Luận văn thạc sĩ khoa học: Tổng hợp và những đặc trưng hóa lý vật liệu tổ hợp Pla NANOHAp, định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

VŨ THỊ MY

TỔNG HỢP VÀ NHỮNG ĐẶC TRƢNG HÓA LÝ
VẬT LIỆU TỔ HỢP PLA/NANOHAp, ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG
CẤY GHÉP XƢƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

VŨ THỊ MY

TỔNG HỢP VÀ NHỮNG ĐẶC TRƢNG HÓA LÝ
VẬT LIỆU TỔ HỢP PLA/NANOHAp, ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG
CẤY GHÉP XƢƠNG

Chuyên ngành: Hóa lý và Hóa lý thuyết
Mã số: 60440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. ĐINH THỊ MAI THANH

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Trường Đại học Khoa học tự nhiên –
Đại học Quốc gia Hà Nội, các thầy cô Viện kỹ thuật Nhiệt đới – Viện Khoa học và
Công nghệ Việt Nam đã giảng dạy, cung cấp kiến thức khoa học, tạo điều kiện cho
tôi học tập và nghiên cứu trong thời gian qua. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các
anh, chị và các bạn thuộc phòng Ăn mòn và bảo vệ kim loại – Viện Kỹ thuật nhiệt
đới đã tạo điều kiện về cơ sở, trang thiết bị phòng thí nghiệm và hỗ trợ về công
nghệ, kỹ thuật thực nghiệm cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Đinh Thị Mai Thanh –
Viện Kỹ thuật nhiệt đới, người đã không những hướng dẫn khoa học mà còn tận
tình dạy bảo, truyền cho tôi niềm đam mê, sự nghiên túc trong công việc nghiên cứu
khoa học và trong cuộc sống.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS. Hồ Thu Hương, ThS. Nguyễn Thu
Phương, NCS. Phạm Thị Năm và các bạn học viên cao học, các bạn sinh viên đã
giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện về vật
chất, tinh thần và luôn động viên, khuyến khích tôi trong trong thời gian học tập và
thực hiện luận văn này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội,Ngày 16 tháng 12 năm 2013
Học viên

Vũ Thị My

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU..................................................................................................

1

1. Lý do chọn đề tài..................................................................................

1

2. Mục đích nghiên cứu............................................................................

2

3. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................

2

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN..................................................................

4

1.1. Hydroxyapatit..................................................................................

4

1.1.1. Tính chất vật lý......................................................................

4

1.1.2. Tính chất hóa học...................................................................

5

1.1.3. Tính chất sinh học..................................................................

7

1.1.4. Các phương pháp tổng hợp HAp............................................

8

1.1.5. Ứng dụng của HAp...............................................................

9

1.1.6. Hydroxyapatit biến tính (HAp-bt)…………………………

10

1.2. Polyaxit lactic (PLA)………………………………………...........

11

1.2.1. Tính chất……………………………………………………

11

1.2.2. Phương pháp tổng hợp...........................................................

13

1.2.3. Ứng dụng………………………………………………........

14

1.3. Vật liệu compozit trên cơ sở PLA..................................................

14

1.3.1. Vật liệu compozit………………………………………….

14

1.3.2. Các phương pháp tổng hợp....................................................

17

1.3.3. Ứng dụng……………………………………………………

19

1.4. Hoạt tính sinh học của compozit PLA/nanoHAp…………….....

20

CHƢƠNG 2: ĐIỀU KIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.

23

2.1. Hóa chất và điều kiện thực nghiệm ..............................................

23


2.1.1. Hóa chất..................................................................................

23

2.1.2. Tổng hợp HAp và HAp – bt...................................................

23

2.1.3. Tổng hợp nanocompozit PLA/HAp và PLA/HAp–bt............

25

2.1.4. Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người
(SBF)........................................................................................................

26

2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu........................................................

28

2.2.1. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR)………………………….

28

2.2.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (EM)……………...

28

2.2.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X………………………………...

29

2.2.4. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA…………………………...

29

2.2.5. Đo độ bền kéo, modun đàn hồi……………………………..

30

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………........

31

3.1. Biến tính HAp bằng axit lactic……………………………….......

31

3.1.1.

Ảnh hưởng của tỉ lệ HAp/LA…………………………….

31

3.1.2.

Ảnh hưởng của thời gian phản ứng………………………

35

3.1.3.

Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng……………………….

38

3.1.4.

Ảnh hưởng của tốc độ khuấy……………………………..

39

3.1.5.

Ảnh hưởng của chất xúc tác SnCl2……………………….

42

3.2. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất vật liệu nanocompozit
PLA/HAp bằng phƣơng pháp dung dịch…………………………….

44

3.2.1. Ảnh hưởng của dung môi……………………………………

44

3.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ PLA:HAp……………………………..

45

3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng………………………….

48

3.2.4. Ảnh hưởng của chất tương hợp……………………………...

50

3.2.5. Vật liệu nanocompozit PLA/HAp-bt………………………..

53

3.3. Tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp bằng phƣơng pháp


nhũ tƣơng in situ……………………………………………………….

55

3.3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ HAp và PLA………………………….

55

3.3.2. Ảnh hưởng của dung môi…………………………………...

58

3.3.3. Ảnh hưởng của tốc độ nhỏ giọt (thời gian phản ứng)………

59

3.3.4. Ảnh hưởng của chất nhũ hoá………………………………..

61

3.4. Thử nghiệm khả năng tƣơng thích sinh học của vật liệu PLA
và nanocompozit PLA/HAp trong môi trƣờng dung dịch mô phỏng
dịch cơ thể ngƣời SBF…………………………………………………

64

3.4.1. Sự biến đổi pH của dung dịch ngâm và khối lượng mẫu…...

64

3.4.2. Hình thái bề mặt của vật liệu sau khi ngâm trong dung dịch
SBF…………………….…………………….………………………….

66

3.4.3. Thành phần pha của mẫu D trước và sau khi ngâm trong
SBF…………………….…………………….………………………….

68

KẾT LUẬN……………………………………………………………..

70

TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………

71


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 2.1:

Thành phần của 1lít dung dịch SBF …………………..............

27

Bảng 3.1:

Trị số các dao động liên kết của các nhóm chức trong phân tử
HAp, LA và HAp biến tính……………………………………

32

Kích thước trung bình của HAp và HAp biến tính tổng hợp ở
tỷ lệ khác nhau…………………………………………………

33

Bảng 3.3:

Mất khối lượng (%) của các mẫu biến tính ở 800oC……..........

34

Bảng 3.4:

Kích thước tinh thể của HAp và HAp biến tính ở thời gian

Bảng 3.2:

Bảng 3.5:

Bảng 3.6:

phản ứng khác nhau…………………........................................

37

Kích thước trung bình của HAp biến tính ở nhiệt độ khác
nhau…………………………………………………………….

39

Kích thước trung bình của HAp biến tính với tốc độ khuấy
khác nhau ………………….......................................................

Bảng 3.7:

Bảng 3.8:

Bảng 3.9.

42

Trị số các dao động liên kết của các nhóm chức bị dịch chuyển
trong HAp, PLA và vật liệu PLA/HAp………………………..

46

Tần số một số nhóm liên kết đặc trưng trong PLA/HAp và
PLA/HAp/PEO……………………...........................................

62

Giá trị 2θ của HAp, PLA và PLA/HAp trước và sau 21 ngày
ngâm trong dung dịch SBF…………………………………….

69


DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1:

Cấu trúc của HAp……………………………………………...

4

Hình 1.2:

Một số hình dạng khác nhau của HAp…………………………

5

Hình 1.3:

Công thức cấu tạo của phân tử HAp…………………………...

6

Hình 1.4:

Hai dạng cấu hình của axit lactic………………………………

12

Hình 1.5:

Hình ảnh liên kết của HAp và PLA (nét đứt)………………….

16

Hình 1.6:

Ảnh EM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/nano - HAp
với các độ phóng đại khác nhau……………………………….

Hình 1.7:

17

Ảnh EM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/HAp sau 7
ngày ngâm trong SBF………………………………………….

21

Hình 1.8:

Phổ tán xạ của PLLA/HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF……..

21

Hình 2.1:

Sơ đồ quy trình tổng hợp HAp bằng phương pháp kết tủa.........

24

Hình 2.2:

Sơ đồ tổng hợp compozit PLA/ nano HAp (HAp-bt) bằng

Hình 3.1:

phương pháp dung dịch……………………………..................

26

Phổ IR của HAp, LA và các mẫu biến tính tỷ lệ HAp:LA khác

32

nhau.............................................................................................
Hình 3.2:

Ảnh EM của HAp và HAp biến tính........................................

Hình 3.3:

Giản đồ TGA của các mẫu biến tính với tỉ lệ HAp:LA khác
nhau............................................................................................

Hình 3.4:

33

34

Phổ X-ray của HAp và HAp biến tính với tỉ lệ HAp:LA:
100/200.......................................................................................

35

Hình 3.5:

Phổ IR của các HAp mẫu biến tính với thời gian khác nhau.. ...

36

Hình 3.6:

Giản đồ TGA của các mẫu biến tính với thời gian khác nhau....

37

Hình 3.7:

Ảnh EM của HAp và HAp biến tính ở những thời gian phản
ứng khác nhau.............................................................................

37

Hình 3.8:

Phổ IR của các mẫu HAp biến tính ở nhiệt độ khác nhau..........

38

Hình 3.9:

Hình ảnh EM của các mẫu HAp biến tính ở nhiệt độ khác
nhau...... ......................................................................................

39


Hình 3.10:

Phổ IR của các mẫu HAp biến tính ở các tốc độ khuấy khác
nhau..... .......................................................................................

Hình 3.11:

Giản đồ TGA của các mẫu biến tính tại các tốc độ khuấy khác
nhau. ...........................................................................................

Hình 3.12:

40

41

Hình ảnh EM của mẫu HAp biến tính ở các tốc độ khuấy khác
nhau....................................................................................

41

Hình 3.13:

Phổ IR của mẫu HAp biến tính có và không có SnCl2...............

42

Hình 3.14:

Giản đồ TGA của HAp, HAp biến tính có và không có SnCl2..

43

Hình 3.15:

Hình ảnh EM của mẫu HAp biến tính không có xúc tác (a) và
HAp biến tính có xúc tác SnCl2 (b)............................................

Hình 3.16:

Ảnh EM của nanocompozit PLA/HAp ở tỷ lệ 80/20 trong các
dung

môi:

a)

Cloroform;

b)

Điclorometan;

c)

Đimetylformamide......................................................................
Hình 3.17:

43

44

Đồ thị độ bền kéo và modun đàn hồi của vật liệu
nanocompozit PLA/HAp tổng hợp bằng các dung môi khác
nhau.. .........................................................................................

Hình 3.18:

Phổ IR của HAp, PLA và các compozit tổng hợp ở tỉ lệ
HAp/PLA khác nhau trong DCM...............................................

Hình 3.19:

Hình 3.21:

46

Ảnh EM của nanocompozit PLA/HAp tổng hợp ở các tỷ lệ
khác nhau........... ........................................................................

Hình 3.20:

45

47

Đồ thị biểu diễn độ bền kéo và modun đàn hồi của các mẫu
nanocompozit tổng hợp ở các tỷ lệ khác nhau............................

48

Phổ IR của mẫu tổng hợp trong thời gian phản ứng khác

49

nhau.......... ..................................................................................
Hình 3.22:

Hình ảnh EM của nanocompozit PLA/HAp với thời gian phản
ứng khác nhau: a) 30 phút; b) 2 giờ; c) 4 giờ....................

Hình 3.23:

Ảnh EM của các mẫu vật liệu với các chất tương hợp không
có chất ổn định (a); PCL (b) và PEG (c)……………................

Hình 3.24:

50

Đồ thị biểu diễn độ bền kéo của các mẫu vật liệu với các chất

51


tương hợp khác nhau..................................................................
Hình 3.25:

Độ bền kéo của vật liệu nanocompozit PLA/HAp với hàm
lượng PEG khác nhau.................................................................

Hình 3.26:

54

Đồ thị biểu diễn độ bền kéo của mẫu PLA/HAp: 80/20,
PLA/HAp- bt: 70/30 và PLA/HAp – bt: 60/40...........................

Hình 3.29:

54

Ảnh EM của mẫu PLA/HAp: 80/20 (a), PLA/HAp – bt: 70/30
(b)và PLA/HAp – bt: 60/40 (c).........................................

Hình 3.28:

52

Phổ IR của mẫu PLA/nano HAp – bt với các tỷ lệ khác
nhau............................................................................................

Hình 3.27:

52

55

Phổ hồng ngoại của HAp, PLA và vật liệu nanocompozit
PLA/HAp tổng hợp các tỷ lệ khác nhau.……………………....

56

Hình 3.30: Ảnh EM của vật liệu nanocompozit tổng hợp ở các tỷ lệ
PLA:HAp khác nhau 80/20(a); 70/30 (b), 60/40 (c) và 50/50 (d)
Hình 3.31:

Đồ thị biểu diễn modun đàn hồi và độ bền kéo của vật liệu ở
tỷ lệ PLA:HAp khác nhau...........................................................

Hình 3.32:

59

Phổ hồng ngoại cuả các mẫu PLA/nano HAp tổng hợp ở tốc
độ nhỏ giọt khác nhau………………………………………….

Hình 3.34:

57

Ảnh EM của vật liệu nanocompozit PLA/HAp: 80/20 tổng
hợp trong các dung môi DCM (a,b); clorofom (c,d)..................

Hình 3.33:

57

60

Ảnh EM của vật liệu nanocompozit PLA/HAp :80/20 tổng

hợp ở tốc độ nhỏ giọt (NH4)2HPO4 khác nhau: (a) 3ml/phút;
(b) 5ml/phút; (c) 10ml/phút........................................................

Hình 3.35:

Phổ hồng ngoại cuả các mẫu PLA/nanoHAp với hàm lượng
PEO khác nhau...........................................................................

Hình 3.36:

62

Đồ thị biểu diễn modun đàn hồi và độ bền kéo của vật liệu ở
tỷ lệ PEO khác nhau...................................................................

Hình 3.38:

61

Ảnh EM của vật liệu nanocompozit PLA/HAp (80/20) với
hàm lượng PEO 2,5%(a), 5%(b), 10%(c), 20%(d).....................

Hình 3.37:

60

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

63

mẫu A, B, C, D...........................................................................
Hình 3.39:

65

Sự biến thiên khối lượng của các mẫu khi ngâm trong dung
dịch SBF theo thời gian..............................................................

65

Hình 3.40:

Ảnh EM của mẫu A khi ngâm trong SBF theo thời gian.........

66

Hình 3.41:

Ảnh EM của mẫu B khi ngâm trong SBF theo thời gian.........

67

Hình 3.42:

Ảnh EM của mẫu C khi ngâm trong SBF theo thời gian.........

67

Hình 3.43:

Ảnh EM của mẫu D khi ngâm trong SBF theo thời gian.........

68

Hình 3.44.

Giản đồ nhiễu xạ của PLA, PLA/HAp tổng hợp bằng phương
pháp nhũ tương trước khi ngâm, sau 21 ngày ngâm trong SBF
và HAp...............................................................................

68


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CS

Chitosan

DCM
DMF

Điclorometan
Đimethyl formamide

HAp
HAp-bt
HIMPA

Hydroxyapatit
Hydroxyapatit biến tính
2-hydroxyethyl iminobis methylphosphonic

IR
KLPT

Phổ hồng ngoại
Khối lượng phân tử

LA

Axit lactic

n-HAp
PCL

Nano hydroxyapatit
Poly caprolacton

PE
PEG

Poly etylen
Poly etylen glycon

PEO
PLA
PP
ROP

Poly etylen oxit
Poly axit latic
Poly propylen
Trùng hợp mở vòng

SBF
EM
TTÔI
TGA
THF

Dịch cơ thể người
Kính hiển vi điện tử quét
Hiển vi điện tử truyền qua
Phương pháp phân tích nhiệt
Tetrahydrofuran


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề
Hiện nay, nghành phẫu thuật chấn thương và chỉnh hình có nhiều loại vật liệu
khác nhau được dùng làm nẹp vít cố định xương trong quá trình thay thế và hàn gắn
xương như: Thép không gỉ 316L, hợp kim của Coban (CoNiCrMo), titan kim loại
và hợp chất của titan (Ti6A14V, TiN, TiO2). Những vật liệu này nhìn chung có độ
bền cơ lý hóa và khả năng tương thích cao với môi trường dịch cơ thể người. Tuy
nhiên trong một số trường hợp cấy ghép cụ thể những vật liệu bằng kim loại hoặc
hợp kim vẫn ít nhiều bị ăn mòn dẫn đến các phản ứng đào thải làm giảm tuổi thọ
của vật liệu và gây ra những khó chịu nhất định cho bệnh nhân.
Để nâng cao tính tương đồng sinh học giữa các mô của cơ thể người với bề

mặt vật liệu và đáp ứng các yêu cầu cơ bản của vật liệu sử dụng trong lĩnh vực cấy
ghép xương, nhiều công trình đã nghiên cứu tổng hợp các composit của nano HAp
trên nền các polime phân hủy sinh học nhằm tạo ra các sản phẩm y sinh có chất
lượng và phù hợp với nhu cầu con người.
PLA là một polyme nhiệt dẻo đa năng nên được ứng dụng ngày càng nhiều
trong các lĩnh vực kỹ thuật nhờ có độ cứng lớn, có khả năng tương hợp sinh học và
phân hủy sinh học. Do độ bền kéo khá cao và tỷ trọng khá nhẹ so với kim loại nên
PLA được dùng làm vỏ bọc của viên thuốc, nẹp đỡ trong phẫu thuật chỉnh hình, chỉ
khâu vết thương…trong y tế. Sau thời gian sử dụng nhất định trong cơ thể con
người, chúng phân hủy mà không gây độc hại trong cơ thể. [28]
Tuy nhiên một số nhược điểm như giòn, độ dãn dài khi đứt thấp, dễ bị thủy
phân, quy trình điều chế phức tạp và giá thành cao đã hạn chế khả năng sử dụng của
nó. Để khắc phục được các nhược điểm này, PLA đã được trộn hợp với các polyme
khác hay với các chất độn bằng nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra các polyme
blend và compozit có tính chất như mong muốn, đáp ứng yêu cầu sử dụng [1].
Hydroxyapatit (HAp) có công thức hóa học là Ca10(PO4)6(OH)2. Trong tự
nhiên HAp tồn tại ở dạng khoáng chất, thuộc họ apatit và là khoáng chất chính


trong khung xương, răng của người và động vật. HAp có nhiều ứng dụng trong y
sinh học do đặc tính quý giá của chúng: Có hoạt tính và độ tương thích sinh học cao
với các tế bào, các mô, không bị cơ thể đào thải [35]. Tuy nhiên, nhược điểm của
HAp là có độ bền cơ học thấp. Để khắc phục nhược điểm và tận dụng ưu điểm của
HAp, các nghiên cứu đã chế tạo một tổ hợp compozit bằng cách phân tán bột HAp
vào các polyme sinh học như collagen, chitosan, xenluloza, PLA…trong đó PLA là
một polyme được lựa chọn bởi những ưu điểm vốn có của nó..
Vật liệu nanocompozit PLA/HAp đã được tổng hợp và nghiên cứu tính chất ở
ngoài nước[24,61,70]. Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu sử dụng các chất
phụ gia như chất hóa dẻo, chất tương hợp để tăng cường tuơng tác và phân tán nano
HAp vào PLA, nâng cao tính chất cơ lý nhằm đáp ứng được yêu cầu của vật liệu

trong lĩnh vực cấy ghép xương. Chính vì vậy, luận văn “Tổng hợp và những đặc
trưng hóa lý vật liệu tổ hợp PLA/nanoHAp, định hướng ứng dụng trong cấy ghép
xương” được thực hiện với mong muốn đưa ra điều kiện thích hợp để tổng hợp vật
liệu PLA/nanoHAp bằng phương pháp dung dịch và nhũ tương..
2. Mục đích nghiên cứu
Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố như tỷ lệ PLA:HAp, thời gian phản
ứng, tốc độ khuấy, nhiệt độ phản ứng, chất tương hợp, chất ổn đinh và xúc tác đến
đặc trưng, tính chất của vật liệu nanocompozit PLA/HAp được tổng hợp bằng hai
phương pháp dung dịch và nhũ tương. Thử nghiệm các vật liệu tổng hợp được trong
môi trường dung dịch cơ thể người SBF để đánh giá khả năng tương thích sinh học
của vật liệu.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
3.1. Các phương pháp tổng hợp
Tổng hợp nanocompozit PLA/HAp bằng phương pháp dung dịch và nhũ tương
được thực hiện trong phòng thí nghiệm của Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam


3.2. Các phương pháp phân tích
- Phổ hồng ngoại IR được thực hiện trong dải bước sóng 400 – 4000 cm-1 trên
máy FT – IR 6700 của hãng Nicolet tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc Viện Hàn
Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam nhằm xác định các nhóm chức đặc trưng
của PLA, HAp và vật liệu PLA/HAp.
- Phương pháp phân tích hình thái bằng kính hiển vi điện tử quét: xác định
hình thái của vật liệu tổng hợp trên thiết bị EM S4800 của hãng Hitachi tại Viện Vệ
sinh Dịch tễ Trung ương.
- Phương pháp nhiễu xạ tia X để xác định cấu trúc pha của HAp biến tính, vật
liệu PLA/HAp được thực hiện trên máy nhiễu xạ Sitôiens D5005 Bruker – Germany
của Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
- Phân tích nhiệt TGA để xác định hàm lượng LA ghép lên HAp, thực hiện

trên máy DTG-60H tại bộ môn Hóa lý thuyết và Hóa lý, khoa Hóa học, trường Đại
học Sư phạm Hà Nội.
- Độ bền kéo và modun đà hồi của vật liệu PLA/HAp được thực hiện trên máy
Instron 1121 tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam.


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Hydroxyapatit (HAp)
1.1.1. Tính chất vật lý
Hydroxyapatit (HAp) với công thức Ca10(PO4)6(OH)2 tồn tại ở trạng thái tinh
thể, có màu trắng, trắng ngà, vàng, nâu hoặc xanh lơ... [67], nóng chảy ở nhiệt độ
1760oC và sôi ở nhiệt độ 2850 oC. Ở 25oC, khả năng hoà tan trong 100g nước của
HAp là 7g (0,7g/l), trọng lượng phân tử là 1004,6 và trọng lượng riêng là
3,156g/ml, độ cứng theo thang Mohs bằng 5.
Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HAp bao gồm các ion Ca 2+, PO43- và OH-.
Ô mạng này có dạng hình lục phương (hecxagonal), thuộc nhóm không gian P63/m
với các hằng số mạng a = 0,9417 nm, b = 0,9417 nm, c = 0,6875 nm, α = β = 90 o và
γ = 120o [43]. Đây là cấu trúc thường gặp của HAp nhân tạo và HAp tự nhiên trong
xương và răng [53].

Hình 1.1. Cấu trúc của HAp


Tuỳ theo các phương pháp tổng hợp khác nhau (như phương pháp kết tủa,
phương pháp sol-gel, phương pháp siêu âm hoá học...) cũng như các điều kiện khác
nhau trong quá trình tổng hợp (như thay đổi nhiệt độ phản ứng, pH, tốc độ nạp liệu,
thời gian già hoá sản phẩm...) mà các tinh thể HAp tồn tại ở các hình dạng khác
nhau như hình que, hình kim, hình sợi, hình vảy, hình trụ hoặc hình cầu [30, 56].
Các dạng tồn tại của tinh thể HAp có thể nhận biết và nghiên cứu bằng phương

pháp kính hiển vi điện tử quét EM Hình 1.2) [4].

a) Hình vảy

b) Hình cầu

c) Hình sợi

d) Hình que

e) Hình trụ

g) Hình kim

Hình 1.2. Một số hình dạng khác nhau của HAp
1.1.2. Tính chất hóa học
Công thức cấu tạo của phân tử HAp được thể hiện như trong 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 nguyên tử P ở hai đầu mạch.


Hình 1.3. Công thức cấu tạo của phân tử HAp [25]
Về mặt hoá học, HAp có một số tính chất sau đây:
-

HAp không phản ứng với kiềm, phản ứng với axit tạo thành các muối canxi

và nước:
Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl → 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O
-

(1.1)

HAp tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm trong khoảng nhiệt độ từ 800oC

đến 1200oC tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng:
Ca10(PO4)6(OH)2 → Ca10-x(PO4)6(OH)2-4xOx + 2xH2O + xCaO ( 1.2)
-

Ở nhiệt độ lớn hơn 1200oC, HAp bị phân huỷ thành các chất khác trong

nhóm canxi photphat tuỳ theo điều kiện. Ví dụ tạo thành β-Ca3(PO4)2 hay tetra
canxi photphat Ca4P2O9 như các phương trình sau:

-

Ca10(PO4)6(OH)2 → 2β-Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + 2H2O

(1.3)

Ca10(PO4)6(OH)2 → 3β-Ca3(PO4)2 + CaO + H2O

(1.4)

Không có tính bền cơ lý đủ để thay thế, cấy ghép hoàn toàn cho những vùng

xương chịu tải nặng của cơ thể.
HAp thường được sử dụng ở dạng bột hoặc biến thể của bột. Bột HAp rất khó
nung kết khối do khi nung dễ bị phân huỷ biến đổi thành phần. Nguyên nhân là do
HAp bị phân huỷ tạo thành các sản phẩm khác trong hệ CaO-P2O5. Để sản xuất khối

HAp thành sản phẩm thương mại đòi hỏi phải nung kết ở nhiệt độ khoảng 1000 oC.


Khi HAp ở kích thước nano, mật độ tiếp xúc bề mặt sinh học tăng và phù hợp
với các kích thước của khoáng trong xương nên hoạt tính của bột HAp tăng lên.
Ngoài ra việc kết khối vật liệu trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
1.1.3. Tính chất sinh học
Canxi và photpho là những nguyên tố tồn tại trong xương và răng, chúng cũng
tồn tại trong tự nhiên dưới dạng flo-apatit Ca10(PO4)6F2, là một trong các hợp chất
khoáng có tên chung là "apatit". Các apatit là các hợp chất bền hoá, có thành phần
tương tự như các khoáng trong xương. Tuỳ thuộc tỉ lệ Ca/P, pH, sự hiện diện của
nước, nhiệt độ, độ tinh khiết của sản phẩm mà ta thu được các pha khác nhau [10].
Nói chung các vật liệu làm từ canxi photphat có khả năng chống lại sự tấn công của
vi khuẩn, sự thay đổi pH và điều kiện dung môi. Tuy nhiên, nhóm vật liệu này có
tính bền cơ thấp, diện tích bề mặt riêng nhỏ (2 - 5m2/g) và liên kết giữa các tinh thể
bền chặt. Trong khi đó, các thành phần khoáng trong xương (kích thước nano) có
diện tích bề mặt riêng lớn, được phát triển trong môi trường hữu cơ, liên kết giữa
các tinh thể lỏng lẻo. Đặc điểm này tạo ra sự khác nhau về khả năng hấp thụ của
chúng [6, 21].
Trong các pha canxi photphat thì pha HAp có khả năng phân huỷ chậm nhất
nên các tế bào xương có thời gian để hoàn thiện và phát triển. Điều này dẫn đến khả
năng ứng dụng trong y học của HAp là nhiều nhất [7].
Do có cùng bản chất và thành phần hóa học, HAp tự nhiên và nhân tạo đều là
những vật liệu có tính tương thích sinh học cao. Ở dạng bột mịn, kích thước nano,
HAp là dạng canxi photphat dễ được cơ thể hấp thụ nhất với tỷ lệ Ca/P trong phân
tử đúng như tỷ lệ trong xương và răng. Ở dạng màng và dạng xốp, HAp có thành
phần hóa học và các đặc tính giống xương tự nhiên, các lỗ xốp liên thông với nhau
làm cho các mô sợi, mạch máu dễ dạng xâm nhập. Chính vì vậy mà vật liệu này có
tính tương thích sinh học cao với các tế bào và mô, có tính dẫn xương tốt, tạo liên
kết trực tiếp với xương non dẫn đến sự tái sinh xương nhanh mà không bị cơ thể

đào thải. Ngoài ra, HAp là hợp chất không gây độc, không gây dị ứng cơ thể người
và có tính sát khuẩn cao [35].
Hợp chất HAp tương đối bền với dịch men tiêu hóa, ít chịu ảnh hưởng của
dung dịch axit trong dạ dày. Ở dạng bột mịn kích thước nano, HAp được cơ thể hấp
thụ rất nhanh qua niêm mạc lưỡi và thực quản. Vì vậy, bột HAp kích thước nano
được dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao.
Nhờ các ưu việt kể trên, vật liệu HAp được ứng dụng trong y dược ở 4 dạng
sau: dạng bột dùng làm thuốc bổ xung canxi, dạng gốm dùng để nối xương, chỉnh
hình hoặc chữa xương, dạng màng phủ trên kim loại và hợp kim có độ bền ăn mòn
và độ bền cơ học cao (thép không gỉ 316L, titan, TiN, Ti6Al4V) dùng làm nẹp để
vít xương) dạng compozit dùng để làm thẳng xương, làm kẹp nối và có thể làm chất
mang thuốc [23, 72].
1.1.4. Các phương pháp tổng hợp HAp
Việc nghiên cứu chế tạo các vật liệu từ HAp ở các dạng khác nhau đã được
triển khai từ lâu trên thế giới và đã đạt được những thành tựu đáng kể. Các nghiên
cứu tập trung vào tổng hợp HAp ở dạng bột mịn và siêu mịn bằng các phương pháp
khác nhau và khảo sát các đặc tính để nâng cao khả năng ứng dụng của chúng. Ở
dạng này, các nhà nghiên cứu đang cố gắng điều chế HAp kích thước nano (20 100 nm) để góp phần nâng cao khả năng hấp thụ của cơ thể.
Để tổng hợp HAp dạng bột, người ta thường dùng một trong các phương pháp
sau: phương pháp kết tủa, phương pháp sol-gel hay phương pháp kết tinh từ dung
dịch bão hoà, phương pháp siêu âm hoá học, phương pháp phun sấy và phương
pháp hoá cơ. Trong luận văn này chúng tôi sử dụng bột HAp được tổng hợp bằng
phương pháp kết tủa hóa học.
Phương pháp kết tủa học
Đây là một trong những phương pháp cơ bản để tổng hợp HAp dựa vào phản
ứng kết tủa từ dung dịch [7]. Phương pháp này được Hayek và Stadlman [27] sử

dụng rộng rãi vì cách tiến hành đơn giản đồng thời cho một lượng mẫu lớn cùng độ
tinh khiết cao. Phản ứng kết tủa hóa học HAp được tổng hợp từ Ca(NO 3)2 và
(NH4)2HPO4 như sau:
10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH = Ca10(PO4)6(OH)2 + 6H2O + 20NH4NO3 (1.5)
Đầu tiên dung dịch có chứa (NH4)2HPO4 được điều chỉnh ở pH ≥10 bằng
dung dịch NH4OH, sau đó cho vào dung dịch Ca(NO3)2 cũng được điều chỉnh ở pH
≥10, sau khi phản ứng đạt cân bằng thu được hỗn hợp dung dịch chứa HAp. Dựa
vào hằng số phân ly của axit H3PO4 thấy rằng chỉ có ion HPO42- bị ảnh hưởng ở pH
trên, vì vậy có thể tránh được sự đồng kết tủa của các muối canxi photphat. Muối
amoni bị thăng hoa khi nung sản phẩm ở nhiệt độ 250˚C.
Sản phẩm phụ của phản ứng phụ thuộc vào pH của môi trường tổng hợp, tỉ lệ dư
của một trong hai cấu tử, nhiệt độ tổng hợp và điều kiện ổn định pha tinh thể.
Hệ tạo được sản phẩm với tỉ lệ HAp ≥ 93%, phần còn lại chủ yếu là tricanxi
photphat, phần rất nhỏ < 0,1% là các sản phẩm phụ.
1.1.5. Ứng dụng của HAp
Hydroxyapatit đã và đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y học [27].
Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tương đối thấp nên rất cần bổ
sung canxi cho cơ thể, đặc biệt là với trẻ tôi và người cao tuổi. 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 hóa canxi thành HAp. Một phương pháp hữu hiệu để bổ sung canxi
cho cơ thể là sử dụng HAp ở dạng bột mịn, kích thước nano [40]. Với kích thước
khoảng 20 – 100nm, HAp được hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải
chuyển hóa thêm.
Vật liệu gốm xốp HAp có tính tương thích sinh học cao, có nhiều lỗ liên
thông với nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu,
có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng. Nhờ những đặc tính này mà HAp


dạng gốm xốp được dùng để chế tạo răng giả và sửa chữa 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 epitaxy, 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 [34]. HAp dạng
gốm xốp còn dùng để chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa khuyết tật
của xương. Tùy 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. Sau đó, gia công các
sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp để điền đầy những chỗ khuyết tật của
xương [69, 71]. Để chữa trị căn bệnh loãng xương, cục quản lý dược phẩm đã cho
phép sử dụng HAp trong sản xuất thuốc và thực phẩm chức năng [16]. Có nhiều
loại thuốc và thực phẩm chức năng được sản xuất từ HAp đã được lưu hành rộng rãi
trên thị trường như: Ossopan của Pháp, Bone booster complex...
HAp và HAp pha tạp ngoài những ứng dụng trên nó còn được sử dụng làm
chất hấp phụ Co2+ NO3-, nitrobenzen, Cd2+, và F- với hiệu suất hấp phụ cao tương
ứng là xấp xỉ 100%, 96%, 95%, 84%, và 60%. Do đó bột HAp là vật liệu tiềm năng
trong ứng dụng xử lý các ion nhiễm bẩn có mặt trong nước sinh hoạt [14, 32, 41,
67]. HAp còn được sử dụng làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học, làm vật
truyền dẫn và nhả chậm thuốc [13, 48].
1.1.6. Hydroxyapatit biến tính (HAp-bt)
Nhằm cải thiện khả năng ghép của HAp với các polyme, HAp đã được biến
tính với nhiều chất khác nhau như chitosan, silica và axit lactic (LA). Otto Carl
Wilson và cộng sự đã tiến hành biến tính HAp bằng chitosan. Tổng lượng của
chitosan hấp phụ trên HAp là 2,8-3,1% khối lượng. Diện tích bề mặt riêng của HAp
tăng lên sau khi làm già trong dung dịch gel chitosan acetat và đạt được giá trị cao
là 160 m2/g so với 85 m2/g của HAp [74]. HAp biến tính bằng dodecyl ancol hoặc
axit lactic nhằm cải thiện khả năng ghép của HAp với các polyme. Các nghiên cứu
đều chỉ ra rằng hiệu suất ghép của HAp biến tính cao hơn nhiều so với HAp không


biến tính và đặc biệt tính chất cơ lý của vật liệu composit HAp-polyme được nâng

lên rõ rệt đáp ứng được yêu cầu làm nẹp vít xương chất lượng cao cho những vùng
xương chịu tải trọng nặng [19, 31, 73, 75].
Lê Anh Tuấn và các cộng sự đã biến tính thành công HAp với LA trong dung
môi tetrahydrofuran (THF). Kết quả thu được HAp-bt có khả năng ghép với các
polyme cao hơn HAp [10].
Trong các loại vật liệu compozit, độ tương tác giữa thành phần nền và thành
phần phân tán luôn là vấn đề được quan tâm vì đó là yếu tố quan trọng quyết định
tính chất cơ - lý của vật liệu [36]. Một trong những phương pháp để cải thiện độ
phân tán là ghép trực tiếp polyme lên bề mặt của chất phân tán. Polyme có thể ghép
lên bề mặt của chất phân tán nhờ vào nhóm chức ở cuối mạch hoặc được ghép trực
tiếp ngay khi bắt đầu quá trình polyme hoá [64]. Một phương pháp khác để tăng khả
năng tương tác của PLA và HAp là ghép LA lên HAp để tạo thành HAp – biến tính
(HAp – bt) trước khi tiến hành tổng hợp nanocompozit PLA/HAp.
1.2. Polyaxit lactic (PLA)
Tính chất
Đơn vị cấu thành cơ bản của PLA là axit lactic hay axit 2-hydroxypropanoic,
có cacbon ở giữa các nhóm chức axit cacboxylic và hydroxyl là bất đối xứng, tồn tại
dưới hai dạng đồng phân đối quang L- và D-axit lactic. Hầu hết các dạng axit lactic
thấy trong các nguồn tự nhiên đều là dạng L(+), ngược lại dạng D(-) rất hiếm gặp.
Cacbon bất đối xứng làm tăng tính lập thể (diastereoisome) (isotactic, syndiotactic
và hetero – hoặc atactic) của mạch PLA polyme, tùy thuộc vào hướng tương đối của
nhóm metyl trong quá trình phát triển mạch polyme axit lactic. Polyme từ axit lactic
do vậy có đơn vị lặp lại là một trong hai dạng trên hoặc kết hợp, tùy thuộc vào
nguồn monome [2, 37]


Hình 1.4: Hai dạng cấu hình của LA
Do axit lactic tồn tại ở 2 dạng đồng phân không gian nên polyaxit lactit tạo
thành sẽ có 3 dạng cấu hình: D,D-lactit (gọi là D- lactit), L,L- lactit(L-lactit) và
L,D- lactit hoặc D,L- lactit (meso-lactit) (trong đó, D và L lactit có hoạt tính quang

học nhưng meso thì không nên PLA có nhiều loại khác nhau. Nói chung PLA
thương mại thường là copolyme của L-lactit và D-lactit. Để ứng dụng trong lĩnh
vực y sinh người ta thường sử dụng cấu hình dạng L (PLLA) vì nó có cấu trúc tinh
thể nên có khả năng tương thích sinh học với cơ thể người tốt hơn. PLA hiện nay
chủ yếu được điều chế theo phương pháp trùng hợp mở vòng các đime lactit. Các
polyme có hàm lượng dạng L lớn dùng để tạo ra polyme kết tinh, trong khi các vật
liệu có chứa hàm lượng D lớn (> 15 %) thì ở dạng vô định hình [1, 38].
PLA là polyme dễ gia công, khả năng tương hợp tốt và có khả năng phân huỷ
sinh học. Tốc độ phân huỷ, tính chất cơ lý thay đổi trong khoảng rộng phụ thuộc
vào khối lượng phân tử (KLPT), thành phần và cấu trúc kết tinh của PLA. Hàm
lượng D- lactit có trong PLA được dùng để điều chỉnh độ kết tinh và tính chất của
PLA thu được [54, 55, 59].
Độ tan của PLA phụ thuộc vào KLPT, độ kết tinh. PLA tan trong các dung
môi clorua hay florua hữu cơ, đioxan, furan, axeton, pyridin, etyl lactat,
tetrahydrofuran, xylen, etylaxetat, dimetylsulfoxit, N,N-dimetylfocmamit và metyl
etyl xeton. Nó không tan trong nước, rượu (metanol, etanol, propylen glycol) và
hydrocarbon chưa thế (hexan, heptan).


PLA là một polyme bán tinh thể, có độ cứng cao, dễ tạo thành nếp khi gấp, độ
bền mài mòn cơ học cao, mođul lớn, độ bền kéo đứt lớn nhưng khả năng dãn dài
kém và độ mềm dẻo không cao so với poly etylen (PE) hay poly propylen (PP). Để
tăng khả năng mềm dẻo của PLA, người ta thường đưa vào chất hóa dẻo như
polyetylen glycol, polycaprolacton…
Tuy nhiên một số nhược điểm như giòn, độ dãn dài khi đứt thấp, dễ bị thủy
phân, quy trình điều chế phức tạp và giá thành cao đã hạn chế khả năng sử dụng của
nó. Để khắc phục được các nhược điểm này, PLA đã được trộn hợp với các polyme
khác hay với các chất độn bằng nhiều phương pháp khác nhau để tạo ra các polyme
blend và compozit có tính chất như mong muốn, đáp ứng yêu cầu sử dụng [1].
PLA là một polyeste nên bị thủy phân trong các môi trường nước. axit và

bazơ. Hai yếu tố ảnh hưởng chính đến thủy phân của PLA là sự thấm nước và cơ
chế tự xúc tác [28]. PLA có các nhóm axit cacboxylic cuối mạch có thể xúc tác thủy
phân PLA xảy ra nhanh hơn [33]. Cơ chế tự xúc tác thể hiện rõ khi ngâm mẫu PLA
trong dung dịch đệm có pH = 7,4 ở 37 C. Các phản ứng thủy phân PLA tự xúc tác
diễn ra như sau:

(1.6)

(1.7)

Phương pháp tổng hợp
Trên thế giới, các phương pháp chủ yếu để tổng hợp PLA là: Trùng ngưng và
trùng hợp mở vòng lactit [39]. Trùng ngưng trực tiếp axit lactic được thực hiện khi
có mặt xúc tác ở áp suất thấp thu được PLA có khối lượng phân tử thấp (khoảng vài
chục nghìn đ.v.C). Trùng ngưng đồng sôi hay còn gọi là trùng ngưng đẳng phí thu
được PLA có KLPT lớn lên đến 300.000 và độ tinh khiết cao. Các phương pháp