Nghiên cứu chế tạo vật liệu y sinh hydroxyapatite bằng phương pháp ép nóng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ọ

TẠ

NGHIÊN CỨ
R

TT

NG

ẬT
Ư NG

Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu vô cơ
Mã số ngành : 605290

LUẬ VĂ

Ạ SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH - ĂM 2015

N
N NG


NHẬN XÉT CỦ G

ÊN

ƯỚNG DẪN

………………………………………………………………………………………........…
……………………………………………………………………………………........……
…………………………………………………………………………………........………
………………………………………………………………………………........…………
……………………………………………………………………………........……………
…………………………………………………………………………........………………
………………………………………………………………………........…………………
……………………………………………………………………........……………………
…………………………………………………………………........………………………
………………………………………………………………........…………………………
……………………………………………………………........……………………………
…………………………………………………………........………………………………
………………………………………………………........
Tp. HCM, ngày 15 tháng 12 năm 2014
Giáo viên hướng dẫn


NHẬN XÉT CỦA HỘ ĐỒNG XÉT DUY T
………………………………………………………………………………………........…
……………………………………………………………………………………........……
…………………………………………………………………………………........………
………………………………………………………………………………........…………
……………………………………………………………………………........……………
…………………………………………………………………………........………………
………………………………………………………………………........…………………

……………………………………………………………………........……………………
…………………………………………………………………........………………………
………………………………………………………………........…………………………
……………………………………………………………........……………………………
…………………………………………………………........………………………………
………………………………………………………........
Tp. HCM, ngày tháng 12 năm 2014
Hội đồng xét duyệt


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đỗ Quang Minh

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Bùi Xuân Vương

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Xuân Thanh Trâm

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
TP. HCM ngày 15 tháng 01 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. TS. Phạm Trung Kiên
2. TS. Nguyễn Khánh Sơn
3. TS. Bùi Xuân Vương
4. TS. Nguyễn Xuân Thanh Trâm
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

T n Ph

N ày thán năm sinh:

12/11/1988

Chuyên n ành:

n N ọc

MSHV: 12430806
N i sinh: Long An

C n N h V t i uV C

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN C U CH TẠO V T I U

Khoá:

SINH H DRO

APATITE

B NG PHƯ NG PHÁP P N NG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. T n h p

t hy o y p tit

2. T o viên HA

t h i

3. Khảo sát các t nh ch t

n ph

n ph

n pháp thu nhi t

n pháp p n n

t HA và viên HA

4. Khảo sát ho t t nh sinh học c
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

HA

t h i

ng ph p th in vitro
20/01/2014

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/11/2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Đ QUANG MINH

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
vă
v

v
v

.

PGS. TS.

-

v
.
xin
v

v
v

v

Tp. HCM

15

12
v

ă

2014


TÓM TẮT
v
v

v

ă

v
( A)

h p t dung dịch Ca(OH)2 và (NH4)2HPO4

ể t o g m HA m

cao, nén b t HA

D ≈ 1 2 cm;

i áp l c 150 MPa t o thành m u m c v
u m

c t ng
≈1

c nung k t kh i bằng k thu t ép nóng trong kho ng nhi

1100~1350oC, th

ở nhi

4

i áp l c 0,3 MPa trong mơi

ng khơng khí. Khi so sánh v i m u khơng ép nóng, ta nh n th y m
u khơng có ép nóng. T i 1250oC, m u HA k t kh

Aé
98,5% m

HA lý thuy t. Quá trình bi

RD
Av v

é

v

(

A
)

-

A
ị

ể

13

tt i

i khi k t kh i bằng k thu t ép nóng

c làm rõ bằng các nghiên c u bằ
ằ

m u

14 v 2

kh

ị

ể


ABSTRACT
Hydroxyapatite (HA) is well-known biomaterial for bone replacement
applications. It's not only the chemical composition and structure similar to the
carbonate apatite in bone but also its excellent biocompatibility.
In this study, nanosized powder of HA was synthesized from solutions of
Ca(OH)2 and (NH4)2HPO4. In order to obtain highdense HA ceramic, HA powder
was pressed at 150 MPa to form green samples with sizes D ≈ 1 2

≈1

After that, synthetic hydroxyapatite (HA) samples were sinterred by hot – pressing

technique at 1100~1350oC, with the soaking time 4 hours under the pressure of 0,3
MPa in atmosphere. The density of sintered hydroxyapatite (HA) with hot-pressing
technique is much higher than that of sintered HA without hot-pressing technique.
At 1250oC, sintered HA with hot-pressing technique is nearly 98,5% of theoretical
HA. Sintering process of samples is also studied by means of XRD, FTIR, SEM
analyzing. At the same time, the biological activity of HA powder and HA sintered
pellets are evaluated by in vitro tests. HA samples were soaked in the simulated
body fluid solution at the period of time: 1, 3, 7, 14 and 28 days to observe the
formation of bone-like apatite layer on the sample surface.


LỜI CAM ĐOAN

ằng t t c nh ng k t qu nghiên c
lu

vă

trích d n t

c hi

ý

c nêu trong

ởng tham kh o và nh ng k t qu

c nêu rõ trong lu

vă

TP. HCM, ngày 15 tháng 12 ă

2014


GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

MỤC LỤC
1 CHƢƠNG I:TỔNG QUAN VẬT LIỆU Y SINH .................................................... 1
1.1 Giới thiệu về vật liệu y sinh ..................................................................................1
1.2 Yêu cầu cơ bản của vật liệu y sinh cấy ghép [1] ...................................................2
1.3 Phân loại vật liệu y sinh cấy ghép .........................................................................2
1.3.1 Vật liệu kim loại .................................................................................................3

1.3.2 Vật liệu polymer .................................................................................................4
1.3.3 Vật liệu ceramic .................................................................................................5
1.3.3.1 Vật liệu bioceramic trơ (nearly inert bioceramics) .........................................6
1.3.3.2 Vật liệu bioceramic xốp (porous bioceramics) ...............................................7
1.3.3.3 Vật liệu ceramic hoạt tính sinh học (active bioceramic) .................................7
1.3.3.4 Vật liệu ceramic tự tiêu (resorbable) ...............................................................8
1.4 Tình hình nghiên cứu vật liệu y sinh trong nƣớc và trên thế giới. ........................9
1.4.1 Trong nƣớc .........................................................................................................9

1.4.2 Trên thế giới .......................................................................................................9
1.5 Ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài .....................................................................10
1.5.1 Ý nghĩa khoa học .............................................................................................10
1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn .............................................................................................. 11
1.5.3 Tính cấp thiết ....................................................................................................12

1.6 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài .........................................................................12
1.6.1 Mục tiêu ...........................................................................................................12
1.6.2 Nhiệm vụ ..........................................................................................................12
2 CHƢƠNG II: HYDROXYAPATITE ..................................................................... 13
2.1 Thành phần cấu tạo, cấu trúc tinh thể HA ...........................................................13
2.2 Độ hoà tan ...........................................................................................................14
2.3 Tính chất cơ học ..................................................................................................15
2.4 Quá trình phân huỷ của HA ................................................................................15
2.5 Hoạt tính sinh học HA.........................................................................................17
2.6 Quy trình thử nghiệm vật liệu y sinh ..................................................................18


GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

2.7 Các phƣơng pháp tổng hợp hydroxyapatite ........................................................19
2.7.1 Phản ứng trạng thái rắn ....................................................................................20
2.7.2 Phƣơng pháp hoá cơ .........................................................................................20
2.7.3 Phƣơng pháp thuỷ nhiệt ...................................................................................21
2.7.4 Phƣơng pháp kết tủa hoá học ...........................................................................22
2.7.5 Phƣơng pháp sol-gel.........................................................................................22
3 CHƢƠNG III: NỘI DUNG VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM .............. 25
3.1 Nội dung thí nghiệm............................................................................................25
3.1.1 Tổng hợp hydroxyapatite .................................................................................26
3.1.2 Kết khối viên HA theo phƣơng pháp ép nóng (hot pressing) ..........................26
3.1.2.1 Tạo hình mẫu mộc .........................................................................................27
3.1.2.2 Kết khối bằng phƣơng pháp ép nóng ............................................................27
3.1.3 Thử in-vitro trong dung dịch SBF (simulated body fluid) ...............................29
3.1.3.1 Tổng hợp dung dịch SBF [46].......................................................................29
3.1.3.2 Ngâm mẫu HA trong dung dịch SBF ............................................................30
3.2 Các phƣơng pháp thí nghiệm ..............................................................................30

3.2.1 Phƣơng pháp kết khối ép nóng (hot-pressing method) ....................................30
3.2.2 Phƣơng pháp thử nghiệm in vitro trong dung dịch SBF [46] ..........................32
3.3 Phƣơng pháp phân tích ........................................................................................34
3.3.1 Phân tích phổ nhiễu xạ RơnghenXRD .............................................................34
3.3.2 Phân tích phổ hồng ngoại FTIR .......................................................................34
3.3.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ......................................................................34
3.3.4 Phƣơng pháp đo khối lƣợng thể tích ................................................................34

3.3.5 Phƣơng pháp đo độ bền nén xuyên tâm ...........................................................35
3.3.6 Phƣơng pháp phân tích hàm lƣợng kim loại nặng ...........................................35
4 Chƣơng IV KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................... 36
4.1 Bột hydroxyapatite tổng hợp ...............................................................................36
4.1.1 Kết quả phân tích XRD ....................................................................................36
4.1.2 Kết quả phân tích FTIR ....................................................................................37
4.1.3 Kết quả phân tích SEM ....................................................................................38


GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

4.1.4 Kết quả phân tích hàm lƣợng kim loại nặng ....................................................39
4.2 Viên HA kết khối bằng phƣơng pháp ép nóng ....................................................39
4.2.1 Kết quả phân tích XRD ....................................................................................39
4.2.2 Kết quả phân tích FT-IR ..................................................................................40
4.2.3 Kết quả phân tích SEM ....................................................................................40
4.2.4 Khối lƣợng thể tích ..........................................................................................42
4.2.5 Độ bền nén xuyên tâm......................................................................................43
4.3 Bột và viên HA sau khi ngâm dung dịch SBF ....................................................45
4.3.1 Mẫu bột ............................................................................................................45
4.3.1.1 Kết quả phân tích XRD .................................................................................45
4.3.1.2 Kết quả phân tích FTIR .................................................................................46

4.3.1.3 Kết quả phân tích SEM .................................................................................46
4.3.2 Mẫu viên...........................................................................................................48
4.3.2.1 Kết quả phân tích TF-XRD ...........................................................................48
4.3.2.2 Kết quả phân tích SEM .................................................................................49
5 CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................... 51
5.1 Kết luận ...............................................................................................................51
5.1.1 Tổng hợp bột HA .............................................................................................51
5.1.2 Tạo viên HA kết khối .......................................................................................51
5.1.3 Thử nghiệm hoạt tính sinh học ........................................................................51
5.2 Kiến nghị .............................................................................................................51


GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.
HA

Hydroxyapatite

PVC

Polyvinylclorua

AW glass

Apatite-Wollastonite Glass

TCP

Tricalcium phosphate

ACP

Amorphous calcium phosphate

DHA

Defective hydroxyapatite

TTCP

Tetracalcium phosphate

SBF

Simulated body fluid (Dung dịch giả dịch cơ thể)

XRD

X-Ray Diffractometer

FTIR

Fourier Transformed Infrared Spectroscopy

SEM

Scanning Electron Microscope

TF-XRD

Thin film XRD

ICP-MS

Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

HABk

Hydroxyapatite tổng hợp tại Bách Khoa.

rpm

revolutions per minute (sớ vịng trên phút)


GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại vật liệu y sinh cấy ghép với phản ứng mô [3]............................3
Bảng 1.2. Ứng dụng của kim loại và hợp kim làm vật liệu cấy ghép [1]. ..................4
Bảng 1.3. Ứng dụng điển hình của Polymer sử dụng như vật liệu y sinh [1]. ...........5
Bảng 1.4. Đặc điểm vật lý của nhôm và một phần ổn định Zircon (PSZ) dùng chế
tạo gốm y sinh [3]. ......................................................................................................6
Bảng 1.5. Các tính chất kỹ thuật của gốm y sinh hoạt tính [6]. .................................8
Bảng 2.1. Dữ liệu cấu trúc tinh thể các calcium orthophosphate [13][15]. ............14
Bảng 2.2. Thông số vật lý của các calcium orthophosphate [16]. ...........................14
Bảng 2.3. Giá trị trung bình các tính chất cơ học của HA kết khối ở những nhiệt độ
khác nhau [18]. .........................................................................................................15
Bảng 2.4. Ưu nhược điểm của các phương pháp tổng hợp HA [8]. .........................24

Bảng 3.1. Hoá chất tổng hợp dung dịch SBF. ...........................................................29
Bảng 3.2. Nồng độ các ion trong dung dịch SBF so với huyết tương người. ...........33
Bảng 3.3. Thành phần, thứ tự và liều lượng các hoá chất sử dụng tổng hợp SBF. ..33
Bảng 3.4. Hàm lượng kim loại nặng trong HA cấy ghép [50]. .................................35
Bảng 4.1.Bảng bước sóng các nhóm liên kết đặc trưng của HA. .............................38
Bảng 4.2. Hàm lượng kim loại nặng trong bột HA ...................................................39
Bảng 4.3. Khối lượng thể tích và mức độ kết khối mẫu viên HA ép và khơng ép nóng
ở các nhiệt độ khác nhau...........................................................................................42


GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Ứng dụng vật liệu y sinh cấy ghép trong cơ thể người [2]. .........................1
Hình 1.2. Vật liệu cấy ghép kim loại-bộ phận thay thế mắt cá chân, stent [4]. .........3
Hình 1.3. Đặc điểm vật lý của nhôm và một phần ổn định Zircon (PSZ) dùng chế
tạo gốm y sinh [3]. ......................................................................................................7
Hình 1.4. Thống kê số bài báo về HA từ 1999 – 2011 [8]. .......................................10
Hình 1.5. Giá trị thị trường vật liệu y sinh từ năm 2009-2015 [9]........................... 11
Hình 1.6. Thị trường vật liệu y sinh theo từng vùng [10]. ........................................ 11
Hình 2.1. Cấu trúc tinh thể hydroxyapatite [11]. ......................................................13
Hình 2.2.Quy trình thử nghiệm vật liệu y sinh [29]. .................................................19
Hình 2.3. Thống kê bài báo về các phương pháp tổng hợp HA từ 1999 – 2011 [8].19
Hình 2.4. Quy trình tổng hợp HA bằng phương pháp hoá cơ [32]. .........................20
Hình 2.5. Tổng hợp HAp bằng phương pháp thuỷ nhiệt [36]...................................21
Hình 2.6. Quy trình tổng hợp HA bằng phương pháp sol-gel [8]. ...........................23
Hình 3.1. Sơ đồ quy trình thí nghiệm ........................................................................25
Hình 3.2. Bột HA tổng hợp. .......................................................................................26
Hình 3.3. Mẫu mộc HA sau khi ép tạo hình. .............................................................27
Hình 3.4. Cách xếp khuôn chứa mẫu trong lò nung. ................................................28

Hình 3.5. Mô tả độ co của viên HA kết khối: mẫu mộc và mẫu nung 1300oC..........28
Hình 3.6. Bể điều lưu mẫu và mẫu HA ngâm trong SBF. ..........................................30
Hình 3.7. Mơ hình ép nóng HA. ................................................................................31
Hình 4.1. Phổ XRD của mẫu bột HA trước và sau khi hấp thuỷ nhiệt. ....................36
Hình 4.2. Phổ chồng XRD của mẫu HA hấp thuỷ nhiệt và HA không hấp ...............36
Hình 4.3. Phổ FTIR của bột HA hấp thủy nhiệt. .......................................................37
Hình 4.4. Phổ FTIR mẫu bột HA chưa hấp thủy nhiệt. .............................................37
Hình 4.5. Ảnh SEM của mẫu bột HA hấp thủy nhiệt. ...............................................38
Hình 4.6. Kết quả phân tích SEM của mẫu HA không hấp và HA hấp thủy nhiệt....38
Hình 4.7.Phổ chồng XRD mẫu viên HA kết khối tại các nhiệt độ: 1100, 1150, 1200,
1250, 1300, 1350oC. ..................................................................................................39


GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

Hình 4.8. Phổ FTIR mẫu HA kết khối ở 1100, 1150, 1200, 1250, 1300, 1350oC .....40
Hình 4.9. Khối lượng thể tích của mẫu viên HA không ép và ép nóng. ....................42
Hình 4.10. Đờ thị đợ bền nén xun tâm của mẫu HA ép nóng và khơng ép. ..........43
Hình 4.11. SEM mặt gãy của mẫu HA ép nóng và khơng ép nóng tại các nhiệt đợ
nung khác nhau. ........................................................................................................44
Hình 4.12. Phổ XRD bột HABk và HANhật sau khi ngâm SBF tại các thời điểm 1, 3,
14 và 28 ngày. ...........................................................................................................45
Hình 4.13.Phổ FTIR của bột HABk và HANhật ngâm dung dịch SBF tại các thời điểm
1, 3, 14, 28 ngày. .......................................................................................................46
Hình 4.14. SEM mẫu bột HANhật và HABk trước và sau khi ngâm dung dịch SBF
trong 1, 3, 14 và 28 ngày. ..........................................................................................47
Hình 4.15. Phổ TF-XRD mẫu viên HA sau ngâm dung dịch SBF tại 7, 18 ngày. ....48
Hình 4.16. Ảnh SEM mẫu HA viên ngâm trong dung dịch SBF tại 7, 18 ngày.........49

1

GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

1 CHƯƠNG I:T NG QUAN V T LIỆU
1.1 Gi i thi u v v t i u

SINH

si h

Vật liệu y sinh (biomaterials) là bất kì vật liệu nhân tạo nào đƣợc sử dụng để
thay thế hoặc phục hồi chức năng cho mô của cơ thể, có thể tiếp xúc trực tiếp liên
tục hoặc không liên tục với dịch thể ngƣời. Các nhóm vật liệu y sinh phổ biến nhƣ:
kim loại, ceramic, polymer, composite nhân tạo đƣợc sử dụng bên trong cơ thể con
ngƣời [1].
Sự phát triển của vật liệu y sinh bắt nguồn từ việc nhu cầu điều trị bệnh, chấn
thƣơng và cải thiện chức năng của các bộ phận trong cơ thể bằng các phƣơng pháp :
- Thay thế một phần cơ thể đã mất chức năng (toàn bộ hông, tim).
- Chỉnh hình (cột sống).
- Cải thiện chức năng (máy tạo nhịp tim, stent).
- Hỗ trợ trong việc chữa lành (cấu trúc, dƣợc phẩm tác dụng: chỉ khâu, th́c
phát hành).

Hình 1.1 Ứng dụng vật liệu y sinh cấy ghép trong cơ thể người [2].


2
1.2

u

u

v t i u
u

Tí h tư

si h

GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH
gh

uv t i u

g thí h

[1]
gh

C tí h

- Phản ứng mô
- Thay đổi tính chất:
 Độ bền
 Vật lý
 Hoá học
- Suy thoái dẫn đến:
 Thay đổi độc tính

cục bộ
 Ảnh hƣởng độc tính
trên cơ thể

-

Tính đàn hồi
Ứng suất đàn hồi
Tính dẻo
Độ bền
Độ bền kéo
Độ bền mỏi
Độ cứng
Khả năng chống
mài mịn

Hình 1.2.

S

xu t

- Phƣơng pháp tởng hợp
- Tính kiên cớ và phù
hợp mọi yêu cầu
- Chất lƣợng nguyên
liệu thô.
- Kỹ thuật tiên tiến tạo
đƣợc bề mặt và cấu
trúc vật liệu hoàn hảo

- Hiệu quả khử trùng và
mức an toàn của vật
liệu
- Giá thành sản phẩm

Vật liệu lí tưởng hoặc vật kết hợp nên có các thuộc tính sau:
- Thành phần hoá học tƣơng thích sinh học để tránh phản ứng có hại mô.
- Khả năng chống suy thoái tuyệt vời (ví dụ chớng ăn mịn cho kim loại hoặc
kháng phân huỷ sinh học trong polymer).
- Độ bền chấp nhận đƣợc để duy trì tải trọng tuần hoàn trên các khớp.
- Mođun thấp để giảm thiểu tiêu xƣơng.
- Độ mài mòn cao giảm thiểu sinh ra các mảnh vụn.
1.3 Ph

iv t i u

si h

gh

Hầu hết vật liệu y sinh nhân tạo sử dụng trong y học là các vật liệu phổ biến,
quen thuộc với các kỹ sƣ, nhà khoa học nhƣ:
- Kim loại: các implants chỉnh hình, nha khoa
- Polymer: ứng dụng làm mạch máu, tim nhân tạo, tròng mắt giả, bộ phận thay
thế tai giữa.
- Ceramic: răng, xƣơng giả, xi măng sinh học.
- Composite: các implant kim loại phủ ceramic, polymer.


3

GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

Nhìn chung, các vật liệu này có thể đƣợc phân loại theo phản ứng giữa mô và
vật liệu cấy ghép hoặc theo tính chất vật liệu nhƣ: kim loại, polymer, ceramic,
composite.
Theo phản ứng với mô, ta có thể phân loại vật liệu y sinh cấy ghép nhƣ bảng
sau:
Bảng 1.1. Phân loại vật liệu y sinh cấy ghép với phản ứng mô [3].
L iv t i u
Vật liệu có độc tính

Ph

ứ g mô

Các mô xung quanh sẽ chết

Vật liệu không độc và không có hoạt Tạo thành mô sợi với độ dầy khác nhau
tính sinh học (gần nhƣ trơ)

trên bề mặt vật liệu

Vật liệu không độc, có hoạt tính sinh Tạo bề mặt liên kết giữa mô và vật liệu
học
Vật liệu không độc và hoà tan

Các mô xung quanh sẽ thay thế vật liệu
cấy ghép

1.3.1 V t i u kim

i

Hầu hết, các vật liệu cấy ghép kim loại chịu tải trọng, hoặc tĩnh hoặc lặp đi lặp
lại, tại đó quá trình mài mòn bề mặt diễn ra nên đòi hỏi sự kết hợp giữa độ bền và
độ dẻo, mật độ. Đây là đặc tính vƣợt trội của kim loại so với polymer và ceramic.

Hình 1.2. Vật liệu cấy ghép kim loại-bộ phận thay thế mắt
cá chân, stent [4].


4

GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

Vật liệu y sinh kim loại có chức năng cấu trúc, trơ, không có chức năng sinh học
nhƣ: khả năng tƣơng thích với máu, dẫn xƣơng, hoạt tính sinh học nên đặt ra yêu
cầu cải thiện bề mặt bằng cách phủ lớp gốm, polymer sinh học.
Bảng 1.2. Ứng dụng của kim loại và hợp kim làm vật liệu cấy ghép [1].
Vật liệu kim loại và hợp kim
Thép không gỉ 316L

Ứng dụng điển hình
Cố định xƣơng gãy, giá đỡ, dụng cụ
phẫu thuật

CP-Ti, Ti-Al-V, Ti-Al-Nb, Ti-13Nb- Thay thế xƣơng và khớp, chỉnh hình
13Zr, Ti-Mo-Zr-Fe
Co-Cr-Mo, Cr-Ni-Cr-Mo

xƣơng gãy, chỉnh hình răng
Thay thế xƣơng và khớp, cấy ghép và
phục hồi nha khoa, van tim

Ni-Ti

Xƣơng tấm, giá đỡ, dây chỉnh hình răng

Platinum và Pt-Ir

Điện cực

Các bộ phận sử dụng cấy ghép từ các chi tiết dây chằng và ốc vít đơn giản đến
các tấm cố định, bộ phận khớp giả dùng cho hông, đầu gối, vai, mắt cá… Mặc dù,
nhiều kim loại và hợp kim đƣợc dùng làm các chi tiết cấy ghép, nhƣng đƣợc sử
dụng phổ biến là thép không gỉ, titan thƣơng mại tinh khiết, hợp kim titan, hợp kim
nền coban.
Trong kim loại, tính tƣơng thích sinh học tập trung xét đến các chỉ tiêu nhƣ:
khả năng cấy ghép lâu dài của vật liệu, trơ về mặt hoá học không gây hại đến tế bào
xung quanh, không kích ứng gây viêm quá mức, không ung thƣ [5].
1.3.2 V t i u

mer

Các polymer đƣợc sử dụng trong y học nhƣ vật liệu y sinh trong những thập
kỷ qua. Các ứng dụng chủ yếu nhƣ: các bộ phận giả trên mặt, ống khí quản, từ các
phần của thận, gan cũng nhƣ chi tiết của tim, hàm giả và khớp gối. Ngoài ra,
polymer còn đƣợc dùng chế tạo các chất kết dính hay chất trám dùng trong y học.
Polymer dễ phân huỷ sinh học, khi cấy ghép trong kỹ thuật mô và dẫn thuốc thì có

ƣu điểm tránh phản ứng miễn dịch lâu dài và tránh phẫu thuật loại bỏ.


5

GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

Phân huỷ sinh học là thuật ngữ mô tả quá trình phá vỡ vật liệu bằng cách tự
nhiên. Tuy nhiên, trong trƣờng hợp của vật liệu y sinh, phân huỷ sinh học tập trung
vào các quá trình xảy ra bên trong cơ thể gây hƣ hỏng dần dần vật liệu [6]. Đây là
chỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng và thời gian cấy ghép của vật liệu y sinh
trong cơ thể sống.
Môi trƣờng cơ thể khá nhạy cảm với các vật liệu nhân tạo, và polymer bắt đầu
suy giảm sau khi đƣợc cấy ghép. Quá trình polymer suy thoái có thể đƣợc điều
khiển bởi các tƣơng tác hoá học, vật lý, sinh học. Tốc độ phân huỷ sinh học trong
cơ thể có liên quan tính chất polymer và vị trí cấy ghép.
Bảng 1.3. Ứng dụng điển hình của Polymer sử dụng như vật liệu y sinh [1].
P

mer

Phân tử polyethylene siêu trọng lƣợng (high weight
polyethylene)

Ứ g dụ g
Khớp gối, hông, vai

Silicon

Khớp tay

Polylactic, axit polyglycolic, ni lông

Khâu vết thƣơng

Axetan, polyethylene, polyurethane

Máy điều hoà nhịp tim

Polyester, polytetrafluoro-ethylene, PVC

Mạch máu

Nilông, PVC, silicon

Bộ phận tiêu hoá

Polydimethyl siloxane, polyurethane, PVC

Bộ phận giả trên mặt

Polymethyl methacrylate

Xi măng sinh học

1.3.3 V t i u er mi
Gốm y sinh (bioceramic) là vật liệu gốm đƣợc sử dụng cho việc chỉnh sửa và
tái cấu trúc lại các bộ phận của hệ thống cơ xƣơng bị bệnh hoặc bị phá huỷ. Nhóm
vật liệu này có thể đƣợc phân loại nhƣ sau:
Theo hoạt tính sinh học: vật liệu trơ (nhôm, zircon); vật liệu có hoạt tính sinh

học (hydroxyapatite, gốm thuỷ tinh…), vật liệu tự tiêu (tricalcium phosphate), vật
liệu xốp (hydroxyapatite phủ trên bề mặt kim loại).Theo thành phần pha: vật liệu
tinh thể nhƣ alumina, zircon, hydroxyapatite, các calcium phosphate khác, gốm thuỷ
tinh; hay vật liệu vô định hình nhƣ: thuỷ tinh hoạt tính sinh học.


6

GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

Ứng dụng vật liệu ceramic thay thế cho hông, đầu gối, răng, chỉnh sửa hàm
mặt, xƣơng hàm, khớp xƣơng sống.
1.3.3.1 V t i u i er mi tr ( e r

i ert i er mi s)

Trong các vật liệu cấy ghép trơ, nhôm (α-Al2O3) có độ tinh khiết và mật độ
cao (> 99,5%) đƣợc sử dụng làm bộ phận giả chịu lực và cấy ghép nha khoa. Al2O3
có độ bền cao, khả năng độ chịu mài mòn và ăn mòn tuyệt vời.
Bảng 1.4. Đặc điểm vật lý của nhôm và một phần ổn định Zircon (PSZ) dùng
chế tạo gốm y sinh [3].
Thô g s k thu t

Hàm lƣợng (%)
Mật độ (g cm3)
Kích thƣớc hạt trung
bình ( m)
Độ nhám bề mặt, Ra
(µm)
Độ cứng (Vicker),

HV

G m
nhơm

PSZ

ZrO2 >

99,8

99,5

97

> 3,93

≥ 3,90

5,6-6,12

3-6

<7

1

0,002

2300

Cƣờng độ uốn (MPa)

550

Modun Young (GPa)

ư

gv

ư

g

x

ISO 6474
Al2O3 >

4500

(MPa.m-1/2)

nhôm theo

Al2O3 >

Cƣờng độ nén (MPa)

Độ bền gãy, KIC

Ti u hu

1,6-2,1

0,008

> 2000

1300
2-12

400

1200

50-150

380

200

7-25

5-6

15

2-12

0,05-0,5

Mặc dù một số ứng dụng trong nha khoa là đơn tinh thể sapphire, hầu hết các
chi tiết cấy ghép là các đa tinh thể α-Al2O3 nhỏ mịn. Khi kết khối α-Al2O3 ở nhiệt
độ cao, một lƣợng nhỏ magie oxit (< 0,5%) đƣợc dùng để hạn chế phát triển hạt.
Nhôm đƣợc sử dụng chủ yếu làm các ổ bi của khớp hông giả, và các ứng dụng lâm
sàng của α-Al2O3 cấy ghép nhƣ: bộ phận giả đầu gối, đinh vít, tái tạo xƣơng hàm,


7

GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

thay thế xƣơng tai giữa. Ngoài ra, cịn có các bioceramic trơ khác nhƣ: zircon,
cacbon…

Hình 1.3. Đặc điểm vật lý của nhôm và một phần ổn định Zircon (PSZ) dùng chế
tạo gốm y sinh [3].
1.3.3.2 V t i u i er mi x

(

r us i er mi s)

Lợi thế của vật liệu gốm y sinh xốp là sự kết hợp giữa tính trơ và sự gia tăng
cơ tính của bề mặt khi xƣơng phát triển bên trong vật liệu sau khi cấy ghép. Quá
trình cấy ghép này cịn đƣợc gọi là cớ định sinh học. Tuy nhiên, đới với các bộ phận
giả địi hỏi cơ tính, vật liệu xốp gặp một số hạn chế khi dùng cho chi tiết cấy ghép
chịu tải.

Khi kích thƣớc lỗ rỗng vật liệu đạt 100 m, xƣơng có thể phát triển bên trong
các kênh lỗ rỗng nối thông với bề mặt, máu đƣợc duy trì cung cấp và vật liệu có khả
năng tồn tại lâu dài. Trong cách làm này, quá trình cấy ghép tạo cầu nối, mô hình
cho xƣơng hình thành.
Độ xốp có những hạn chế nghiêm trọng đối với vật liệu cấy ghép, vật liệu
xốp chịu lực yếu hơn so với khối đặc. Khi tỷ lệ lỗ xốp tăng, độ bền vật liệu giảm
một cách nhanh chóng, phần diện tích bề mặt vật liệu tiếp xúc môi trƣờng càng lớn,
chi tiết cấy ghép dễ bị ăn mòn và hoà tan hơn so với vật liệu kết cấu đặc.
1.3.3.3 V t i u er mi h

t tí h si h họ ( tive i er mi )

Vật liệu hoạt tính sinh học là loại vật liệu có phản ứng sinh học đặc biệt hình
thành mối kiên kết giữa mô và vật liệu trên bề mặt phân cách.


8

GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

Bề mặt ceramic hoạt tính bao gồm hydroxyapatite mật độ cao (high dense
hydroxyapatite), gốm thuỷ tinh (glass-ceramic), thuỷ tinh có hoạt tính sinh học
(bioactive glass), có đặc điểm chung là phụ thuộc thời gian, xảy ra sự thay đổi động
học trên bề mặt phân cách của thiết bị cấy ghép. Bề mặt tạo thành một lớp HA hoạt
tính liên kết với bề mặt mô.
Bảng 1.5. Các tính chất kỹ thuật của gốm y sinh hoạt tính [6].
Modul
V t i u

Cư

g

Young

B

i
k t

ứ g

M t

KIc
3

(g/cm ) (MPam1/2)

(GPa)

(MPa)

(GPa)

(HV)

73-117

600

120

350

3,1

<1

Thuỷ tinh hoạt tính

75

1000

50

−

2,5

0,7

AW gốm thuỷ tinh

118

1080

215

680

2,8

2

Xƣơng

3-30

130-180

60-160

−

−

−

HAp hoạt tính

Các kính hoạt tính sinh học dựa trên công thức là 45S5, kí hiệu 45% là khối
lƣợng SiO2; 5 đến 1 là tỷ lệ mol CaO P2O5. Kính với tỷ lệ mol CaO P2O5 thấp
không liên kết với xƣơng. Tuy nhiên, thay thế từ 5-15% SiO2 trong công thức 45S5
bằng bo oxit (B2O3) hoặc 12,5% khối lƣợng canxi florua (CaF2) cho CaO, hay các
thành phần khác của thuỷ tinh hoạt tính để tạo thành gốm thuỷ tinh [1]. Gốm thuỷ
tinh có các đặc tính cơ học cao, khả năng tƣơng thích tốt, hoạt tính sinh học, không
độc tính.

1.3.3.4 V t i u er mi tự ti u (res r

e)

Khả năng tự tiêu (resorbable) hay quá trình phân huỷ sinh học của calcium
phosphate đƣợc gây ra bởi: sự hoà tan hoá lý phụ thuộc vào tính tan của sản phẩm
và pH của môi trƣờng, sự phân huỷ tự nhiên thành các hạt nhỏ, các yếu tố sinh học
nhƣ thực bào là nguyên nhân làm giảm pH cục bộ.
Sự phân huỷ các calcium phosphate tăng theo thứ tự sau:
α-Tricalcium phosphate > β-Tricalcium phosphate >> Hydroxyapatite
β-tricalcium phosphate (β-TCP) có công thức hoá học là Ca3(PO4)2, hệ số tỷ
lƣợng Ca P 1,5; cấu trúc tinh thể dạng lục giác, còn α-tricalcium phosphate (α-TCP)


9

GVHD: PGS.TS ĐỖ QUANG MINH

cấu trúc đơn tà. β-TCP biến đổi thành α-TCP ở khoảng 1200oC. Do bột β-TCP hoà
tan nhiều trong môi trƣờng dịch thể ngƣời và mức độ hoà tan của gốm β-TCP quá
nhanh tạo liên kết xƣơng nên các nghiên cứu về vật liệu tự tiêu chủ yếu tập trung
vào gốm β-TCP [6].
1.4 T h h h ghi
1.4.1 Tr

ứu v t i u

si h tr

g ư

v tr

th gi i.

g ư

Theo xu hƣớng chung trên thế giới, vật liệu y sinh đang đƣợc quan tâm nghiên
cứu ở Việt Nam. Viện Công nghệ Xạ hiếm (Bộ Khoa học và Công nghệ), Khoa Hoá
(Đại học Bách khoa Hà Nội) [7] đã có những nghiên cứu và công bố kết quả sơ bộ
về phƣơng pháp tổng hợp bột hydroxyapatite (HA). Năm 2005, lần đầu tiên Viện
Công nghệ Xạ hiếm đã triển khai đề tài chế thử gốm xốp HA theo công nghệ của
Italia và đã thử nghiệm thành công trên động vật. Công nghệ này dựa trên phƣơng
pháp nhúng tẩm khung xốp hữu cơ xenlulô vào huyền phù HA, sau đó thiêu kết ở
nhiệt độ cao. Đề tài nghiên cứu cấp Nhà nƣớc năm 2007 về gốm thủy tinh chứa
P2O5 đƣợc thực hiện tại Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Đặc biệt, từ năm 2005 đến nay, nhóm tác giả Viện Hoá học (Viện Khoa học
và Công nghệ Việt Nam) đã công bố một số kết quả nghiên cứu chế tạo HA bột và
HA xốp, trong đó HA xốp đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp nén ép thiêu kết với các
chất tạo xốp chitosan, xenlulo, và phƣơng pháp phản ứng pha rắn giữa Ca(OH)2 và
Ca3(PO4)2. Việc chế tạo gốm HA từ khung xốp tự nhiên của san hô, mai mực, vỏ
trứng, vỏ sò…bằng phản ứng thuỷ nhiệt cũng đang đƣợc tiến hành.
1.4.2 Tr

th gi i

Với sự tiến bộ trong nghiên cứu công nghệ hiện đại, vật liệu sinh học mới
đang đƣợc phát triển chủ yếu cho các ứng dụng y sinh học khác nhau. Trong hai
thập kỷ qua, hầu hết các nghiên cứu tập trung vào sự phát triển của một thế hệ mới
của bioceramics để thay thế mô cứng. Trong tài liệu tham khảo gần đây các nhà

khoa học tập trung nghiên cứu nhiều về vấn đề biocompatibility và hiệu quả lâu dài
của cấy ghép.
Hơn một thập kỷ qua, nhu cầu về HA nano ứng dụng trong thực tế không
ngừng tăng, khơng chỉ trong nghiên cứu khoa học, mà cịn ở góc độ kinh tế, thể hiện