Nghiên cứu chế tạo các lớp phủ hydroxyapatit có khả năng tương thích sinh học trên nền vật liệu titan bằng phương pháp sol gel (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

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

NGÔ THỊ ÁNH TUYẾT

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CÁC LỚP PHỦ
HYDROXYAPATIT CÓ KHẢ NĂNG TƯƠNG THÍCH SINH
HỌC TRÊN NỀN VẬT LIỆU TITAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP
SOL-GEL

Chuyên ngành: Kim loại học
Mã số: 9.44.01.29

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2019


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học 1: TS. Phạm Thi San
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Nguyễn Ngọc Phong

Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng
… năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
1


MỞ ĐẦU
Hiện nay, vật liệu kim loại tương thích sinh học sử dụng trong
ngành phẫu thuật chỉnh hình đang là một nhu cầu bức thiết và được
nhiều nước trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Sự già hóa của dân số
ở các nước phát triển và mong muốn cho người bệnh có thể duy trì
hoạt động và chất lượng cuộc sống cao, đồng thời những tiến bộ
trong tổng hợp vật liệu, trình độ phẫu thuật đã cho phép vật liệu cấy
ghép sinh học (implant) được ứng dụng theo nhiều phương thức khác
nhau. Do đó, nhu cầu về các implant hiệu suất cao nhằm giải quyết
những vấn đề về tim mạch, chấn thương, chỉnh hình, cột sống và nha
khoa đã tăng lên đáng kể. Trong năm 2012, trên toàn thế giới, thị
trường vật liệu cấy ghép sinh học đạt khoảng 94,1 tỷ USD và đến
năm 2017 là khoảng 134,3 tỷ USD. Vì vậy, các nhà khoa học đang
tập trung đầu tư nghiên cứu nhằm tạo ra các loại vật liệu y sinh mới
có tính năng tốt để phục vụ cho nhu cầu xã hội. Các implant sử dụng
trong kỹ thuật chỉnh hình thường được chế tạo bằng vật liệu kim loại
do có độ cứng và độ bền cơ học cao hơn so với vật liệu hữu cơ hay
vật liệu composit. Trong số những vật liệu cấy ghép sinh học thì titan

là kim loại có nhiều ưu điểm nhất vì không chỉ có khả năng chống ăn
mòn, mài mòn và tính chất cơ học tốt, mà mô đun đàn hồi và tỷ trọng
của nó còn gần giống với xương người. Do đó, gần đây titan và hợp
kim titan trở thành vật liệu kim loại y sinh hấp dẫn nhất cho các ứng
dụng chỉnh hình và nha khoa. Tuy nhiên, titan lại thiếu khả năng liên
kết hóa học với xương có nghĩa là thiếu hoạt tính sinh học. Để phát
huy tính chất ưu việt của Ti và hợp kim Ti cũng như khắc phục
2


những nhược điểm của nó nhằm mở rộng khả năng ứng dụng trong y
sinh, các nhà khoa học đã nghiên cứu phủ các lớp có khả năng tương
thích sinh học lên titan và hợp kim của chúng. Trong các loại lớp phủ
này, vật liệu hydroxyapatite (HA) và dẫn xuất của HA là fluoruahydroxyapatite FHA được tập trung nghiên cứu do chúng cung cấp
các điều kiện cần thiết cho việc đẩy mạnh liên kết với các mô cơ thể
và ngăn chặn việc giải phóng của các ion kim loại từ hợp
kim gây kích ứng tại vùng cấy ghép. Vật liệu hydroxyapatite có
thành phần hóa học tương tự như thành phần của khoáng xương và
có khả năng kích thích sự phát triển của các tế bào và mô xương, hỗ
trợ sự mọc xương. Sự kết hợp giữa khả năng tương thích sinh học tốt
của lớp phủ HA và tính chất cơ học tuyệt vời của vật liệu titan tạo ra
các sản phẩm implant đáp ứng yêu cầu y tế khắt khe trong ứng dụng
chỉnh hình, nha khoa. Ở nước ta, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu
HA cho mục đích y sinh cũng đang được các nhà khoa học quan tâm.
Tuy nhiên, các nghiên vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế. Mỗi
năm, nước ta phải nhập ngoại hàng trăm ngàn chi tiết cấy ghép các
loại với giá thành rất cao và không chủ động được.
Trước tình hình đó, chúng tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của
luận án: “Nghiên cứu chế tạo các lớp phủ hydroxyapatit có khả năng
tương thích sinh học trên nền vật liệu titan bằng phương pháp solgel”.

Mục tiêu của luận án:
Chế tạo các lớp phủ trên cơ sở HA lên nền vật liệu titan bằng
phương pháp Sol-Gel có khả tương thích sinh học cao.
3


Đề tài luận án được thực hiện nhằm mục đích tìm ra điều kiện
công nghệ thích hợp như pH của dung dịch, nhiệt độ nung, thời gian
nung, các biện pháp xử lí bề mặt nền kim loại titan để chế tạo các lớp
phủ hydroxyapatit (HA và FHA) trên nền titan bằng phương pháp
sol-gel có khả năng ứng dụng y sinh.
Nội dung chính của luận án:
- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp lớp phủ
HA bằng phương pháp Sol-Gel như: pH, nhiệt độ và thời gian nung.
- Nghiên cứu đặc trưng tính chất của lớp phủ HA: Hình thái bề
mặt, cấu trúc, thành phần, chiều dày, độ bám dính.
- Nghiên cứu nâng cao độ bám dính của lớp phủ HA bằng cách
chế tạo lớp phủ TiO2 trung gian trước khi phủ lớp HA; phủ HA lên
nền titan xốp, hoặc thay thế nhóm OH- bằng F- để tạo ra lớp FHA.
- Thử nghiệm in-vitro vật liệu titan phủ các lớp HA và FHA trong
môi trường dịch giả cơ thể người SBF.
- Nghiên cứu thử nghiệm in-vivo nẹp vít titan xốp có và không có
lớp phủ HA trên cơ thể thỏ.
Chương 1. TỔNG QUAN
- Giới thiệu về vật liệu cấy ghép kim loại.
- Trình bày một số phương pháp xử lí bề mặt titan áp dụng cho y sinh
- Giới thiệu các lớp phủ tương thích sinh học canxi photphat (Ca-P)
- Giới thiệu về các lớp phủ tương thích sinh học trên cơ sở HA và
các phương pháp điều chế và một số kết luận chương I.
Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU
4


2.3. Chế tạo lớp phủ HA bằng phương pháp sol-gel
2.3.1. Chuẩn bị nền titan
Vật liệu titan dạng tấm tinh khiết thương mại (Commercially
Pure Grade 2) được cắt với đường kính ɸ 25,4 mm (để nghiên cứu
độ bền bám dính theo tiêu chuẩn ASTM F1044-99 [91]) và ɸ 15 mm
cho các nghiên cứu khác.
2.3.2. Quy trình chế tạo sol HA và FHA
2.3.2.1. Quy trình chế tạo sol HA
Quy trình chế tạo sol HA được thể hiện trên sơ đồ hình 2.1 theo
các bước sau:
- Hòa tan 0,2 mol H3PO4 vào dung dịch 100 mL C2H5OH, khuấy
trộn bằng máy khuấy từ trong 3 giờ ở nhiệt độ phòng (dung dịch 1).
- Hòa tan 0,333 mol Ca(NO3)2.4H2O vào dung dịch 100 mL
C2H5OH tiếp tục khuấy bằng máy khuấy từ trong 3 giờ (dung dịch
2).
- Trộn dung dịch 1 và dung dịch 2 vào nhau, thu được hỗn hợp,
tiếp tục khuấy trộn hỗn hợp này trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng.
-Thêm từ từ dung dịch NH4OH 1M vào hỗn hợp dung dịch trên
và khuấy đều trong 3 giờ.
- Ủ hỗn hợp trong tủ sấy ở nhiệt độ 40 0C trong vòng 72 giờ tạo thành
sol HA.
2.3.2.2. Quy trình chế tạo sol FHA
Quy trình chế tạo Sol HA được thể hiện trên sơ đồ hình 2.2 theo
các bước sau:
5

- Hòa tan 0,2 mol H3PO4 vào dung dịch 100 mL C2H5OH thêm
dần dần NH4F với tỉ lệ phần mol của P/F lần lượt là 12 ; 6 ; 4 ; 3 để
được các sol có thành phần tương ứng với công thức lần lượt là
Ca10(PO4)6(F0.5OH1.5),

Ca10(PO4)6(FOH),

Ca10(PO4)6(F1.5OH0.5),

Ca10(PO4)6(F2) , khuấy trộn bằng máy khuấy từ trong 3 giờ ở nhiệt độ
phòng (dung dịch 1).
- Hòa tan 0,333 mol Ca(NO3)2.4H2O vào dung dịch 100 mL
C2H5OH tiếp tục khuấy bằng máy khuấy từ trong 3 giờ (dung dịch
2).
- Trộn dung dịch 1 vào dung dịch 2, thu được hỗn hợp chứa các
tiền chất Ca, P, F, tiếp tục khuấy trộn hỗn hợp này trong 24 giờ ở
nhiệt độ phòng.
-Thêm từ từ dung dịch NH4OH 1M vào hỗn hợp dung dịch trên
và khuấy đều trong 3 giờ để đạt được pH mong muốn.
- Ủ hỗn hợp trong tủ sấy ở nhiệt độ 40oC trong vòng 72 giờ tạo
thành sol FHA.
2.3.3. Chế tạo lớp phủ HA và FHA lên nền vật liệu titan
Sau khi chuẩn bị được sol HA và sol FHA tiến hành chế tạo lớp
phủ HA lên nền vật liệu titan theo các bước:
- Tiến hành phủ sol HA lên nền titan bằng phương pháp quét.
- Quay li tâm để san phẳng bề mặt mẫu, sấy khô ở nhiệt độ 80
C trong 1 giờ. Sau đó, để nguội ở nhiệt độ phòng trong vòng 1 giờ

0

và phủ lặp lại nhiều lần.
- Kết thúc quá trình tạo lớp phủ lên bề mặt Ti, các mẫu được
tiến hành nung trong không khí với nhiệt độ từ 500 – 1000 0C.
6


Sau khi nung, các mẫu titan phủ HA và FHA được phân tích,
đánh giá các đặc trưng tính chất.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp đánh giá các tính chất vật lý và cơ học
+ Phương pháp đánh giá các tính chất vật lý và cơ học của vật
liệu bao gồm đánh giá thành pha, cấu trúc bề mặt, thành phần hóa
học của lớp phủ, độ bám dính… sử dụng các phương pháp như: Xray, SEM, EDS, kéo đứt…
2.2.2. Phương pháp điện hóa trong đánh giá tính chất ăn mòn
2.2.2.1. Phương pháp đo tổng trở
Phổ tổng trở của các mẫu đo trong dung dịch SBF và được quét
với tần số từ 10 kHz đến 10 mHz, biên độ điện thế 10 mV để đánh
giá được khả năng chống ăn mòn của vật liệu phủ HA và FHA và cơ
chế hình thành màng apatit theo thời gian ngâm mẫu.
2.2.2.2. Phương pháp đo đường cong phân cực anot
Để đánh giá khả năng chống ăn mòn của vật liệu có và không có
lớp phủ HA ở các chế độ nung khác nhau, tiến hành đo đường cong
phân cực anốt trong khoảng điện thế từ -250 mV so với điện thế
mạch hở đến 1600 mV, với tốc độ quét thế 1 mV/s trong dung dịch
Ringer có thành phần: NaCl 8,6 g/L; CaCl2.2H2O; 0,33 g/L; KCl 0,3
g/L. Từ đường cong phân cực anốt có thể so sánh, đánh giá được khả
năng chống ăn mòn của vật liệu titan phủ HA.
2.2.3. Các phương pháp đánh giá khả năng tương thích sinh học
2.2.3.1. Đánh giá thử nghiệm in-vitro

Khả năng tương thích sinh học của mẫu titan phủ HA và FHA
7


được đánh giá bằng các thử nghiệm in-vitro của vật liệu khi ngâm
trong dung dịch giả cơ thể người SBF theo thời gian trong điều kiện
nhiệt độ 37 0C ± 1 0C và pH khoảng 7,2 - 7,3. Các mẫu titan phủ HA
và FHA có kích thước ϕ15 mm x 2 mm được ngâm trong 200 mL
dung dịch SBF.
2.2.3.2. Đánh giá thử nghiệm vivo
Đối tượng nghiên cứu là 6 cá thể thỏ khỏe mạnh được đặt nẹp
vít bằng vật liệu titan xốp có và không có lớp phủ HA vào xương
đùi. Sau cấy ghép 3 tháng tiến hành đánh giá các chỉ số:
- Đánh giá tình trạng tại chỗ vết mổ
- Các chỉ số huyết học: phân tích các chỉ số về hồng cầu, Hb, bạch
cầu, tiểu cầu.
- Hình ảnh đại thể về xương và vật liệu cấy ghép.
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ HA bằng phương pháp sol-gel
3.1.1. Nghiên cứu đặc tính của sol
3.1.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng giá trị pH của sol đến sự hình thành
pha
Dung dịch NH4OH 1M được thêm vào hỗn hợp Sol HA để thay
đổi khoảng pH từ 3 đến 9. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X (Hình 3.1), nhận
thấy ở pH= 3, đã xuất hiện các pic đặc trưng của HA. Tuy nhiên, bên
cạnh các đỉnh HA, còn xuất hiện các đỉnh đặc trưng của hợp chất αTCP (Ca3 (PO4)2). Khi giá trị pH tăng, cường độ của các đỉnh HA
tăng trong khi cường độ của các đỉnh α-TCP giảm.

8

Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X với sự thay đổi pH của Sol
3.1.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến độ nhớt của sol
Độ nhớt của các sol HA tại các giá trị pH= 3, 5, 7 và 9 đã được
nghiên cứu qua thông số độ nhớt tương đối ηtđ.
Bảng 3.1. Độ nhớt của dung dịch sol theo pH
TT
1
2
3
4

Độ nhớt tương đối ηtđ
3,18
4,17
5,13
6,49

pH của sol
PH= 3
PH= 5
PH=7
PH= 9

Từ bảng 3.1, giá trị pH của dung dịch tăng thì độ nhớt tương đối
của dung dịch sol HA cũng tăng lên. Sự có mặt của NH4OH góp phần
cải thiện hiệu suất của phản ứng polyme hóa, làm tăng chuỗi liên kết [Ca-O-P], và dẫn đến tăng quá trình cô đặc do vậy độ nhớt của dung dịch
Sol tăng lên. Hơn nữa, sự hình thành chuỗi liên kết (-Ca-O-P-) tăng lên
làm cho khối lượng phân tử của hạt keo tăng lên do đó độ nhớt của sol
tăng lên. Tuy nhiên, với pH=9, dung dịch Sol có độ sánh sệt lớn, gây

khó khăn cho việc phủ mẫu. Ở pH=7, độ nhớt của dung dịch Sol là 5,13.
Với độ nhớt này quá trình phủ mẫu có thể tiến hành dễ dàng.

9


3.1.1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến cấu trúc bề mặt của lớp
phủ
Trong các nghiên cứu ban đầu về lớp phủ HA trên nền titan, các
Sol HA với pH từ 3 - 9 được phủ lên kim loại nền titan và được nung
tại nhiệt độ 800 0C với thời gian nung 1 giờ. Hình thái học bề mặt
của các mẫu được chụp ảnh SEM (hình 3.3).

Hình 3.3. Hình thái bề mặt của các lớp phủ HA với pH của sol
thay đổi.
Với pH=7 tính chất của sol đã được cải thiện, dễ dàng trong việc
phủ mẫu và lớp phủ có độ đồng đều cao nhất. Do đó, pH của dung
dịch sol bằng 7 được chọn để tiến hành chế tạo lớp phủ HA trong các
nghiên cứu tiếp theo.
3.1.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến sự phân hủy của sol HA
Trong khoảng nhiệt độ 536,36 0C trở lên đến 1000 0C, mẫu hầu
như không có sự thay đổi khối lượng. Điều này cho thấy quá trình
10


tạo ra HA đã kết thúc hoàn toàn. Từ giản đồ DTA và TGA cho thấy
nhiệt độ nung thích hợp của quá trình tạo lớp phủ HA bằng phương
pháp sol - gel cần lớn hơn 500 0C.

Hình 3.4. Giản đồ DTA và TGA của sol HA

3.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo
đến tính chất của lớp phủ HA trên nền vật liệu titan
3.1.2.1. Xác định chiều dày của lớp phủ HA
Các mẫu titan đã được phủ với số lớp từ 5 đến 7 lớp Sol. Chiều
dày thực tế của các lớp HA được đo trên ảnh SEM được so sánh với
chiều dày tính toán theo lí thuyết như chỉ ra trên bảng 3.2 cho thấy sự
chênh lệch giữa hai phương pháp đo là không đáng kể.
Bảng 3.2. Chiều dày trung bình của lớp phủ HA theo số lớp phủ sol
Số lớp phủ
5 lớp
6 lớp
7 lớp

Chiều dày trung bình (µm)
Tính toán
Thực tế
15
14,6
18
19,4
21
21,0
11


Trong nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi cố định chiều dày từ 14 15 µm để thực hiện đánh giá các đặc trưng tính chất của các lớp phủ.
3.1.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nung đến tính chất của
lớp phủ HA
a. Ảnh hưởng của chế độ nung đến cấu trúc của lớp phủ
Trên hình 3.6, hình thái bề mặt của Ti phủ HA với nhiệt độ

nung thay đổi từ 500 0C – 900 0C được quan sát bằng kính hiển vi
điện tử quét với độ phóng đại 5000 lần.

Hình 3.6. Hình thái bề mặt của lớp phủ HA trên Ti theo nhiệt độ
nung
Trong khoảng nhiệt độ từ 500 0C đến 700 0C, trên bề mặt của
lớp phủ HA vẫn tồn tại các hạt dạng hình cầu, chúng kết tụ thành
từng đám tạo nên bề mặt không đồng đều, thô và xốp. Nhiệt độ nung
tăng làm tăng kết dính của các hạt HA. Tại 900 0C, bề mặt mẫu

12


không còn những đám hạt kết tụ rời rạc và các hạt HA kết tinh với
một hình thái khác biệt hoàn toàn so với các mẫu ở nhiệt độ nung
khác. Hình 3.10 có thể quan sát thấy một cấu trúc 2 lớp được hình
thành trên bề mặt nền Ti bao gồm: lớp TiO2 ở trong và lớp HA ở
ngoài và được chứng minh bằng kết quả phân tích EDS như trên
bảng 3.3.

Hình 3.10. Ảnh SEM trên mặt cắt ngang của mẫu.

Bảng 3.3. Thành phần hóa học của lớp phủ
% nguyên tố
Vị trí

C

O

Ca

P

Ti

¤1

12,13

43,3

25,53

15,91

3,13

¤2

6,86

34,69

0,18

0,01

58,26

Hình thái học bề mặt của các lớp phủ HA chế tạo ở nhiệt độ
nung 900 0C với thời gian nung thay đổi từ 1 giờ đến 8 giờ thể hiện
trên hình 3.12 cho thấy khi thời gian nung tăng lên, sự nóng chảy và
sự dính kết của các hạt HA tăng lên. Tuy nhiên, trên bề mặt các mẫu

13


xuất hiện các vết nứt và kích thước của các vết nứt lớn xảy ra tại mẫu
nung trong 6 giờ và 8 giờ.

Hình 3.12. Ảnh vi nứt trên bề mặt của các lớp phủ HA theo thời
gian nung
b. Ảnh hưởng của chế độ nung đến thành phần pha của lớp phủ

Hình 3.13.Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu HA theo nhiệt độ nung
14


Hình 3.14. Giản đồ nhiễu xạ tia X của lớp HA với sự thay đổi
thời gian nung
Như vậy, nhiệt độ nung ảnh hưởng lớn đến sự tạo thành pha HA
và sự ôxy hóa nền titan. Khi tăng nhiệt độ nung đến 900 0C thì cường
độ các pic HA là lớn nhất. Trong khi, kéo dài thời gian nung sẽ làm
cho cường độ pic của TiO2 tăng lên.
c. Ảnh hưởng của chế độ nung đến độ bền bám dính của lớp phủ

Hình 3.15. Độ bền bám dính của các lớp HA với nhiệt độ nung
thay đổi

15


Hình 3.16. Độ bền bám dính của các lớp HA với thời gian
nung thay đổi
Các mẫu được đo độ bền bám dính bằng phương pháp kéo đứt
(pull-out) theo tiêu chuẩn ASTM F1044-99. Hình 3.15 chỉ ra rằng,
lực bám dính của lớp phủ tăng lên rõ rệt theo nhiệt độ nung. Tại
nhiệt độ nung 900 0 C và thời gian nung 4 giờ, lớp phủ HA có độ bền
bám dính cao nhất.
d. Ảnh hưởng của chế độ nung đến khả năng chống ăn mòn

Hình 3.17. Đường cong phân cực anốt của HA/Ti trong dung
dịch Ringer
16


Hình 3.18. Đường cong phân cực anốt của HA/Ti trong dung
dịch Ringer
Bảng 3.4. Thông số điện hóa của các mẫu với nhiệt độ nung thay đổi
icorr(µA/cm2)

Ecorr(mV)

Ti pure

9,84

319

Ti-HA 500 0C

3,93

304

Ti-HA 600 0C

3,09

288

Ti-HA 700 C

2,39

382

Ti-HA 800 0C

2,25

402

Kí hiệu mẫu

0

Ti-HA 900 0C
1,09

445
Bảng 3.5. Thông số điện hóa của các mẫu với thời gian nung thay đổi
icorr(µA/cm2)

Ecorr(mV)/ SHE

HA 1h

3,93

390

HA 2h

2,27

405

HA 4h

1,09

445

HA 6h

5,35

407

Kí hiệu mẫu

17


HA 8h

6,02

365

Như vậy, lớp phủ HA đã giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn
của vật liệu HA/Ti đáng kể, trong đó các mẫu nung ở khoảng nhiệt
độ 900 0C và thời gian nung là 4 giờ có khả năng chống ăn mòn tốt
nhất.
3.1.3. Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính của lớp phủ HA
3.1.3.1. Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính của lớp phủ HA bằng
cách tạo lớp TiO2 trung gian

Hình 3.26. Độ bền bám dính của lớp phủ HA trên nền titan sau
khi đã anốt hóa
Lớp phủ HA trên mẫu anốt hóa với điện thế 40 V có lực bám
dính cao nhất, gấp hơn 2 lần so với lớp phủ khi không xử lí anốt hóa
và đạt giá trị tới 17,84 MPa.
3.1.3.2. Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính bằng nền titan xốp
Độ bám dính của lớp phủ HA trên titan xốp được đạt được giá
trị là 28,5 MPa. Như vậy, độ bền bám dính của lớp phủ HA trên nền
titan xốp tăng đến hơn 3 lần so với titan thường khi chưa xử lí bề mặt
và tăng đến 1,6 lần khi phủ lên nền titan sau khi đã được anốt hóa.
18

3.1.3.3. Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính bằng lớp FHA
So với lớp phủ HA thì các lớp phủ FHA có độ bám dính tăng lên rõ
rệt. Trong đó lớp phủ FHA1 có độ bám dính tốt nhất với lực bám dính
15,72 MPa.
3.2. Đánh giá khả năng tương thích sinh học của vật liệu
3.2.1. Nghiên cứu in-vitro
3.2.1.1. Nghiên cứu sự hình thành màng apatit trong thử nghiệm invitro
Phổ tổng trở Nyquits của các mẫu theo thời gian ngâm đều có
dạng 2 cung bán nguyệt chưa hoàn chỉnh ( hình 3.38). Trong đó, một
cung bán nguyệt thứ nhất với đường kính nhỏ và một cung bán
nguyệt thứ 2 có đường kính tăng theo thời gian ngâm mẫu. Sự hình
thành lớp apatit mới trên bề mặt lớp phủ theo thời gian ngâm mẫu
được xác nhận bằng ảnh SEM (hình 3.43) và phân tích EDS. Sau 21
ngày, những hạt nhỏ li ti dày đặc được kết tinh trên bề mặt lớp phủ.

Hình 3.38. Phổ tổng trở Nyquits của vật liệu phủ HA trong dung
19


dịch SBF theo thời gian.

Hình 3.43. Ảnh SEM các của các HA mẫu trước và sau khi thử
nghiệm in-vitro
3.2.1.2. Sự thay đổi thành phần dung dịch SBF sau thử nghiệm invitro
Bảng 3.10. Sự thay đổi thành phần dung dịch SBF trước và sau thử
nghiệm in-vitro sau 21 ngày ngâm mẫu
STT

Chỉ tiêu

SBF (mg/L)

SBF/HA

SBF/FHA

(mg/L)

(mg/L)

1

Ca

49,5000

39,9000

38,6000

2

Cd

<0,0002

<0,0002

<0,0002

3

Pb

0,0110

0,0020

0,0050

4

As

0,0030

<0,0010

<0,0010

5

Hg

0,0004

0,0002

<0,0002

6

Fe

0,1200

0,1650

0,1700

7

Ti

0,0130

0,0130

0,0130

8

PO4

25,0900

20,2500

23,5000

20


Như vậy, sau thử nghiệm in-vitro 21 ngày, trong cả hai trường
hợp phủ HA và FHA đều thể hiện khả năng tương thích sinh học tốt.
3.2.1.3.Sự hao hụt khối lượng sau khi thử nghiệm in-vitro
Bảng 3.11. Sự hao hụt khối lượng sau khi thử nghiệm in-vitro
STT

Mẫu

mtr(g)

ms(g)

Δm=mtr- ms

Tốc độ hòa

(g)

tan (g/ngày)

2

HA

1,6695

1,6693

2.10-4

0,95.10-3

3

FHA

1,6993

1,6992

1.10-4

0,47. 10-3

Sự hao hụt khối lượng của các mẫu sau khi thử nghiệm không
đáng kể.
3.2.2. Nghiên cứu in vivo
3.2.2.1. Đánh giá tình trạng tại chỗ vết mổ
Sau phẫu thuật, toàn bộ 6 cá thể thỏ đều tỉnh táo, tỷ lệ sống sót
là 100%. Không có hiện tượng chảy máu, chảy dịch từ vết mổ. Mép
vết mổ khít, tổ chức dưới da không bị căng phồng, tràn dịch, tràn khí.
3.2.2.2. Các chỉ số huyết học trước và sau phẫu thuật
Các tế bào ở máu ngoại vi hoàn toàn bình thường ở thời điểm sau
phẫu thuật 1 tháng.
3.2.2.3. Đánh giá hình ảnh đại thể vị trí ghép trên thỏ sau cấy ghép vật

liệu kết xương
Sau 3 tháng, vùng thân xương mật độ các tế bào xương phát triển,
cốt bào vây quanh các lá xương. Vùng quanh chỗ tiếp xúc có sự xuất
hiện của rất nhiều cốt bào, hình thành tế bào quanh vị trí cấy ghép.
Với mẫu không phủ HA thì ở khoảng giữa của nẹp vít và ốc vít chưa
có sự hiện diện của lớp tế bào xương mới. Trong khi đó với mẫu phủ
21


lớp HA, đã có sự xuất hiện của lớp xương mới ở khoảng giữa của
nẹp và ốc vít và lớp xương mới mọc lên có chiều dày đến 115 µm.

Hình 3.50. Ảnh hiển vi quang học qua mặt cắt ngang của các
mẫu nẹp vít sau 3 tháng thử nghiệm vivo
KẾT LUẬN
1. Bằng phương pháp sol-gel sử dụng tiền chất H3PO4, lớp phủ HA
trên nền titan đã được nghiên cứu chế tạo và ảnh hưởng của các
thông số công nghệ đến tính chất của lớp phủ cũng đã được đánh
giá. Một quy trình chế tạo lớp phủ HA và FHA trên nền titan có
khả năng tương thích sinh học cao đã được đề xuất với các thông
số cơ bản như sau: pH của sol bằng 7, số lớp quét là 5 lớp, nhiệt
độ nung 900 0C, thời gian nung 4 giờ.
2. Độ bền bám dính của lớp phủ HA đã được tiến hành nghiên cứu
cải thiện bằng cách xử lý bề mặt nền titan và sử dụng titan xốp.
Với nền titan được xử lý anốt hóa điện hóa tạo lớp phủ TiO2 trung
gian, độ bền bám dính của lớp phủ HA tăng đến 2 lần trong khi
với nền titan xốp độ bền bám dính của lớp phủ tăng đến 3 lần.
3. Một kỹ thuật khác để cải thiện tính chất của lớp phủ HA bằng
cách thay đổi thành phần hóa học tạo ra lớp phủ FHA cũng đã
được nghiên cứu sử dụng. Kết quả chỉ ra độ bền bám dính của lớp

22


phủ FHA tăng gần 2 lần so với lớp phủ HA trong khi vẫn đảm
bảo được độ ổn định hóa học và khả năng tương thích sinh học
cao.
4. Trong các thử nghiệm đánh giá khả năng tương thích sinh học,
các thử nghiệm in-vitro cho thấy lớp phủ HA có khả năng chống
ăn mòn và khả năng tương thích sinh học tốt trong môi trường
dịch giả cơ thể người SBF trong khi các thử nghiệm in-vivo cho
thấy, lớp phủ HA kích thích sự mọc xương và không gây ra viêm
nhiễm hoặc xơ hóa mô cơ và mô xương.
5. Các nghiên cứu và thử nghiệm cho thấy lớp phủ HA được chế tạo
bằng phương pháp sol-gel có khả năng tương thích sinh học cao
và mở ra khả năng phát triển để áp dụng thực tiễn trong kỹ thuật
chỉnh hình tại Việt Nam.
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN







Về khoa học:
Mối quan hệ của các thông số công nghệ và tính năng của vật
liệu đã được nghiên cứu tỷ mỉ, từ đó làm sáng tỏ các kết quả
nghiên cứu và đưa ra quy trình chế tạo HA và FHA với các
thông số cơ bản.
Đã nghiên cứu nâng cao chất lượng lớp phủ bằng cách chế tạo

lớp phủ TiO2 trung gian, Ti xốp và lớp FHA.
Thử nghiệm in-vivo, in-vitro có kết quả tốt là bước đầu thuận
lợi cho việc nghiên cứu ứng dụng thực tiễn sau này.
Về mặt ứng dụng:
Đã xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ HA,
FHA bằng phương pháp sol-gel trên nền titan có khả năng tương
thích sinh học cao bằng các thử nghiệm in-vitro và in-vivo.

23


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1.Ngo Thi Anh Tuyet, Nguyen Ngoc Phong, Pham Thy San, Doan
Dinh Phuong. Study on anodization process of titanium substrate for
improvement of biocompatible hydroxyapatite coating properties,
Tạp chí Khoa học và công nghệ 53,1A, 2015, 1-9
2.Ngo Thi Anh Tuyet, Nguyen Ngoc Phong, Pham Thy San, Do Chi
Linh, Fabrication and characterization of biocompatible
hydroxyapatite (HA) coating on Titanium substrate by sol-gel
method. Tạp chí Hóa học ISSN 0866-714, Tập 55, số 5e12, 2017,
410-414.
3.Ngo Thi Anh Tuyet, Nguyen Ngoc Phong, Pham Thy San, Do Chi
Linh. Characterization of fluoridated hydroxyapatite (FHA) sol-gel
coating on titanium substrate. Tạp chí Khoa học và công nghệ 55,
5B, 2017, 40-46.
4.Ngo Thi Anh Tuyet, Tran Viet Quan, Nguyen Ngoc Phong, Do
Chi Linh. Preparation of biocompatible Hydroxyapatite (HA) coating
on Titanium substrate by Sol-gel method, proceeding of The 7th
International Workshop on advanced materials science and
nanotechnology 2014.

5.Ngo Thi Anh Tuyet, Doan Dinh Phuong, Nguyen Van Luan,
Nguyen Ngoc Phong, Pham Thy San. Evaluation of biocompatible of
Hydroxyapatite Coatings on Porous Titanium substrate prepared by
Sol-Gel method. Proceeding of The 5th Asian materials data
symposium, 2016, 205-215

24