Nghiên cứu điều chế hydroxyapatite từ vỏ sò ứng dụng làm vật liệu y sinh

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

PHẠM THANH THIÊN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ HYDROXYAPATITE TỪ VỎ SỊ
ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU Y SINH

CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
MÃ SỐ: 605275

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013


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

PHẠM THANH THIÊN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ HYDROXYAPATITE TỪ VỎ SỊ
ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU Y SINH

CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ HÓA HỌC
MÃ SỐ: 605275

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: TS. LÊ MINH VIỄN
: TS. HUỲNH KỲ PHƯƠNG HẠ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:
PGS. TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ
TS. Lê Minh Viễn
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. Nguyễn Đình Thành
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Quang Long
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.
HCM ngày 31 tháng 12 năm 2013
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. PGS. TS. Ngô Mạnh Thắng
2. PGS. TS Nguyễn Đình Thành
3. TS. Nguyễn Quang Long
4. PGS. TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ
5. TS. Nguyễn Tuấn Anh
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.
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: Phạm Thanh Thiên

MSHV: 11054177

Ngày, tháng, năm sinh: 17/04/1985

Nơi Sinh: Bến Tre

Chun ngành: Cơng nghệ hóa học

Mã số: 605275

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu điều chế hydroxyapatite từ vỏ sò ứng dụng làm vật
liệu y sinh.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tổng quan tài liệu về vật liệu y sinh và các phương pháp điều chế HA.
2. Điều chế hydroxyapatite từ vỏ sị.
3. Đánh giá tương thích sinh học của HA.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 21/01/2013

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 22/11/2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

: PGS. TS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ
TS. Lê Minh Viễn

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

TP. HCM, ngày … tháng … năm 2013
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA


LỜI CẢM ƠN
Sau hai năm học cao học tại trường Đại học Bách Khoa TP. HCM, tôi đã tiếp
thu được nhiều kiến thức mới. Luận văn Thạc Sỹ đánh dấu một bước ngoặc mở ra
hướng đi mới trong cuộc đời tôi. Để đạt được những kết quả như hôm nay tôi xin
dành tặng những lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến những người đã hết lòng
giúp đỡ, động viên tôi trong suốt thời gian qua.
Trước tiên, con xin cảm ơn cha mẹ, đã sinh thành và dạy dỗ con nên người.
Cha mẹ đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho con học tập, luôn động viên, hỗ trợ con
đúng lúc.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS Lê Minh Viễn và TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ đã
tận tâm hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình thực hiện đề tài, giúp

tơi nâng cao kiến thức lẫn kinh nghiệm. Lời cảm ơn chân thành này tôi cũng xin gửi
đến các anh, chị, em ở Phịng thí nghiệm kỹ thuật hóa vơ cơ. Các anh, chị, em đã hỗ
trợ tạo điều kiện thuận lợi và tận tình chia sẻ những kiến thức cũng như kinh nghiệm
để tôi có thể hồn thành tốt đề tài.

i


TÓM TẮT
Hiện nay, vật liệu gốm y sinh thuộc họ calcium phosphate được sử dụng nhiều
trong y học. Trong đó, hydroxyapatite (HA) được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực
nha khoa và chỉnh hình do HA có sự tương thích sinh học tốt, có khả năng tạo liên
kết bề mặt với mô khi được cấy ghép. Trong luận văn này tập trung nghiên cứu các
điều kiện tổng hợp HA theo phương pháp kết tủa từ nguyên liệu rẻ tiền, có nguồn
cung cấp dồi dào là bột vỏ sò tự nhiên và acid phosphoric. Kết quả đã tổng hợp được
HA đơn pha, có kích thước tinh thể 44 – 47 nm (xác định tại mặt (211)) và đồng đều.
HA dạng bột và dạng viên nén đã nung kết khối ở 1150oC, được ngâm trong
dung dịch SBF và khảo sát sự hình thành apatite trên bề mặt các mẫu với thời gian
khảo sát là 28 ngày để đánh giá khả năng tương thích sinh học. Sau 7 ngày ngâm
trong dung dịch SBF, apatite bắt đầu hình thành trên bề mặt mẫu. Kết quả thực
nghiệm cho thấy HA điều chế được có thể nghiên cứu ứng dụng làm vật liệu y sinh.

ii


ABSTRACT
In the present, calcium phosphate group are a member of bioceramic, using in
medicine. Among, HA has been used as substitute parts of hard tissue in dental
implant and orthopedic prostheses, with good biocompatibility and creation bond with
hard tissues as application like bone implant material. In this study, HA power

conditions were synthesized according to the precipitation method using cheapness
material, with source of rich in natuaral oyster shell power and acid phosphoric. The
results showed that HA powers were sigle phase with particle size of 44-47 nm
(definited at (211)) and uniform.
Biocompatibility of the nano HA powders and sintered tablet HA was at
11500C, be also evaluated in the simulated body fluid (SBF) and apatite formation
on the surface of the immersed forsterite nanopowders and sintered tablet forsterites
was investigated within 28 day. During immersion in SBF, apatite was formed after
soaking for 7 days. Our study indicated that nanopowder HA can be used for
biomaterial applications.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng tất cả những kết quả nghiên cứu được nêu trong luận
văn này là do tôi thực hiện. Các ý tưởng tham khảo và những kết quả trích dẫn từ các
cơng trình khác đều được nêu rõ trong luận văn.
TP. HCM, tháng 8 năm 2013

Phạm Thanh Thiên

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
XRD

: X-ray Diffraction – Phổ nhiễu xạ tia X

SEM

: Scanning Electron Microscope – Kính hiển vi điện tử quét.

FT-IR

: Fourier Transform Infra-Red – Phổ hồng ngoại

TGA

: Thermogravimetry Analysis – Phân tích nhiệt trọng lượng.

DSC

:

SBF

: Simulated Body Fluid – Dung dịch sinh học nhân tạo.

HA

: Hydroxyapatite

α-TCP

: Alpha Tri-Calcium Phosphate

β-TCP

: Beta Tri-Calcium Phosphate

CaO

: Calcium oxide

CaCO3

: Calcium carbonate

H3PO4

: Acid phosphoric

Differential Scanning Calorimetry – Phân tích nhiệt lượng vi sai.

v


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .........................................................................................1
I.1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU Y SINH ......................................................................1
I.1.1. Khái quát về vật liệu y sinh .............................................................................1
I.1.2. Yêu cầu của vật liệu y sinh..............................................................................1
I.1.3. Phân loại vật liệu y sinh ..................................................................................1
I.1.3.1. Phân loại vật liệu y sinh theo sự tương tác với tế bào cơ thể sống ...........1
I.1.3.2. Phân loại vật liệu y sinh theo thành phần hóa học....................................3
I.2. TỔNG QUAN VỀ HYDROXYAPATITE............................................................9
I.2.1. Giới thiệu về hydroxyapatite .........................................................................10
I.2.2. Tính chất hóa học ..........................................................................................12

I.2.3. Tính chất sinh học .........................................................................................12
I.2.4. Ứng dụng của HA trong vật liệu y sinh ........................................................13
I.2.5. Các phương pháp tổng hợp HA.....................................................................15
I.2.5.1. Phương pháp phản ứng pha rắn ..............................................................15
I.3.5.2. Phương pháp Sol – Gel ...........................................................................17
I.3.5.3. Phương pháp thủy nhiệt ..........................................................................20
I.3.5.4. Phương pháp kết tủa................................................................................23
I.3.6. Kết khối HA ..................................................................................................27
I.3.7. Tình hình nghiên cứu HA và ứng dụng HA ..................................................27
I.3.8. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................28
I.3.9. Mục tiêu của luận văn ...................................................................................29
CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM ................................................................................30
II.1. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HA .......................................................................30
II.1.1. Hóa chất & Dụng cụ thiết bị ........................................................................30
II.1.1.1. Hóa chất .................................................................................................30
II.1.1.2. Dụng cụ thiết bị ....................................................................................30
II.1.2. Tổng hợp HA ...............................................................................................31
II.2. ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC CỦA VẬT LIỆU .................................34
vi


II.3. KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT CỦA MẪU ....................................................35
II.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X.........................................................................35
II.3.2. Phương pháp hiển vi điện tử SEM ...............................................................36
II.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại FTIR.............................................................37
II.3.4. Phương pháp phân tích nhiệt TGA/DSC .....................................................39
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ & BÀN LUẬN ................................................................40
III.1. Tổng hợp HA ....................................................................................................40
III.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ca/P đến sự hình thành HA .................40
III.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến sự hình thành HA ..................41

III.1.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian nung đến sự hình thành HA .............42
III.2. Phân tích hình thái phân tử HA bột...................................................................43
III.3. Xác định nhóm chức của HA bằng quang phổ hồng ngoại (FTIR) ..................45
III.4. Kết quả phân tích TG của bột trước khi nung...................................................46
III.5. Đánh giá khả năng tương thích sinh học của HA dạng bột và viên nén...........46
III.5.1. Khả năng tương thích sinh học của HA ở dạng bột...................................46
III.5.2. Khả năng tương thích sinh học của HA ở dạng viên..................................48
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ .............................................................52
IV.1. KẾT LUẬN.......................................................................................................52
IV.2. KIẾN NGHỊ ......................................................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................54
PHỤ LỤC .....................................................................................................................61

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Kết quả của quá trình tương tác giữa cơ thể và mô cấy ghép [1] ..................2
Bảng 1. 2. Ứng dụng của các loại vật liệu y sinh kim loại và hợp kim [6].....................3
Bảng 1. 3. Đặc tính và ứng dụng của một số loại vật liệu polymer y sinh [7] ................5
Bảng 1. 4. Bioceramic phủ [11].......................................................................................7
Bảng 1. 5. Các hợp chất của họ calcium phosphate [18] ................................................9
Bảng 1. 6. Các thơng số của q trình tổng hợp HA.....................................................16
Bảng 2. 1. Các tỉ lệ mol khảo sát ...................................................................................33
Bảng 2. 2. Các nhiệt độ khảo sát ...................................................................................33
Bảng 2. 3. Các khoảng thời gian khảo sát .....................................................................33
Bảng 2. 4. Thành phần của dung dịch SBF mẫu ...........................................................34
Bảng 3. 1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến kích thước tinh thể
được tính theo mặt phẳng (211) ....................................................................................43

viii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Ảnh hiển vi điện tử của các dạng tinh thể HA .............................................10
Hình 1. 2. Cấu trúc ơ mạng cơ sở của tinh thể HA .......................................................11
Hình 1. 3. Liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử HA [20] ....................................11
Hình 1. 4. Quá trình tạo lớp men HA trên bề mặt răng .................................................14
Hình 1. 5. HA xốp tổng hợp từ san hô được sử dụng làm mắt giả................................14
Hình 1. 6. Sửa chữa khuyết tật của xương từ HA .........................................................14
Hình 1. 7. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp Sol - Gel................................................17
Hình 1. 8. Quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp Sol - Gel ..................................18
Hình 1. 9. Quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp sol - gel ....................................19
Hình 1. 10. Hình vẽ hệ thống chảy thủy nhiệt dùng tổng hợp HA nano.......................21
Hình 1. 11. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa .................................................23
Hình 1. 12. Quá trình tổng hợp HA bằng phương pháp kết tủa từ Ca(OH)2 và H3PO4 24
Hình 1. 13. Điều chế HA dạng bột bằng phương pháp kết tủa hóa học từ
Ca(NO3)2.4H2O và (NH4)2HPO4 ...................................................................................25
Hình 1. 14. Quá trình tổng hợp HA dạng bột ................................................................26
Hình 2. 1. Sơ đồ tạo bột vỏ sị .......................................................................................31
Hình 2. 2. Qui trình điều chế HA ..................................................................................32
Hình 2. 3. Nguyên lý cấ tạo thiết bị của phương pháp nhiễu xạ tia X ..........................35
Hình 2. 4. Dãy phổ hấp phụ hồng ngoại........................................................................38
Hình 3. 1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Ca/P đến độ tinh khiết của HA được điều chế ở
các tỷ lệ mol Ca/p = 1,65 (a); 1,67 (b) và 1,69 (c). .......................................................40
Hình 3. 2. Giản đồ nhiễu xạ tia X các mẫu được nung theo tỷ lệ Ca/P= 1,67 ở các nhiệt
độ 100oC (a), 500oC (b), 700oC (c), 800oC (d), 900oC (e) và 1000oC (f) trong 4 h. .....41
Hình 3. 3. Ảnh hưởng của thời gian đến sự hình thành tinh thể HA đối với các mẫu
nung ở 900oC trong 30 phút (a), 1h (b), 2 h (c), 3 h (d), và 4 h (e). ..............................42
Hình 3. 4. Kết quả SEM của mẫu HA bột được tổng hợp ở 900oC trong 30 phút........43

Hình 3. 5. Kết quả SEM của mẫu HA được tổng hợp ở 900oC trong thời gian 30 phút
với nồng độ dung dịch H3PO4 lần lượt là 0,1 M (a) và 1 M (b). ...................................44
ix


Hình 3. 6. Giản đồ phổ hồng ngoại mẫu nung 900oC thời gian 30 phút .......................45
Hình 3. 7. Giản đồ phân tích nhiệt mẫu nung 900oC trong thời gian 30 phút...............46
Hình 3. 8. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH trong dung dịch SBF của bột HA theo thời
gian. ...............................................................................................................................47
Hình 3. 9. Phổ hồng ngoại của HA bột ngâm trong dung dịch SBF trong các khoảng
thời gian 7, 14, 21 và 28 ngày. ......................................................................................47
Hình 3. 10. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi pH trong dung dịch SBF của viên HA trong
thời gian 28 ngày ...........................................................................................................48
Hình 3. 11. Phổ hồng ngoại của HA viên ngâm trong dung dịch SBF .........................49
Hình 3. 12. Hình ảnh sự hình thành apatite trên bề mặt của HA theo thời gian xử lý
trong thời gian 7 ngày (a), 14 ngày (b), 21 ngày (c )và 28 ngày (d). ............................50

x


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I.1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU Y SINH
I.1.1. Khái quát về vật liệu y sinh
Vật liệu y sinh là một vật liệu tổng hợp được sử dụng để thay thế một phần của
cơ thể sống hoặc có chức năng liên hệ mật thiết với mô sống. Vật liệu y sinh nguồn
tự nhiên hay nhân tạo có thể sử dụng lâu dài như một phần của cơ thể khi bổ sung
hoặc thay thế cho các mô, các bộ phận hoặc chức năng của cơ thể [2]. Vật liệu y sinh
được phân loại theo sự khác nhau về thành phần hóa học, cấu trúc, hoạt tính sinh học.
Khi vật liệu được cấy ghép vào cơ thể thì giữa vật liệu cấy ghép và cơ thể sẽ xảy ra
các quá trình tương tác và các phản ứng sinh hóa tại vị trí cấy ghép. Do đó, vật liệu

cấy ghép phải tương thích với mơ xung quanh để phục hồi chức năng cần thiết,
không phát sinh các chất độc hại hoặc làm thay đổi đáng kể diện tích bề mặt và cơ
tính của mô sống [1]. Các tương tác của mô và dịch cơ thể với vật liệu y sinh có vai
trị quan trọng trong việc đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu trong y học [2].
I.1.2. Yêu cầu của vật liệu y sinh
Vật liệu y sinh cần thỏa mãn các yêu cầu về cơ lý và hoạt tính sinh học như sau
[3]:
+Vật liệu phải có độ bền cơ đủ lớn, modul đàn hồi của vật liệu xấp xỉ modul đàn
hồi của vật liệu được thay thế, tính chất vật liệu khơng thay đổi trong q trình sử
dụng, bền trong mơi trường sinh hóa,kết cấu đơn giản cho q trình thay vào và lấy
ra, khơng tích điện và khơng tích nhiệt.
+Vật liệu cấy ghép khơng gây kích ứng có hại cho mô xương, không xảy ra
phản ứng thải loại với cơ thể, khơng sinh khối u, kháng xói mịn, có độc tinh thấp,
phải có tinh tương thích sinh học.
I.1.3. Phân loại vật liệu y sinh
I.1.3.1. Phân loại vật liệu y sinh theo sự tương tác với tế bào cơ thể sống
Từ sự tiến bộ của khoa học, nhiều loại vật liệu đã được nghiên cứu và sử dụng
trong y học nhằm thay thế hoặc hỗ trợ hình thành mơ xương cho các phần bị khiếm
khuyết của cơ thể. Dựa vào kết quả của quá trình tương tác giữa vật liệu cấy ghép và
1


mô cấy ghép, y học đã phân loại vật liệu y sinh thành: vật liệu trơ sinh học, vật liệu
hoạt tính sinh học và vật liệu hấp thụ sinh học như bảng 1.1 [1].
Bảng 1. 1. Kết quả của quá trình tương tác giữa cơ thể và mơ cấy ghép [1]
Loại vật liệu
Trơ sinh học

Kết quả tương tác

Ví dụ

Hình thành lớp vỏ xơ không

Alumin

(Al2O3),

Zirconi

liên kết xung quanh mô cấy

(ZrO2), Carbon

Hoạt tính sinh

Hình thành liên kết với mơ

Hydroxyapatite, thủy tinh y

học

cấy

sinh, A-W thủy tinh

Hấp thụ sinh

Hình thành mơ mới thay thế

Carbonate

học

mơ cấy

(CHA),

hydroxyapatite
β-Tricalcium

phosphate (β-TCP), calcium
carbonate
●Vật liệu trơ sinh học
Vật liệu y sinh trơ sinh học là loại vật liệu y sinh có khả năng hoạt động hóa học
kém, ít ảnh hưởng đến các liên kết của mô sống, bền trong cơ thể và có khả năng
chống mài mịn cao. Vì thế, khi cấy ghép vào cơ thể, các phản ứng của mô lên vật
liệu là hình thành lớp vỏ bọc bằng sợi khơng dính chặt. Các mơ sợi hình thành để
cách ly vật ghép với chủ thể, theo thời gian sẽ dẫn đến sự bao bọc hoàn toàn vật ghép
với các lớp sợi, bề dày của lớp vỏ này tùy thuộc vào các mơ nơi được cấy ghép [4].
●Vật liệu hoạt tính sinh học
Vật liệu y sinh hoạt tính sinh học là vật liệu có khả năng tạo liên kế với mơ.
Vật liệu này sẽ xảy ra phản ứng hóa học với cơ thể ở bề mặt của nó. Sau khi cấy
ghép, tại bề mặt vật liệu sẽ hình thành liên kết với mô [5]. Vật liệu này đáp ứng được
những thay đổi pH trong máu bằng cách giải phóng các ion Ca2+, Na+ và K+ và tạo
liên kết mô ở giao diện. Quá trình này sẽ hình thành một lớp carbonate apatite hoạt
tính trên bề mặt vật liệu [4]. Vài loại ceramic hoạt tính sinh học được sử dụng trong
phẫu thuật như HA, thủy tinh sinh học, A/W thủy tinh - gốm. Cơ tính của các gốm
hoạt tính sinh học yếu hơn so với gốm trơ sinh học, chỉ có A/W thủy tinh - gốm là
cứng hơn. Do đó, nó khơng phải là vật liệu phù hợp để chế tạo các bộ phận chịu lực

trong cơ thể như khớp nhân tạo.
2


●Vật liệu hấp thụ sinh học
Vật liệu hấp thụ sinh học là vật liệu mà khi cấy vào cơ thể sẽ phân hủy dần
theo thời gian và được các mô sống thay thế dần. Tốc độ phân hủy thay đổi tùy
thuộc loại vật liệu. Ưu điểm của vật liệu này là khi cấy ghép vào xương sẽ thay thế
cho xương với đầy đủ các tính năng của xương nên sẽ khơng bị cơ thể đào thải. Tuy
nhiên, trong q trình thay thế thì khả năng chịu lực của mơ mới sẽ yếu hơn so với
xương bình thường [4].
I.1.3.2. Phân loại vật liệu y sinh theo thành phần hóa học
●Vật liệu kim loại và hợp kim y sinh
Hiện nay, nhiều loại vật liệu kim loại và hợp kim đã được sử dụng làm vật liệu
y sinh để cấy ghép trong y học. Dựa vào đặc tính của mỗi loại vật liệu mà người ta có
những ứng dụng phù hợp (bảng 1.2)
Bảng 1. 2. Ứng dụng của các loại vật liệu y sinh kim loại và hợp kim [6]
Kim loại

Ứng dụng

Thép không rỉ

Cấy ghép xương, nối ghép chỉnh hình

Hợp kim Co-C-rMo

Nối ghép chỉnh hình, cấy ghép xương

Hợp kim Co-Ni

Cấy ghép xương, nối ghép chỉnh hình

CP Ti

Cấy ghép xương

Hợp kim (    ) Ti

Cấy ghép xương và nối ghép chỉnh hình

Hợp kim (  / near- ) Ti

Cấy ghép xương

Ni-Ti

Cấy ghép xương

Ta

Sự gia tăng xương
Vật liệu kim loại và hợp kim được sử dụng cho các chi tiết cấy ghép chịu lực

như: chân, dây cố định xương gãy, hông giả, ốc vít,… Một số ít trường hợp sử dụng
kim loại tinh khiết, phần lớn các trường hợp vật liệu cấy ghép là hợp kim do những
ưu điểm vượt trội về tính cơ lý, đàn hồi và khả năng chống ăn mòn của hợp kim. Ba

3

nhóm vật liệu kim loại y sinh được sử dụng nhiều là: hợp kim Co-Cr-Mo, thép không
gỉ 316L, titan nguyên chất và các hợp kim của titan [6]
Kim loại có tính cơ học tốt nhưng nhạy cảm với cơ thể khi được cấy ghép, dễ bị
ăn mịn điện hóa, hịa tan và gây phá hủy bề mặt. Trong quá trình ăn mịn điện hóa
của kim loại, vật liệu có thể giải phóng các ion, giảm hoạt tính sinh học, làm thay đổi
tính chất tế bào vùng lân cận và gây nguy hiểm cho bộ phận được cấy ghép. Nhằm
hạn chế sự phá hủy vật liệu kim loại, trước khi cấy ghép người ta thường xử lý bề
mặt của chúng bằng cách phủ một lớp gốm y sinh như Al2O3, ZrO2,… Các gốm y
sinh dạng oxit này là chất cách điện, cách nhiệt, trơ trong phản ứng điện hoá nên trở
thành lớp thụ động bề mặt cho vật liệu y sinh dạng kim loại [2].
●Vật liệu polymer y sinh
Polymer là vật liệu được sử dụng rộng rãi trong y sinh. Polymer y sinh là các
vật liệu hữu cơ trong phân tử tồn tại liên kết cộng hóa trị theo chuỗi, lập lại nhiều lần.
Polymer dẫn nhiệt và điện kém vì liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử polymer
là liên kết cộng hóa trị, các electron khó dịch chuyển. Dựa vào đặc tính của từng loại
polymer y sinh mà người ta có những ứng dung khác nhau như bảng 1.3 [7].
Polymer phân hủy sinh học được sử dụng làm chỉ khâu phẫu thuật, dẫn truyền
thuốc có kiểm sốt, kỹ thuật mô, cố định xương gãy. Trong vật liệu y sinh, một số
loại polymer tổng hợp đã được ứng dụng trong kỹ thuật cấy mơ, vì tính chất đặc biệt
như cơ tính, tốc độ phân hủy sinh học của chúng có thể điều chỉnh được thơng qua
q trình tổng hợp [8]. Polymer là vật liệu được sử dụng rộng rãi trong y sinh, chúng
được ứng dụng cho các thiết bị tim mạch cũng như thay thế và tăng thêm các mô
mềm. Polymer cũng được sử dụng trong các hệ thống dẫn truyền thuốc, chuẩn đoán
hỗ trợ, và như một loại vật liệu khung đỡ cho các ứng dụng kỹ thuật mô [8].

4


Bảng 1. 3. Đặc tính và ứng dụng của một số loại vật liệu polymer y sinh [7]

Hợp chất

Đặc tính

Ứng dụng

Polyacrylic acid

Bám dính tốt

Bột tạo răng

Polyethylene

Dẻo, chịu mài mịn tốt

Ống thơng tiểu

Polypropylene

Chịu lực căng tốt, bền hóa Chỉ khâu y khoa
học

Polyurethane

Bền mỏi

Máy trợ tim, nối mạch máu

Poly(dimethyl siloxane)

Dẻo

Mô vú

Cellulose acetate

Hấp thụ tốt

Màng sinh học

Nylon

Bền hóa học

Chỉ khâu y khoa

PMMA

Dẻo, bền, truyền suốt tốt

Thấu kính

PHEMA

Khả năng truyền suốt tốt

Thấu kính mềm

PTFE

Cách ẩm tốt, độ nhờn cao

Ống thông tiểu, ghép mạch

PET

Chịu lực căng tốt

Ghép mạch, mô cấy

Vật liệu polymer được sử dụng rộng rãi trong y sinh nhưng nó vẫn tồn tại
những hạn chế nhất định. Sự lão hóa polymer xảy ra do sự phá vỡ cấu trúc phân tử,có
thể do những thay đổi trong liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử hoặc sự thay đổi
tương tác phân tử giữa các chuỗi. Trong polymer, ngoài các hợp chất cần thiết để
tổng hợp, nó cịn chứa nhiều hợp chất phụ gia, xúc tác, chất ức chế.Theo thời gian
trong môi trường sinh lý, những hợp chất này có thể ngấm từ bề mặt polymer ra môi
trường. Tương tự trường hợp bị ăn mịn của vật liệu cấy ghép kim loại, hóa chất được
phát tán từ polymer có thể gây ra phản ứng bất lợi cho mô chủ xung quanh [8]
●Vật liệu composite y sinh
Vật liệu y sinh có vai trị rất quan trọng trong sự thành công của lĩnh vực kỹ
thuật cấy mơ nhân tạo. Do đó, việc lựa chọn vật liệu y sinh phù hợp đáp ứng chất
lượng yêu cầu dùng trong vật liệu cấy ghép lâm sàn là một vấn đề khó khăn. Để giải
quyết các vấn đề đó, người ta dựa vào các ưu điểm của từng loại vật liệu bằng cách
chế tạo thành các vật liệu composite. Sự kết hợp của các vật liệu polymer tự nhiên và

5


tổng hợp có thể làm tăng cường khả năng tương tác giữa các tế bào. Vật liệu

composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau, tạo thành vật liệu
mới có tính năng vượt trội so với các vật liệu ban đầu. Mỗi vật liệu composite gồm
một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất (pha là
một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite). Pha liên tục
gọi là vật liệu nền (matrix) làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián
đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền
để làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mịn, chống xước ... Các vật liệu composite
có nhiều ưu điểm như: cải thiện độ cứng, độ bền và trọng lượng của vật liệu nhẹ hơn
có thể thay đổi linh hoạt, có khả năng tương thích sinh học cao và phù hợp cho từng
ứng dụng. Do đó, composite rất thích hợp trong ứng dụng làm vật liệu y sinh, và điều
quan trọng nhất là vật liệu composite phải. Một số ứng dụng của vật liệu composite
làm vật liệu y sinh: làm răng, cấy ghép chỉnh hình với các bề mặt xốp như làm
xương, mạch máu, hệ thống thần kinh [9].
Hiện nay, composite ceramic-polymer được xem là vật liệu y sinh có nhiều
tiềm năng trong ứng dụng làm vật liệu nhân tạo. Các ceramic (calcium phosphate,
tricalcium phosphate và hydroxyapatite) kết hợp với khung polymer để tạo
composite, sẽ làm tăng khả năng dẫn và liên kết xương của pha vô cơ với các lỗ xốp
và khả năng kết nối bên trong của cấu trúc ba chiều. Sự kết hợp này tạo ra khung
xương hoạt tính sinh học cao và hình thành mơ xương mới có độ bền tốt hơn. Vật
liệu composite có cấu trúc nano tăng cường cơ tính như cải thiện độ bền kéo, độ bền
uốn, modul đàn hồi tương tự như xương tự nhiên [10]. Vật liệu composite còn được
tạo ra bằng cách phủ (bảng 1.5) lên bề mặt khung bởi các vật liệu tự nhiên, để cải
thiện khả năng bám dính và sự sinh sơi phát triển của tế bào xương. Hơn nữa, đây là
quá trình loại bỏ tính kỵ nước bên trong cấu trúc, do đó làm tăng khả năng tổ hợp tế
bào xương khi cấy ghép.

6


Bảng 1. 4. Bioceramic phủ [11]

Chất nền

Phủ

Thép không rỉ 316L

Pyrolytic carbon

Thép khơng rỉ 316L

45S5 Bioglass®

Thép khơng rỉ 316L

 Al2O3-HA-TiN

Thép khơng rỉ 316L

HA

Thép khơng rỉ 316L

SE51(45S5) Bioglass®

Hợp kim Co-Cr

45S5 Bioglass® và Bioglass® 52S4.6

Hợp kim Co-Cr

HA

Hợp kim Ti-6AI-4V

45S5 Bioglass®

Hợp kim Ti-6AI-4V

HA

Hợp kim Ti-6AI-4V

TCP

Hợp kim Ti-6AI-4V

HA

Hợp kim Ti-6AI-4V

Al2O3

Hợp kim Ti-6AI-4V + porous beads

TiO2-HA

Hợp kim Ti-6A1-4V + bột Ti

HA

Alumina

45S5 Bioglass®

Hạn chế của vật liệu composite y sinh: Khó tạo khung có kích thước hạt
nano, do đó làm hạn chế sự phân bố của các pha khác vào, dẫn đến làm giảm chất
lượng của vật liệu cấy ghép. Tuy nhiên, theo một số nghiên cứu trong vivo gần đây
cho thấy rằng khi composite được sử dụng cấy ghép trong cơ thể trong một thời gian
dài, thì các hạt nano hydroxyapatite có thể kích thích sự viêm nhiễm trong tế bào
bạch cầu trung tính của người. Do đó, tốc độ phân hủy của khung nano-composite có
thể làm tăng sự giải phóng nano hydroxyapatite, và có thể tạo ra một số phản ứng
khơng thể dự đốn trước. Composite có chứa sợi nano cacbon và nano tube tuy có
khả năng cải thiện cơ tính của vật liệu cấy ghép nhưng khơng có khả năng phân hủy
sinh học, dẫn đến làm tăng sự lo ngại về sự miễn dịch và sự xơ hóa của vật liệu cấy
ghép [10].
7


●Vật liệu gốm sứ y sinh
Vật liệu gốm y sinh có hoạt tính sinh học tốt hơn so với vật liệu y sinh kim
loại và vật liệu y sinh polymer. Trong thành phần vật liệu gốm y sinh chứa các hợp
chất có tính chất hóa học ổn định, ít có khả năng gây tác dụng phụ. Ưu điểm của gốm
y sinh là có khả năng tạo tương tác sinh học ở mức độ khác nhau trong môi trường
sinh lý, thuận lợi cho vật liệu cấy ghép cũng như mô xung quanh hoạt động ổn định,
tạo liên kết bề mặt với xương [12]. Vật liệu gốm được chia làm ba loại là [13]: vật
liệu trơ (bioinert), vật liệu hoạt tính (bioactive) và vật liệu hấp thụ (bioresorabble).
* Ứng dụng của vật liệu ceramic y sinh
Hiện nay, vật liệu gốm y sinh đang được ứng dụng phổ biến trong kỹ thuật
chỉnh hình cho cơ thể người. Vật liệu gốm y sinh có mật độ phù hợp, bền hóa học và
tính tương tác sinh học với mô sống tốt hơn các vật liệu sinh học khác nhau như

polymer hay kim loại [12]. Do khả năng tương thích sinh học nên gốm y sinh được
dùng để cấy ghép xương, khớp, răng và dùng làm chất phủ bên ngoài các vật liệu cấy
ghép kim loại [14]. Để cải thiện cơ tính của vật liệu gốm y sinh, đã có một số nghiên
cứu tổng hợp compsite trên cơ sở kết hợp gốm và polymer hoặc kim loại, hợp kim
[10]. Gốm y sinh được dùng thường ở dạng kết khối, dạng rỗng xốp, hoặc dạng hạt
cát. Trong đó dạng kết khối dùng cho những chi tiết cấy ghép đòi hỏi bền cơ học cao,
dạng rỗng xốp dùng ở những vùng xương bị khuyết tật mà không phải chịu lực lớn,
dạng hạt được dùng để gia cố xương (ví dụ như nứt rạn hay vết trám trên xương).
Gốm y sinh có thể thay thế cho các bộ phận của hệ tuần hoàn, đặc biệt là van tim.
Thành phần pha của gốm y sinh đa dạng (có thể là đơn tinh thể, đa tinh thể, thủy
tinh,..) được ứng dụng phụ thuộc vào đặc tính và chức năng của bộ phận được cấy
ghép. Ví dụ như: đơn tinh thể sapphire được dùng nhu vật liệu cấy đa khoa vì có độ
bền cao, A/W thủy tinh-gốm được dùng thay thề xương cột sống vì độ bền cơ cao và
liên kết được với xương, thủy tinh hoạt tính có độ bền cơ thấp nhưng liên kết nhanh
với xương nên được dùng trám xương [15]…Vật liệu calcium phosphate có thành
phần hóa học và cấu trúc tương tự như các khoáng chất trong xương, nên có độ tương
thích sinh học tốt hơn so với các loại vật liệu gốm y sinh khác như Al2O3, ZrO2.
Nhưng nó có hạn chế là thuộc tính cơ học kém hơn nên chỉ được sử dụng cho những
8


vị trí chịu lực thấp. Đối với calcium phosphate thì tricalcium phosphate (TCP)
(Ca3(PO4)2) và hydroxyapatite (HA) (Ca10(PO4)6(OH)2) được chú ý nhiều do độ
tương thích sinh học tốt của chúng trong mơi trường cơ thể người [16]. Vật liệu
calcium phosphate có thể chống lại sự tấn công của vi khuẩn, sự thay đổi pH, ít bị
hịa tan. Vật liệu calcium phosphate tồn tại ở nhiều dạng khác nhau; phụ thuộc vào
nhiệt độ, áp suất riêng phần của hơi nước, sự hiện diện của các tạp chất khác. HA,
alpha tricalcium phosphate (α-TCP), beta tricalcium phosphate (β-TCP), biphasis
calciumphosphate (BCP) và monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) là
những dạng calcium phosphate thường được dùng trong vật liệu y sinh [16]. Trong

đó, HA khi ứng dụng trong cơ thể người có độ ổn định tốt nhất ở pH lớn hơn 4,3 (pH
của máu người khoảng 7,4) [17].

I.2. TỔNG QUAN VỀ HYDROXYAPATITE
Vật liệu gốm y sinh thuộc họ calcium phosphate đã sử dụng phổ biến trong y
học chỉnh hình chữa những khuyết tật của xương, cấy ghép nha khoa, phẫu thuật răng
hàm mặt,… vật liệu nhóm calcium phosphate gồm nhiều chất khác nhau, thành phần
hóa học và tỷ lệ Ca/P được tóm tắt như bảng 1.6.
Trong họ calcium phosphate, HA vật liệu được nghiên cứu ứng dụng nhiều
trong kỹ thuật chỉnh hình do có cấu trúc tương tự và là thành phần khống vơ cơ chủ
yếu trong xương người. HA đóng vai trị quan trọng trong q trình khống hóa và
tái hấp thụ của xương [1].
Bảng 1. 5. Các hợp chất của họ calcium phosphate [18]
Ký hiệu

Công thức hóa học

Danh pháp

Tỷ lệ
Ca/P

MCP

Ca(H2PO4)2

Monocalcium phosphate hydrate

0.50

DCPA

CaHPO4

Dicalcium phosphate anhydrous

1.00

DCPD

CaHPO4.2H2O

Dicalcium phosphate dihydrate

1.00

OCP

Ca8H2(PO4)6.5H2O

Octocalcium phosphate

1.33

α-TCP

α-Ca3(PO4)2

α-Tricalcium phosphate

1.50

β-TCP

β-Ca3(PO4)2

β-Tricalcium phosphate

1.50

9


TTCP

Ca3(PO4)2O

Tetrecalcium phosphate

2.00

OHA

Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx

Oxyhidroxyapatite

1.67

OA

Ca10(PO4)6O

Oxyapatite

1.67

HA

Ca10(PO4)6(OH)2

Hidroxyapatite

1.67

I.2.1. Giới thiệu về hydroxyapatite
Hydroxyapatit, Ca10(PO4)6(OH)2, có màu trắng, trắng ngà, vàng nhạt hoặc
xanh lơ, tuỳ theo điều kiện hình thành, kích thước hạt và trạng thái tập hợp. HA có
nhiệt độ nóng chảy 17600C và nhiệt độ sơi 28500C, độ tan trong nước 0,7g/l, khối
lượng mol phân tử 1004,60g, khối lượng riêng là 3,156g/cm3, độ cứng theo thang
Mohs bằng 5 [18].
Các tinh thể HA tự nhiên và nhân tạo thường tồn tại ở dạng hình que, hình
kim, hình vảy,… [19]. Sử dụng phương pháp hiển vi điện tử SEM hoặc TEM có thể
nhận biết được các dạng tồn tại của tinh thể HA (Hình 1.1).

Hình 1. 1. Ảnh hiển vi điện tử của các dạng tinh thể HA
10


(a) – Dạng hình que

(b) – Dạng hình trụ

(c) – Dạng hình cầu

(d) – Dạng hình sợi

(e) – Dạng hình vảy

(f) – Dạng hình kim

Hydroxyapatite tồn tại ở hai dạng cấu trúc là dạng lục phương (hexagonal) và
dạng đơn tà (monoclinic). Hydroxyapatite dạng lục phương thường được tạo thành
trong quá trình điều chỉnh nhiệt độ từ 25oC - 100oC, cịn dạng đơn tà chủ yếu được
sinh ra khi nung dạng lục phương ở 850oC trong khơng khí sau đó làm nguội đến
nhiệt độ phòng. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hai dạng này giống nhau hoàn toàn về số
lượng và vị trí của các vạch nhiễu xạ . Chúng chỉ khác nhau về cường độ của peak,
dạng đơn tà cho các peak có cường độ yếu hơn các peak của dạng lục phương khoảng
1% [19].

Hình 1. 2. Cấu trúc ô mạng cơ sở của tinh thể HA
Công thức cấu tạo của phân tử HA được thể hiện trên hình 1.2, có thể nhận
thấy phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, các liên kết Ca - O là liên kết cộng hố trị.
Hai nhóm OH được gắn với hai nguyên tử P ở hai đầu mạch [20]:

Hình 1. 3. Liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử HA [20]

11