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


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
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết & Hóa lý
Mã số: 62440119

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Đinh Thị Mai Thanh

ii


Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình iii
nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,

kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được tác giả nào công bố trong
bất kỳ một công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.


LỜI CẢM ƠN
Luận án được hoàn thành tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam. Trong quá trình nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã nhận
được nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, những nhà khoa học trong và ngoài
nước cũng như các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng nhất tới PGS.TS Đinh Thị
Mai Thanh, người thầy đã tận tâm hướng dẫn khoa học, khích lệ, động viên và tạo

mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi làm luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Kỹ thuật nhiệt đới cùng tập thể
cán bộ của Viện, đặc biệt là các cán bộ Phòng Ăn mòn và Bảo vệ kim loại đã quan
tâm giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu tại Viện.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới nhóm nghiên cứu của TS. Cấn Văn
Mão (Học viện Quân Y 103) đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành các
nghiên cứu về thử nghiệm tế bào, thử nghiện invivo.
Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS. Ghislaine Bertrand, TS.Christophe Drouet
và nhóm nghiên cứu BBP của trung tâm CIRIMAT – Đại học Toulouse Pháp
đã tận tình giúp đỡ, chia sẻ kiến thức chuyên môn và hướng dẫn tôi sử dụng các
thiết bị nghiên cứu hiện đại trong 2 tháng thực tập đầy ý nghĩa và bổ ích tại đây.
Nhân dịp này, tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo và đồng nghiệp
của tôi tại Bộ môn Hóa học – Khoa Khoa học cơ bản, tới Phòng Tổ chức cán bộ và
Ban Giám hiệu Trường Đại học Mỏ – Địa chất đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi
cho tôi trong suốt thời gian làm luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới Gia
đình, bố mẹ hai bên nội ngoại, các anh chị, đặc biệt là chồng và hai con đã luôn ở
bên quan tâm, khích lệ, động viên và chia sẻ tôi trong suốt quá trình làm luận án.
Xin chân thành cảm ơn!
Nghiên cứu sinh

Võ Thị Hạnh
iv


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG

ix
xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

xv

MỞ ĐẦU

1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

4

1.1. Tính chất của HAp

4

1.1.1. Tính chất vật lý

4

1.1.2. Tính chất hóa học

5

1.1.3. Tính chất sinh học

6

1.2. Các phương pháp tổng hợp HAp

6

1.2.1. Dạng bột

6

1.2.2. Dạng xốp và gốm xốp

7

1.2.3. Dạng compozit

7

1.2.4. Dạng màng

7

1.3. Tính chất và các phương pháp tổng hợp HAp pha tạp

9

1.3.1. Pha tạp natri

9

1.3.2. Pha tạp magiê

9

1.3.3. Pha tạp stronti

10

1.3.4. Pha tạp flo

11

1.3.5. Pha tạp đồng

12

1.3.6. Pha tạp bạc

12

1.3.7. Pha tạp kẽm

12

1.4. Thử nghiệm hoạt tính sinh học của HAp

13

1.4.1. Thử nghiệm in vitro

13

1.4.1.1. Trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người

14

1.4.1.2. Trong dung dịch Ringer và dung dịch muối sinh lý

14

1.4.1.3. Thử nghiệm tế bào

15
v


1.4.2. Thử nghiệm in vivo

15

1.5. Ứng dụng của HAp và HAp pha tạp

16

1.5.1. Làm thuốc bổ sung canxi

17

1.5.2. Làm các bộ phận để cấy ghép vào cơ thể

17

1.5.2.1. Làm răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng

17

1.5.2.2. Làm mắt giả

18

1.5.2.3. Làm vật liệu thay thế và sửa chữa những khuyết tật của xương

18

1.6. Tình hình nghiên cứu HAp ở trong nước

19

CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

22

2.1. Hóa chất và điều kiện thực nghiệm

22

2.1.1. Hóa chất

22

2.1.2. Vật liệu nền

22

2.1.3. Tổng hợp màng HAp pha tạp bằng phương pháp điện hóa

22

2.1.3.1. Hệ điện hóa

22

2.1.3.2. Tổng hợp màng HAp pha tạp natri

22

2.1.3.3. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp magiê, stronti hoặc flo

23

2.1.3.4. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp magiê, stronti và flo

23

2.1.4. Pha tạp một số nguyên tố vào màng NaHAp bằng phương pháp trao đổi ion 24
2.1.4.1. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp nguyên tố đồng, bạc hoặc kẽm 24
2.1.4.2. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp nguyên tố đồng, bạc và kẽm

24

2.1.5. Tổng hợp màng HAp pha tạp 7 nguyên tố magiê, stronti, flo, natri, đồng,

bạc và kẽm

24

2.2. Các phương pháp nghiên cứu

25

2.2.1. Các phương pháp điện hóa

25

2.2.1.1. Phương pháp quét thế động

25

2.2.1.2. Đo điện thế mạch hở theo thời gian

25

2.2.1.2. Tổng trở điện hóa

25
vi


2.2.2. Phương pháp trao đổi ion

26

2.2.3. Các phương pháp xác định thành phần và cấu trúc

26

2.2.3.1. Phổ hồng ngoại

26

2.2.3.2. Nhiễu xạ tia X

26

2.2.3.3. Hiển vi điện tử quét

27

2.2.3.4. Hiển vi lực nguyên tử

27

2.2.3.5. Tán xạ năng lượng tia X

27

2.2.3.6. Quang phổ hấp thụ nguyên tử

28

2.2.3.7. Phổ khối lượng plasma cảm ứng

28

2.2.3.8. Phương pháp UV-VIS

28

2.2.4. Các phương pháp xác định tính chất cơ lý

28

2.2.4.1. Xác định khối lượng màng HAp

28

2.2.4.2. Xác định độ bám dính

29

2.2.4.3. Xác định chiều dày màng

29

2.2.4.4. Xác định nồng độ Ca2+ hòa tan

29

2.2.4.5. Xác định tổng nồng độ sắt hòa tan

29

2.2.5. Phương pháp thử nghiệm in vitro và in vivo

29

2.2.5.1. Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người

29

2.2.5.2. Thử nghiệm tế bào

30

2.2.5.3. Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn

31

2.2.5.4. Thử nghiệm in vivo

32

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

34

3.1. Tổng hợp và đặc trưng của màng HAp pha tạp

34

3.1.1. Tổng hợp màng HAp pha tạp bằng phương pháp điện hóa

34

3.1.1.1. Màng HAp pha tạp natri

34

3.1.1.2. Màng NaHAp pha tạp magiê, stronti hoặc flo

44

3.1.1.3. Màng NaHAp pha tạp magiê, stronti và flo
vii

53


3.1.2. Pha tạp một số nguyên tố vào màng NaHAp bằng phương pháp trao đổi ion

63

3.1.2.1. Màng NaHAp pha tạp đồng, bạc hoặc kẽm

63

3.1.2.2. Màng NaHAp pha tạp đồng, bạc và kẽm

69

3.1.3. Màng HAp pha tạp 7 nguyên tố magiê, sronti, flo, natri, đồng, bạc và kẽm

71

3.1.3.1. Thành phần

71

3.1.3.2. Phổ hồng ngoại

73

3.1.3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X

73

3.1.3.4. Hình ảnh SEM

74

3.1.3.5. Độ hòa tan

74

3.2. Thử nghiệm in vitro và in vivo

76

3.2.1. Thử nghiệm in vitro

76

3.2.1.1. Trong dung dịch mô phỏng dịch thể người

76

3.2.1.2. Thử nghiệm tế bào

82

3.2.1.3. Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn

84

3.2.2. Thử nghiệm in vivo trên chó

85

3.2.2.1. Kết quả cấy vật liệu vào tổ chức cơ

85

3.2.2.2. Kết quả về ghép vật liệu vào xương

90

KẾT LUẬN CHUNG

99

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

101

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

102

TÀI LIỆU THAM KHẢO

104

viii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
a, b, c

Giá trị hằng số mạng, [Ǻ]

AgNaHAp

Hydroxyapatit pha tạp bạc và natri

AZ31

Hợp kim của Magiê

B

Độ rộng của pic tại nửa chiều cao của pic đặc trưng

trong giản đồ Xray, [rad]

BK

Bán kính vòng ức chế vi sinh vật, [mm]

CuAgZnNaHAp

Hydroxyapatit pha tạp đồng thời natri, đồng, bạc và kẽm

C

Nồng độ, [mol/L]

Co

Nồng độ ban đầu, [mol/L]

CuFHAp

Hydroxyapatit pha tạp đồng và flo

CuNaHAp

Hydroxyapatit pha tạp đồng và natri

D

Kích thước tinh thể tính theo phương trình Scherrer, nm

d

Khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể, [Ǻ]

dE/dt

Sự biến đổi điện thế theo thời gian

DF

Dung dịch để tổng hợp màng FHAp

ĐNaHAp

Natri hydroxyapatit pha tạp magiê hoặc stronti hoặc flo

DMg

Dung dịch để tổng hợp màng MgHAp

DMgSrFNa

Dung dịch để tổng hợp màng MgSrFNaHAp

DNa

Dung dịch để tổng hợp màng NaHAp

DSr

Dung dịch để tổng hợp màng SrHAp

Ecorr

Điện thế ăn mòn, [V]

EDHA

Màng hydroxyapatit tổng hợp bằng phương pháp điện
hóa

Eocp, Eo

Điện thế mạch hở, [V]

FA0Mg, FA5Mg và

Hydroxyapatit pha tạp flo và magiê, (Ca10-xMgx(PO4)6F2

FA10Mg

tương với x có giá trị lần lượt là 0; 0,5 và 1

FA0Mg/TKG316L,

Vật liệu hydroxyapatit pha tạp flo và magiê (Ca10-

FA10Mg/TKG316L

xMgx(PO4)6F2

tương với x có giá trị lần lượt là 0 và 1)

phủ trên nền thép không gỉ 316L
ix


FNaHAp

Hydroxyapatit pha tạp flo và natri

HAp

Hydroxyapatit

HAp/AZ31

Vật liệu màng hydroxyapatit phủ trên nền hợp kim của
magiê

HApđt

Hydroxyapatit pha tạo đồng thời 7 nguyên tố: magiê,
stronti, flo, natri, đồng, bạc và kẽm

HApđt/TKG316L

Màng hydroxyapaptit pha tạp 7 nguyên tố (magiê,
stronti, flo, natri, đồng, bạc, kẽm) phủ trên nền thép
không gỉ 316L

h

Hiệu quả bảo vệ cho nền [%]

icorr

Mật độ dòng ăn mòn, [µA/cm2]

icorr,vln

Mật độ dòng ăn mòn của vật liệu nền

LK

Đường kính lỗ khoan thạch, [mm]

M

Nguyên tố đồng/bạc/kẽm

m

Khối lượng màng, [g]

MC3T3-E1

Tế bào tạo xương

MgFHAp

Hydroxyapatit pha tạp magiê và flo

MgNaHAp

Hydroxyapatit pha tạp magiê và natri

MgSrFNaHAp

Hydroxyapatit pha tạp đồng thời magiê, stronti, flo và
natri

MgSrFNaHAp/TKG316L Hydroxyapatit pha tạp đồng thời magiê, stronti, flo,
natri phủ trên nền thép không gỉ 316L
MNaHAp

Natri hydroxyapatit pha tạp đồng hoặc bạc hoặc kẽm

n

số nguyên tử

NaHAp

Hydroxyapatit pha tạp natri

NaHAp/TKG316L

Màng natri hydroxyapaptit phủ trên nền thép không gỉ
316L

PLA/HAp

Compozit của polyaxit lactic và hydroxyapaptit

PSHA

Màng hydroxyapatit tổng hợp bằng phương pháp phun
Plasma

q

Dung lượng trao đổi ion, [mmol/g]

x


Ra

Thông số độ nhám bề mặt, [nm]

SrFHAp

Hydroxyapatit pha tạp stronti và flo

SrNaHAp

Hydroxyapatit pha tạp stronti và natri

V

Thể tích dung dịch, [L]

V/SCE

Đơn vị điện thế so với điện cực calomen

VK

Đường kính vòng vô khuẩn, [mm]

ǀZǀ

Mođun tổng trở, [kΩ.cm2]

ZnFHAp

Hydroxyapatit pha tạp kẽm và flo

ZnNaHAp

Hydroxyapatit pha tạp kẽm và natri

Chữ viết tắt
AAS

Phương pháp hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption
Spectrophotometric)

AFM

Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope)

ASTM

Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (American
Society for Testing and Materials)

DCPD

Đicanxi photphat đi hydrat, CaHPO4.2H2O

EDX

Tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray
spectroscopy)

ICP-MS

Phổ khối lượng plasma cảm ứng (Inductively-Coupled
Plasma - Mass Spectrometry)

IR

Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy)

MTT

3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl

tetrazolium

bromide
LB

Lysogeny Broth, là môi trường nuôi cấy vi sinh

PVA

Poly vinyl ancol

OCP

Octacanxi photphat, Ca8(PO4)4(HPO4)2.5H2O

OD

Mật độ quang học (Optical Density)

RE

Điện cực so sánh (Reference Electrode)

SBF

Dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (Simulated
Body Fluid)

xi

SCE

Điện cực calomen bão hòa (Saturated Calomen
Electrode)

SEM

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron
Microscope)

TCP

Tricanxi photphat, Ca3(PO4)2

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission
Electron Microscope)

TKG316L

Thép không gỉ 316L

TMB

3,3’,5,5’ – tetramethylbenzidine

XRD

Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction)

xii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1.

Thành phần dung dịch tổng hợp màng ĐNaHAp

23

Bảng 2.2.

Nồng độ ban đầu M(NO3)n được khảo sát

24

Bảng 2.3.

Thành phần của dung dịch SBF

30

Bảng 3.1.

Kết quả AAS của NaHAp tổng hợp khi thay đổi nồng độ NaNO3

35

Bảng 3.2.

Giá trị khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể và các hằng số

37

mạng của màng NaHAp so với HAp [107]
Bảng 3.3.

Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, độ bám dính và chiều dày của

38

màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2 ở khoảng quét thế
khác nhau
Bảng 3.4.

Sự biến đổi khối lượng và chiều dày màng NaHAp khi thay đổi pH

41

Bảng 3.5.

Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, độ bám dính và chiều dày của

42

màng khi thay đổi số lần quét
Bảng 3.6.

Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, độ bám dính và chiều dày của

44

màng NaHAp tổng hợp với tốc độ quét thế khác nhau
Bảng 3.7.

Hàm lượng % của các nguyên tố trong màng ĐNaHAp tạo ra trong

46

các dung dịch khác nhau
Bảng 3.8.

Tỉ lệ nguyên tử X/Ca, Y/P và công thức phân tử của màng ĐNaHAp

47

Bảng 3.9.

Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của

48

màng ĐNaHAp tổng hợp ở các khoảng quét thế khác nhau
Bảng 3.10.

Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của

49

màng ĐNaHAp tổng hợp với các số lần quét thế khác nhau
Bảng 3.11

Giá trị khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể d(002), d(211) và

51

hằng số mạng của màng ĐNaHAp so với HAp và màng NaHAp
Bảng 3.12

Sự biến đổi điện lượng, chiều dày và khối lượng màng

54

MgSrFNaHAp khi thay đổi khoảng quét thế
Bảng 3.13.

Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của

56

màng MgSrFNaHAp tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau
Bảng 3.14

Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của

57

màng MgSrFNaHAp tổng hợp khi thay đổi số lần quét thế

Bảng 3.15

Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của
xiii

59


màng MgSrFNaHAp tổng hợp khi thay đổi tốc độ quét thế
Bảng 3.16

Phần trăm khối lượng (% m) và phần trăm nguyên tử (% n) của các

61

nguyên tố trong màng MgSrFNaHAp
Bảng 3.17

Tỉ lệ nguyên tử trong màng MgSrFNaHAp và trong xương tự nhiên

61

Bảng 3.18

Dung lượng trao đổi ion và công thức phân tử của MNaHAp

64

Bảng 3.19

Giá trị khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể và các hằng số

68

mạng của màng MNaHAp thu được so với HAp và màng NaHAp
Bảng 3.20

Dung lượng trao đổi ion và công thức phân tử của CuAgZnNaHAp

69

Bảng 3.21

Thành phần của các nguyên tố trong màng HApđt

72

Bảng 3.22

Tỉ lệ nguyên tử M/P trong màng HApđt, trong xương tự nhiên [108]

72

và công thức phân tử dự kiến của màng HApđt
Bảng 3.23.

Giá trị thế ăn mòn và mật độ dòng ăn mòn của vật liệu TKG316L

80

không phủ và có phủ trong dung dịch SBF
Bảng 3.24

Kết quả thử nghiệm Trypan Blue với môi trường có chứa bột

82

NaHAp và MgSrFNaHAp
Bảng 3.25

Thành phần các tế bào máu: Hồng cầu (HC), Bạch cầu (BC), Tiểu

86

cầu (TC)
Bảng 3.26

Nồng độ GOT (U/L) của các nhóm chó ở các thời điểm

87

Bảng 3.27

Nồng độ GPT (U/L) của các nhóm chó ở các thời điểm

87

Bảng 3.28

Nồng độ Ure (mmol/L) của các nhóm chó ở các thời điểm

88

Bảng 3.29

Nồng độ Creatinin (mmol/L) của các nhóm chó ở các thời điểm

88

Bảng 3.30

Thành phần các tế bào máu của các nhóm chó sau phẫu thuật 7 và

91

30 ngày
Bảng 3.31

Nồng độ GOT (U/L) của các nhóm chó ở các thời điểm

92

Bảng 3.32

Nồng độ GPT (U/L) của các nhóm chó ở các thời điểm

93

Bảng 3.33

Nồng độ Ure (mmol/L) của các nhóm chó ở các thời điểm

93

Bảng 3.34

Nồng độ Creatinin (mmol/L) của các nhóm chó ở các thời điểm

94

xiv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1.

Hình ảnh SEM của các tinh thể HAp [6]

4

Hình 1.2.

Cấu trúc của HAp [7]

5

Hình 1.3.

Công thức cấu tạo của phân tử HAp [9]

5

Hình 1.4.

Hình ảnh SEM của màng sau 4 ngày ngâm trong dung dịch SBF:

14

HAp (a); MgHAp (b) [57]
Hình 1.5.

Hình ảnh SEM của tế bào MC3T3 - E1 phát triển trên: màng HAp

15

(a), màng SrFHAp (b) và nền Ti (c) [59]
Hình 1.6.

Sự hình thành mô mềm trên AZ31 (a) và HAP/AZ31 (b) ở dưới da

16

khi cấy vào chuột sau 16 tuần [78]
Hình 2.1.

Phẫu thuật đưa vật liệu vào tổ chức dưới da đùi trước của chó

32

Hình 2.2

Phẫu thuật đưa nẹp vít vào xương đùi chó

32

Hình 2.3

Lấy máu làm xét nghiệm trên chó

33

Hình 3.1.

Đường cong phân cực catôt của điện cực TKG316L trong dung dịch

35

DNa2
Hình 3.2.

Giản đồ XRD của màng NaHAp tổng hợp trong DNa2, 50 oC, 5 lần

36

quét, khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE, tốc độ quét 5 mV/s
Hình 3.3.

Phổ IR của màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2, 50 oC, 5

37

lần quét, khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE và tốc độ quét 5mV/s
Hình 3.4.

Hình ảnh SEM của màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2,

39

ở nhiệt độ: 25 (a), 35 (b), 50 (c), 60 oC(d)
Hình 3.5.

Giản đồ XRD của màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2 ở

40

các nhiệt độ: 25, 35, 50 và 60 oC
Hình 3.6.

Đường cong phân cực của TKG316L khi thay đổi pH

41

Hình 3.7.

Hình ảnh SEM của màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2

42

với số lần quét khác nhau: 3 (a), 5 (b) và 7 lần quét (c)
Hình 3.8.

Đường cong phân cực catôt của điện cực TKG316L trong dung dịch

43

DNa2 với tốc độ quét thế thay đổi từ 3 đến 7 mV/s
Hình 3.9.

Đường cong phân cực catôt của TKG316L trong dung dịch DNa2
có bổ sung thêm ion Mg2+ (a), Sr2+ (b) và F- (c) với các nồng độ
khác nhau
xv

45


Hình 3.10.

Phổ IR của màng ĐNaHAp

50

Hình 3.11.

Giản đồ XRD của màng NaHAp và ĐNaHAp

50

Hình 3.12.

Hình ảnh SEM của màng NaHAp và ĐNaHAp

52

Hình 3.13.

Đường cong phân cực catôt của điện cực TKG316L trong dung dịch

53

DNa2 và DMgSrFNa
Hình 3.14.

Giản đồ XRD của MgSrFNaHAp tổng hợp ở các khoảng thế khác

54

nhau
Hình 3.15.

Hình ảnh SEM của màng MgSrFNaHAp tổng hợp khi thay đổi khoảng

55

quét thế: (a) 0 ÷ -1,5; (b) 0 ÷ -1,7 và (c) 0 ÷ -1,9 (V/SCE)
Hình 3.16.

Giản đồ XRD của màng MgSrFNaHAp tổng hợp ở các nhiệt độ: 25,

56

35, 50, 60 và 70 oC
Hình 3.17.

Giản đồ XRD của màng MgSrFNaHAp trong dung dịch

58

DMgSrFNa, tại 50 oC với tốc độ quét 5 mV/s khi thay đổi số lần
quét thế
Hình 3.18.

Giản đồ XRD của màng MgSrFNaHAp trong dung dịch

59

DMgSrFNa, tại 50 oC, 5 lần quét khi thay đổi tốc độ quét
Hình 3.19.

Phổ EDX của mẫu MgSrFNaHAp

60

Hình 3.20.

Hình ảnh SEM màng NaHAp (a) và màng MgSrFNaHAp (b)

61

Hình 3.21.

Hình ảnh AFM bề mặt màng MgSrFNaHAp (a) và HAp (b)

62

Hình 3.22.

Giản đồ XRD của các mẫu thu được sau khi trao đổi ion giữa màng

64

NaHAp với dung dịch: Zn2+ có nồng độ 0,01 M (a); 0,05 M (b); 0,1
M (c) và Ag+ có nồng độ 0,001 M (d); 0,002 M (e); 0,005 M (f);
0,01 M (g)
Hình 3.23.

Sự biến đổi dung lượng trao đổi ion theo thời gian tiếp xúc giữa

65

màng NaHAp với dung dịch Mn+
Hình 3.24.

Phổ IR của màng NaHAp và màng MNaHAp

66

Hình 3.25.

Giản đồ XRD của màng NaHAp và MNaHAp

67

Hình 3.26.

Hình ảnh SEM của màng NaHAp và màng MNaHAp

68

Hình 3.27.

Phổ IR của màng NaHAp (a) và CuAgZnNaHAp (b)

69

Hình 3.28.

Giản đồ XRD của màng NaHAp (a) và CuAgZnNaHAp (b)

70

Hình 3.29.

Hình ảnh SEM của màng CuAgZnNaHAp

70

Hình 3.30.

Phổ EDX của màng HApđt

71
xvi


Hình 3.31.

Phổ IR của màng NaHAp (a) và HApđt (b)

73

Hình 3.32.

Giản đồ XRD của màng NaHAp (a) và HApđt (b)

73

Hình 3.33.

Hình ảnh SEM của màng HApđt (b)

73

Hình 3.34.

Nồng độ Ca2+ tan theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch muối

74

sinh lý

Hình 3.35.

Tổng nồng độ sắt hòa tan theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch

75

SBF
Hình 3.36.

Sự biến đổi pH của dung dịch SBF theo thời gian ngâm mẫu

76

Hình 3.37.

Sự biến đổi điện thế mạch hở theo thời gian ngâm vật liệu trong

77

dung dịch SBF
Hình 3.38.

Phổ tổng trở dạng Nyquist của vật liệu trong dung dịch SBF

78

Hình 3.39.

Sự biến đổi mođun tổng trở tại tần số 100 mHz theo thời gian ngâm

79

vật liệu trong dung dịch SBF
Hình 3.40.

Đường cong phân cực của vật liệu sau 21 ngày ngâm trong dung

80

dịch SBF
Hình 3.41.

Hình ảnh SEM của các vật liệu trước và sau khi ngâm 21 ngày trong

81

dung dịch SBF
Hình 3.42.

Hình ảnh tế bào chết ở các môi trường muôi cấy có chứa 0,3 %

82

MgSrFNaHAp (a), 0,3 % NaHAp (b) và nhóm chứng (c) theo thử
nghiệm Trypan Blue
Hình 3.43.

Mật độ quang tại các giếng sau 24, 48 và 72 giờ thử nghiệm MTT

83

Hình 3.44.

Khả năng kháng khuẩn của NaHAp (1), AgHAp (2), CuHAp (3),

84

ZnHAp (4), MgSrFNaHAp (5) và HApđt (6)
Hình 3.45.

Vết mổ tại vùng đùi chó sau 1 ngày (a) và sau 1 tháng phẫu thuật (b)

85

Hình 3.46.

Vùng cơ nơi đặt vật liệu và vật liệu nghiên cứu sau 1 tháng

88

Hình 3.47.

Vùng cấy vật liệu trên khối cơ đùi trước ở động vật cấy ghép: TKG316L

89

(a) và MgSrFNaHAp/TKG316L (b)
Hình 3.48.

Vỏ xơ và khối cơ đùi trước sau 4 tuần cấy ghép: NaHAp/TKG316L (a)

89

và MgSrFNaHAp/TKG316L (b)
Hình 3.49.

Vết mổ tại vùng đùi chó sau 1 ngày và sau 1 tháng phẫu thuật

90

Hình 3.50.

Hình ảnh nẹp vít trên xương đùi sau 1 tháng phẫu thuật

94

Hình 3.51.

Hình ảnh sau 1 tuần ghép vật liệu phủ NaHAp

95

xvii


Hình 3.52.

Sau 1 tháng phẫu thuật, hình ảnh tạo cốt bào gần vị trí ghép vật liệu

95

TKG316L không phủ (a) và có phủ màng MgSrFNaHAp (b, c)
Hình 3.53.

Sau 2 tháng phẫu thuật, hình ảnh hoạt động của tế bào tạo xương

96

gần vị trí ghép vật liệu TKG316L không phủ (a) và có phủ
MgSrFNaHAp (b, c)
Hình 3.54.

Sau 3 tháng, hình ảnh cấu trúc xương hoàn chỉnh sau ghép vật liệu
TKG316L không phủ (a) và có phủ MgSrFNaHAp (b, c)

xviii

96


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