằng
phương pháp kết tủa hóa học để định hướng xử lý flo và một số ion kim loại nặng
trong nước [99-101]. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng đã chế tạo thành công
compozit PLA/HAp bằng các phương pháp khác nhau và kết quả thử nghiệm 3
tháng trong xương chân chó cho thấy vật liệu có khả năng tương thích tốt, không
gây phù nề, phát triển xương mới và mạch máu rất mạnh [102].
Từ việc phân tích tổng quan ở trên cho thấy:
Trong nước chưa có công bố nào về tổng hợp màng HAp pha tạp. Trên thế
giới, màng HAp pha tạp đã được nghiên cứu tổng hợp bằng nhiều phương pháp
khác nhau, kết quả thử nghiệm in vitro và in vivo cho thấy màng HAp pha tạp một
20


số nguyên tố như Na, Mg, Sr, F đã làm tăng hoạt tính sinh học, làm giảm độ hòa
tan cho màng HAp và có khả năng bảo vệ tốt cho kim loại nền. Các nghiên cứu
cũng cho thấy với sự có mặt của nguyên tố Cu, Ag, Zn trong màng HAp đã làm tăng
khả năng kháng khuẩn từ đó giúp cho việc cấy ghép vật liệu y sinh có phủ màng
HAp thành công hơn. Tuy nhiên, các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc pha tạp
riêng rẽ các nguyên tố mà chưa tiến hành pha tạp đồng thời các nguyên tố vào
màng HAp. Chính vì vậy, trong luận án này sẽ trình bày chi tiết quá trình tổng hợp
màng NaHAp và NaHAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố vi lượng (Mg,
Sr, F) nhằm mục đích tạo màng HAp có thành phần tương tự như xương tự nhiên,
từ đó làm tăng hoạt tính sinh học và tính cơ lý cho màng. Ngoài ra, với mục đích
tăng khả năng kháng khuẩn cho vật liệu khi cấy ghép vào cơ thể, màng NaHAp
được bổ sung các nguyên tố có khả năng kháng khuẩn cao như Cu, Ag, Zn.

21

CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Hóa chất và điều kiện thực nghiệm
2.1.1.

óa chất

Hóa chất: Ca(NO3)2.4H2O, NH4H2PO4, NaNO3, Mg(NO3)2, Sr(NO3)2, NaF,
Cu(NO3)2, Zn(NO3)2, AgNO3, NaCl, NaHCO3, KCl, Na2HPO4.2H2O, MgCl2.6H2O,
CaCl2, KH2PO4, MgSO4.7H2O, đường glucozơ C6H12O6, NaOH. Các hóa chất này
đều là hóa chất tinh khiết của Merk (CHLB Đức).
2.1.2. Vật liệu nền
Mẫu TKG316L với thành phần hóa học: 0,27 % Al; 0,17 % Mn; 0,56 % Si;
17,98 % Cr; 9,34 % Ni; 2,15 % Mo; 0,045 % P; 0,035 % S và 69,45 % Fe có kích
thước là 1×10×0,2 cm, được đánh bóng bằng giấy nhám loại 320, 400 của Trung
Quốc và đánh lại bằng giấy nhám tinh loại 600, 800 và 1200 của Nhật Bản. Sau đó,
mẫu được rửa sạch bằng nước cất trong bể rửa siêu âm, tráng lại bằng cồn, rồi để
khô ở nhiệt độ phòng và được giới hạn diện tích làm việc 1cm2 bằng epoxy.
2.1.3. Tổng hợp màng

Ap pha tạp bằng phương pháp điện hóa

2.1.3.1. Hệ điện hóa
Màng NaHAp, HAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố vi lượng
(Mg, F, Sr) được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa trong bình chứa 80 mL dung
dịch nghiên cứu với hệ 3 điện cực: điện cực đối platin dạng lá mỏng có diện tích 1
cm2, điện cực so sánh calomen bão hoà KCl (SCE) và điện cực làm việc là
TKG316L. Các thí nghiệm điện hóa được thực hiện trên thiết bị Potentiostat
Autolab PGSTAT 30 (Hà Lan) tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện Hàn lâm KH&CN

Việt Nam.
2.1.3.2. Tổng hợp màng HAp pha tạp natri
Màng NaHAp được tổng hợp bằng phương pháp quét thế catôt trong dung
dịch có thành phần và điều kiện tổng hợp như sau:
- Dung dịch tổng hợp:
DNa1: Ca(NO3)2 3.10-2 M + NH4H2PO4 1,8.10-2 M + NaNO3 4.10-2 M.
DNa2: Ca(NO3)2 3.10-2 M + NH4H2PO4 1,8.10-2 M + NaNO3 6.10-2 M.
DNa3: Ca(NO3)2 3.10-2 M + NH4H2PO4 1,8.10-2 M + NaNO3 8.10-2 M.
22


- Điều kiện tổng hợp khác như: khoảng quét thế: 0 ÷ -1,5; 0 ÷ -1,7; 0 ÷ -1,9
và 0 ÷ -2,1 V/SCE; nhiệt độ: 25; 35; 50; 60 và 70 oC; pH = 4,0; 4,5; 5,0 và 5,5; số
lần quét: 1, 3, 5, 7 và 10 lần; tốc độ quét: 3, 4, 5, 6 và 7 mV/s.
2.1.3.3. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp riêng rẽ magiê, stronti hoặc flo
Màng NaHAp pha tạp nguyên tố Mg, Sr hoặc F được tổng hợp bằng phương
pháp quét thế catôt (ký hiệu chung là ĐNaHAp) ở 50 oC trong 80 mL dung dịch có
thành phần ở bảng 2.1 và các điều kiện thay đổi: khoảng quét thế: 0 ÷ -1,5; 0 ÷ -1,7;
0 ÷ -1,9 và 0 ÷ -2,1 V/SCE; số lần quét: 1, 3, 5, 7 và 10 lần; tốc độ quét: 3, 4, 5, 6 và
7 mV/s.
Bảng 2.1. Thành phần dung dịch tổng hợp màng ĐNaHAp
ĐNaHAp

MgNaHAp

SrNaHAp

FNaHAp

Ký hiệu

Thành phần

DMg1

DNa2+ Mg(NO3)2 1.10-4 M

DMg2

DNa2+ Mg(NO3)2 5.10-4 M

DMg3

DNa2+ Mg(NO3)2 1.10-3 M

DMg4

DNa2+ Mg(NO3)2 5.10-3 M

DSr1

DNa2 + Sr(NO3)2 1.10-5 M

DSr2

DNa2 + Sr(NO3)2 5.10-5 M

DSr3

DNa2 + Sr(NO3)2 1.10-4 M

DSr4

DNa2 + Sr(NO3)2 5.10-4 M

DF1

DNa2 + NaF 5.10-4 M

DF2

DNa2 + NaF 1.10-3 M

DF3

DNa2 + NaF 2.10-3 M

2.1.3.4. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp đồng thời magiê, stronti và flo
Màng MgSrFNaHAp được tổng hợp bằng phương pháp quét thế catôt ở 50
o

C trong 80 mL dung dịch có thành phần: DNa2 + NaF 2.10-3 M + Sr(NO3)2 5.10-5 M

+ Mg(NO3)2 1.10-3 M (được ký hiệu là DMgSrFNa) và trong điều kiện thay đổi:
khoảng quét thế: 0 ÷ -1,5; 0 ÷ -1,7; 0 ÷ -1,9 và 0 ÷ -2,1 V/SCE; nhiệt độ: 25, 35, 50,
60 và 70 oC; số lần quét: 3, 4, 5, 6, 7 và 10 lần; tốc độ quét: 3, 4, 5, 6 và 7 mV/s.

23

2.1.4. Pha tạp một số nguyên tố vào màng NaHAp bằng phương pháp trao đổi ion
Chuẩn bị vật liệu: Màng NaHAp tổng hợp trên nền TKG316L bằng phương
pháp quét thế catôt ở khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE; nhiệt độ 50 oC, 5 lần quét với
tốc độ quét 5 mV/s trong dung dịch DNa2.
2.1.4.1. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp nguyên tố đồng, bạc hoặc kẽm
Tiến hành ngâm vật liệu NaHAp/TKG316L trong 4 mL dung dịch Cu(NO3)2
hoặc AgNO3 hoặc Zn(NO3)2 có nồng độ khảo sát được thể hiện ở bảng 2.2 và thời
gian được khảo sát: 2,5; 5; 10; 20; 30; 60 và 80 phút ở nhiệt độ phòng. Sau đó vật
liệu được lấy ra, rửa sạch bằng nước cất và để khô trong không khí.
Bảng 2.2. Nồng độ ban đầu M(NO3)n được khảo sát
Nồng độ (M)

M(NO3)n
Cu(NO3)2

0,005

0,01

0,02

0,05

0,1

AgNO3

0,0012

0,0022

0,005

0,01

-

Zn(NO3)2

0,01

0,05

0,1

0,15

-

2.1.4.2. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp nguyên tố đồng, bạc và kẽm
Thực hiện bằng cách ngâm vật liệu NaHAp/TKG316L trong 4 mL dung dịch
có chứa đồng thời Cu(NO3)2 0,02 M + AgNO3 0,001 M + Zn(NO3)2 0,05 M trong
thời gian 30 phút ở nhiệt độ phòng. Sau đó, vật liệu được lấy ra, rửa sạch bằng nước
cất và để khô trong không khí.
2.1.5. Tổng hợp màng

Ap pha tạp 7 nguyên tố magiê, stronti, flo, natri,

đồng, bạc và kẽm
- Chuẩn bị vật liệu: màng MgSrFNaHAp tổng hợp trên nền TKG316L bằng

phương pháp quét thế catôt tương ứng trong dung dịch DMgSrFNa, ở điều kiện:
khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE; nhiệt độ 50 oC, 5 lần quét với tốc độ quét 5 mV/s.
- Màng HAp với sự có mặt đồng thời tất cả các nguyên tố magiê, stronti, flo,
natri, đồng, bạc kẽm (HApđt) được tổng hợp trên nền TKG316L bằng cách ngâm vật
liệu TKG316L có phủ màng MgSrFNaHAp trong 4 mL dung dịch có chứa đồng
thời Cu(NO3)2 0,02 M + AgNO3 0,001 M + Zn(NO3)2 0,05 M trong thời gian 30
phút ở nhiệt độ phòng. Sau đó vật liệu được lấy ra, rửa sạch bằng nước cất và để
khô trong không khí.
24