Tổng hợp forsterite bằng pháp SOL GEL ứng dụng làm vật liệu y sinh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------

ĐÀO THỊ PHƯƠNG THẢO

TỔNG HỢP FORSTERITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP
SOL-GEL ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU Y SINH
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Mã số ngành: 60 52 75

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2013


TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------

ĐÀO THỊ PHƯƠNG THẢO

TỔNG HỢP FORSTERITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP
SOL-GEL ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU Y SINH
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60 52 75

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:
TS. Lê Minh Viễn
Cán bộ chấm nhận xét 1:
PGS. TS Đỗ Quang Minh
Cán bộ chấm nhận xét 2:
PGS. TS Nguyễn Đình Thành

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.
HCM ngày 25 tháng 07 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 Đỗ Quang Minh
2. PGS. TS Nguyễn Đình Thành
3. TS. Lê Quang Long
4. TS. Lý Cẩm Hùng
5. TS. Lê Minh Viễn
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

TS. Lê Quang Long

TRƯỞNG KHOA

PGS. TS Phan Thanh Sơn Nam

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: Đào Thị Phương Thảo

MSHV: 11054173

Ngày, tháng, năm sinh: 08/10/1985

Nơi Sinh: Bến Tre

Chun ngành: Cơng nghệ hóa học

Mã số: 605275

I. TÊN ĐỀ TÀI: “Tổng hợp forsterite bằng phương pháp sol-gel ứng dụng làm vật
liệu y sinh”.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tổng hợp forsterite bằng phƣơng pháp sol-gel
2. Nghiên cứu các điều kiện, các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp
forsterite bằng phƣơng pháp sol-gel.
3. Khảo sát một số đặc tính của vật liệu tổng hợp đƣợc.
4. Đánh giá khả năng tƣơng thích sinh học và khảo sát sự hình thành apatite

trên bề mặt của forsterite trong nghiên cứu vitro (ngâm trong dung dịch
SBF)
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 21/01/2013

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21/06/2013
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
TS. LÊ MINH VIỄN

: TS Lê Minh Viễn.
TP. HCM, ngày … tháng … năm 2013
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
TS. HUỲNH KỲ PHƢƠNG HẠ

TRƯỞNG KHOA
PGS.TS PHAN THANH SƠN NAM


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 7 năm 2013

Đào Thị Phương Thảo

LỜI CÁM ƠN
Luận văn cao học là một bước ngoặc để mở ra con đường mới trong tương lai. Trong
khoảng thời gian này, tơi gặp khơng ít khó khăn và thử thách để đạt được mục tiêu
này. Có những lúc tơi gặp khó khăn, tơi tưởng chừng mình khơng thể vượt qua.
Nhưng dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn, TS. Lê Minh
Viễn, cùng sự hỗ trợ của tồn thể thầy cơ bộ mơn Kỹ thuật Hóa Vơ Cơ - Khoa Kỹ
thuật Hóa Học trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, cũng như sự ủng hộ tinh thần và
sự giúp đỡ của gia đình và bạn bè là những động lực rất lớn giúp tôi vượt qua khó
khăn và hồn thành luận văn tốt nghiệp đúng thời hạn.
Tôi chân thành cám ơn TS. Lê Minh Viễn đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tơi hồn
thành tốt luận văn.
Tôi xin gửi lời cám ơn quý thầy cơ ở bộ mơn Kỹ Thuật Hóa Vơ Cơ và q thầy cơ ở
phịng thí nghiệm Kỹ Thuật Hóa Vơ Cơ đã tạo điều kiện trong suốt quá trình thực
hiện luận văn để tơi có thể hồn thành tốt luận văn này.
Con xin chân thành cám ơn tình yêu của cha mẹ đã dành cho con, cha mẹ và các em
là chỗ dựa vững chắc, là nguồn động viên to lớn, tiếp thêm sức mạnh cho con có động
lực đi tiếp lên con đường phía trước.
Cuối cùng, tơi xin cám ơn sự động viên và sự giúp đỡ của bạn bè tơi trong suốt q
trình làm luận văn.

i


TÓM TẮT
Forsterite, Mg2SiO4, là vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng làm vật liệu y sinh.
Gần đây, các nghiên cứu phát hiện ra rằng forsterite có độ bền uốn và bền chống gãy
tốt hơn so với hydroxyapatie. Trong nghiên cứu này, bột nano tinh thể forsterite được
tổng hợp bằng phương pháp sol-gel từ magnesium nitrate và TetraEthOxySilane

(TEOS). Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tổng hợp forsterite được nghiên cứu và được
phân tích bằng nhiễu xạ tia X (XRD). Nhiệt độ bắt đầu hình thành tinh thể forsterite ở
8000C. Kích thước tinh thể của bột forsterite ở 10000C được tính theo cơng thức
Scherrer’s là 26÷39 nm. Hình thái và kích thước hạt của bột forsterite tổng hợp được
đo bằng kỹ thuật kính hiển vi điện tử quét (SEM). Kết quả chỉ ra rằng kích thước hạt
của bột forsterite nung ở 10000C là 43-50 nm và ở 12000C là 150-200 nm. Sự kết
khối và cơ tính của vật liệu cũng được nghiên cứu. Độ kết khối đạt được 95, 906% ở
10000C, 96,937% ở 11000C và 98,367% ở 12000C. Bên cạnh đó, hệ số giãn nở nhiệt
đạt được là TEC  2,9×10-7/0C (30-10500C). Khả năng tương thích sinh học của
forsterite bột và forsterrite viên đã nung kết khối được ngâm trong dung dịch sinh lý
SBF và khảo sát sự hình thành apatite trên bề mặt của các mẫu. Trong suốt q trình
ngâm trong dung dịch SBF, thì tốc độ hịa tan của forsterite bột và forsterite viên xảy
ra nhanh hơn và apatite đã hình thành trên bề mặt mẫu sau 7 ngày ngâm. Kết quả thực
nghiệm forsterite tổng hợp được có thể dùng để nghiên cứu trong ứng dụng làm vật
liệu y sinh.

ii


ABSTRACT

Forsterite, Mg2SiO4, is a promising materials due to its good biocompatibility.
Recently, It was found that forsterite has a better bending strength and fracture
toughness than those of hydroxyapatite. In this study, nanocrystalline forsterite
powder was synthesized according to the sol-gel method using magnesium nitrate and
TetraEthOxySilane (TEOS) as precursors. The synthesic conditions have been studied
by using X-ray diffraction (XRD) technique. The initial crystallization temperature of
forsterite was around 800oC while fully crystallized forsterite was obtained at 1000oC.
The crystallite size of calcined forsterite powder at 1000oC according to Scherrer’s
formula was in the range of 26÷39 nm. Morphology and particle size of synthesized

forsterite powder were studied by scanning electron microscopy (SEM) technique.
Their sinterability and mechanical properties were then studied. Biocompatibility of
the nano forsterite powders and sintered tablet forsterites was 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. Results
showed the particle size of calcined forsterite at 10000C of 43-50 nm and at 1200oC of
150-200 nm. Their sinterability were achived 95,906% at 10000C, 96,937% at 11000C
and 98,367% at 12000C. In addition, thermal epansion coefficent of forsterite achived
TEC  2,9×10-7/0C (30-10500C). During immersion in SBF, the dissolution rate of
the forsterite nanopowder and sintered tablet forsterites was occured faster than and
apatite was formed after soaking for 7 days. Our study indicated that nanopowder
forsterite can be used for biomaterial applications.

iii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

FS: Forsterite
SBF:Simulated Body Fluid – Dung dịch sinh học nhân tạo
SEM: Scanning Electron Microscopy – Kỹ thuật chụp hiển vi điện tử
XRD: X-ray Diffraction – Nhiễu xạ tia X
FT-IR: Fourier Transform Infra-Red-Phổ hồng ngoại
TGA: Thermogravimetry Analysis – Phân tích nhiệt khối lượng
DTG: Derivative Thermogravimetry – Đạo hàm phân tích nhiệt khối lượng
DSC: Differential Scanning Calorimetry-Phân tích nhiệt lượng kế quét vi sai
HA: Hydroxyapatite
EDS: Energy Dispersive Spectrometer – Phổ năng lượng phân tán
XRF: X-ray fluorescence – Nhiễu xạ tia X huỳnh quang
TEC: Thermal expansion coefficient – Hệ số giản nở nhiệt

TP.HCM: Thành phố Hồ Chí Minh
PLA-PGA: Poly(lactic acid)-poly(glyco1ic acid)
TCP: Tricalcium phosphate
KQBL: Kết quả bàn luận
North America: US, Canada, Mexico (NAFTA region)
Asia Pacific: Countries of Asia, Australia, New Zealand-Các nước châu Á, Úc, New
Zealand.
Asia Pacific*: Asia Pacific excluding Japan- Các nước châu Á, Úc, New Zealand
(ngoại trừ Nhật Bản).
ROW: Rest of the world-Các nước còn lại.

iv


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ................................................................................................ 1
1. Tổng quan về vật liệu y sinh .......................................................................................... 1
1. 1. Phân loại về vật liệu y sinh ........................................................................................ 1
1.2. Vật liệu y sinh kim loại ............................................................................................... 2
1.3. Composite ................................................................................................................... 3
1.4. Gốm sứ y sinh ............................................................................................................. 6
1.4.1. Phân loại vật liệu gốm sứ y sinh .............................................................................. 7
1.4.2. Ceramic thụ động sinh học ....................................................................................... 8
1.4.3. Gốm sứ y sinh tái hấp thụ ...................................................................................... 10
1.4.4. Ceramic hoạt tính sinh học ..................................................................................... 10
2. Tổng quan về forsterite và các phương pháp điều chế ................................................ 13
2.1. Đại cương về forsterite .............................................................................................. 13
2.1.1. Thành phần ............................................................................................................. 13
2.1.2. Cấu trúc .................................................................................................................. 13

2.1.3. Tính chất ................................................................................................................ 14
2.1.4. Ứng dụng của forsterite trong vật liệu y sinh ........................................................ 15
2.2. Các phương pháp tổng hợp forsterite ........................................................................ 15
2.2.1. Phương pháp phản ứng pha rắn ............................................................................. 15
2.2.2. Phương pháp sol-gel .............................................................................................. 17
3. Hoạt tính sinh học của FS ............................................................................................ 19
4. Đặt vấn đề .................................................................................................................... 21
5. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 23
6. Mục tiêu đề tài .............................................................................................................. 24
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ....................................................................................... 25
1. Nội dung nghiên cứu .................................................................................................... 25
1. 1. Điều chế FS .............................................................................................................. 25
1.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm. ............................. 27
1.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol Mg:Si................................................................ 27
1.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol HNO3:Si ........................................................... 27
1.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nước.............................................................. 28
1.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ ........................................................................... 29
1.2.5. Khảo sát theo thời gian nung ................................................................................. 30
1.3. Nghiên cứu kết khối sản phẩm (khảo sát độ kết khối) .............................................. 31
1.4. Khảo sát sự hình thành apatite trên Mg2SiO4 trong dung dịch SBF ......................... 33
1.4.1. Cách pha dung dịch sinh lý SBF* .......................................................................... 33
1.4.2. Phương pháp đánh giá trong vitro (ngâm trong dung dịch SBF) .......................... 34
2. Các phương pháp phân tích.......................................................................................... 35
2.1. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể dựa vào kết quả phân tích Xray và phần mềm
Unitcell®. ......................................................................................................................... 35
2.2. Phương pháp phân tích nhiệt TGA-DSC .................................................................. 37
2.3. Kính hiển vi nhiệt ...................................................................................................... 38
v

2.4. Phương pháp phổ hồng ngoại FTIR .......................................................................... 38
2.5. Phương pháp phân tích XRF ..................................................................................... 40
2.6. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét ..................................................................... 40
2.7. Xác định độ cứng của vật liệu kết khối ..................................................................... 41
2.8. Xác định độ giãn nở nhiệt của vật liệu liệu kết khối................................................. 42
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..................................................................... 45
1. Tổng hợp forsterite ....................................................................................................... 45
1.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Mg:Si ................................................................................ 45
1.2. Khảo sát theo tỉ lệ mol HNO3/TEOS ........................................................................ 46
1.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nước ................................................................ 48
1.4. Phân tích nhiệt ........................................................................................................... 49
1.5. Khảo sát ảnh hưởng theo nhiệt độ nung ................................................................... 51
1.6. Khảo sát ảnh hưởng theo thời gian nung .................................................................. 53
2. Khảo sát tính chất của sản phẩm .................................................................................. 54
2.1. Phân tích FT-IR ......................................................................................................... 54
2.2. Phân tích hình thái hạt ............................................................................................... 56
2.2. Phân tích kính hiển vi nhiệt ....................................................................................... 56
2.4. Đánh giá độ kết khối của sản phẩm. ......................................................................... 58
2.5. Độ cứng. .................................................................................................................... 59
2.6. Hệ số giãn nở nhiệt. .................................................................................................. 60
3. Đánh giá khả năng tương thích sinh học của forsterite trong nghiên cứu vitro ........... 61
3.1. Forsterite ở dạng bột ................................................................................................. 61
3.1.1. Sự thay đổi pH trong dung dịch SBF ..................................................................... 61
3.1.2. Khả năng hoạt tính sinh học của forsterite bột ...................................................... 62
3.2. Forsterite dạng viên. .................................................................................................. 63
3.2.1. Sự thay đổi pH trong dung dịch SBF. .................................................................... 63
3.2.2. Khả năng hoạt tính sinh học và cấu trúc apatite của forsterite dạng viên. ............ 64
IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 72
1. Kết luận ........................................................................................................................ 72
2. Kiến nghị ...................................................................................................................... 73

V. DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................... 74
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 84

vi


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các vật liệu kim loại sử dụng trong cấy ghép chỉnh hình. ................................ 2
Bảng 1.2: Bioceramic phủ ................................................................................................ 5
Bảng 1.3: Ứng dụng lâm sàn của gốm sứ y sinh. .............................................................. 6
Bảng 1.4: Thị trường gốm sứ y sinh trong cấy ghép chỉnh hình ....................................... 7
Bảng 1.5: Phản ứng giữa mô- gốm sứ y sinh. ................................................................... 8
Bảng 1.6: Thành phần khác nhau của các loại thủy tinh sinh học. ................................. 11
Bảng 2.1: Giá trị khảo sát theo tỷ lệ mol Mg:Si. ............................................................. 27
Bảng 2.2: Giá trị khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol HNO3:Si. ........................................ 28
Bảng 2.3: Giá trị khảo sát của hàm lượng nước. ............................................................. 29
Bảng 2.4: Giá trị khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ. ........................................................ 29
Bảng 2.5: Giá trị khảo sát theo thời gian nung. ............................................................... 30
Bảng 2.6: Bảng hóa chất pha 1 lit dung dịch SBF........................................................... 34
Bảng 3.1: Kết quả phân tích XRF của forsterite. ............................................................ 56
Bảng 3.2: Phần trăm độ kết khối của forsterite theo nhiệt độ. ........................................ 58
Bảng 3.3: Kết quả đo độ cứng Vicker của forsterite theo nhiệt độ kết khối. .................. 59

vii


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Phân loại của các vật liệu y sinh. ...................................................................... 1

Hình 1.2: Thị trường các ceramic y sinh trong cấy ghép chỉnh hình ............................... 7
Hình 1.3: Mép nối alumina ceramic ................................................................................. 9
Hình 1.4: Cấu trúc forsterite ........................................................................................... 14
Hình 1.5: Sơ đồ mơ tả khả năng tương thích sinh học .................................................... 19
Hình 2.1: Quy trình tổng hợp FS. .................................................................................... 25
Hình 2.2: Gel forsterite sau khi sấy ở 1400C trong 8 h. .................................................. 26
Hình 2.3: Mẫu bột forsterite thu được sau khi nung (a) 5000C trong 2 h, (b) 10000C
trong 4 h. .......................................................................................................................... 27
Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu theo tỷ lệ mol Mg:Si = 1,9:1,0 (a); 2,0:1,0
(b); và 2,1:1,0 (c) được nung ở 12000C, 4 h. ................................................................... 45
Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu khảo sát theo tỷ lệ mol HNO3:Si; 0,1:1,0
(a); 1,0:1,0 (b); 3,0:1,0 (c); 4,0:1,0 (d); 6,19:1,0 (e); 7,19:1,0 (f); 9,29:1,0 (g) được
nung ở nhiệt độ 12000C trong 4 h. ................................................................................... 46
Hình 3.3: Kết quả phân tích XRD của các mẫu forsterite ứng với

n

H2O

: n Si là (a)

625:3, (b) 625:2, (c) 625:1, nung ở nhiệt độ 12000C trong 4 h. ....................................... 48
Hình 3.4: Đường cong phân tích nhiệt đồng thời DSC-TGA của mẫu sau giai đoạn
gel hóa và sấy ở 1400C trong 8 h (tốc độ dịng khí 20 ml/phút, tốc độ gia nhiệt
50C/phút). ......................................................................................................................... 50
Hình 3.5: Đường cong phân tích nhiệt trọng lượng TG-DTG của mẫu sau giai đoạn
gel hóa sấy ở 1400C trong 8 h. ......................................................................................... 50
Hình 3.6: Phổ nhiễu xạ tia X của Mg2SiO4 được tổng hợp với tỷ lệ mol Mg:Si =
2,0:1,0; nhiệt độ nung (a) 8000C, (b) 10000C, (c) 12000C và (d) 13000C, 4 h. ............... 52
Hình 3.7: Phổ nhiễu tia X của các mẫu FS được tổng hợp theo thời gian nung, 1 h (a),

2 h (b) và 4 h (c) ở 10000C. .............................................................................................. 54
Hình 3.8: Kết quả phân tích FT-IR của mẫu bột forsterite được tổng hợp ở 12000C, 4
h. ....................................................................................................................................... 55
Hình 3.9: Kết quả SEM của mẫu bột forsterite được tổng hợp ở (a) 10000C và (b)
12000C trong 4 h. ............................................................................................................. 56
Hình 3.10: Kết quả phân tích kính hiển vi nhiệt của mẫu bột sau giai đoạn gel sấy sơ
bộ ở 1400C. ....................................................................................................................... 57
Hình 3.11: Đường cong giãn nở nhiệt của forsterite của mẫu nung kết khối ở 11000C
trong 4 h. .......................................................................................................................... 60
Hình 3.12: Đồ thị biễu diễn sự thay đổi pH trong dung dịch SBF của bột forsterite
theo thời gian ngâm. ......................................................................................................... 61
Hình 3.13: Phổ hồng ngoại của FS bột ngâm trong dung dịch SBF theo thời gian (a);
(b) Hình cắt phóng to của (a). .......................................................................................... 62
Hình 3.14: Đồ thị biễu diễn sự thay đổi pH trong dung dịch SBF của forsterite viên
theo thời gian. ................................................................................................................... 64
Hình 3.15: Phổ FT-IR của mẫu FS dạng viên ngâm trong dung dịch SBF theo thời
gian (a); (b) Hình cắt phóng to của (a). ............................................................................ 66
viii


Hình 3.16: Hình SEM chụp bề mặt của mẫu forsterite ép viên và nung kết khối ở
11000C ở các độ phóng đại 10.000 (a) và 30.000 (b) (điện thế đầu dị 5 kV). ................ 67
Hình 3.17: Hình SEM chụp bề mặt của forsterite viên ngâm trong dung dịch SBF 7
ngày với các độ phóng đại 10.000 (a) và (b); 30.000 (c) và (d) (điện thế đầu dị 5 kV).
........................................................................................................................................... 69
Hình 3.18: Hình Sem chụp bề mặt ngâm trong 21 ngày của forsterite viên ở các độ
phóng đại (a) 300; (b) 1700 (điện thế dầu dị 29 kV). ..................................................... 69
Hình 3.19: Hình SEM chụp bề mặt forsterite viên ngâm trong dung dịch SBF 28 ngày
với các độ phóng đại 10.000 (a) và (c); 30.000 (b) và (d); điện thế đầu dò 5 kV. ........... 70
Hình 3.20: Phổ nhiễu xạ tia X của forsterite viên ngâm trong dung dịch SBF. (a) 0

ngày, (b) 28 ngày. ............................................................................................................ 70
Hình 3.21: Kết quả phân tích SEM-EDS của forsterite viên ngâm trong dung dịch
SBF. (a) 21 ngày; (b) 28 ngày. ......................................................................................... 71

ix


x


HVTH: Đào Thị Phương Thảo

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1. Tổng quan về vật liệu y sinh
Vật liệu y sinh có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như: y học và nha khoa, sinh học,
công nghệ sinh học, di truyền học con người hóa học, kỹ thuật... Đặc biệt các vật liệu
này được ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh, phần lớn được sử dụng để thay thế
cho các mô bị bệnh và bị hư hỏng với ưu điểm có khả năng tương thích sinh học cao,
cơ tính tốt… [1].
1. 1. Phân loại về vật liệu y sinh
Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ngày nay càng có nhiều loại vật liệu được
nghiên cứu và sử dụng trong y học với mục đích thay thế hoặc hỗ trợ hình thành mơ
xương cho các phần bị khiếm khuyết của cơ thể. Các vật liệu y sinh được nghiên cứu
sử dụng như: vật liệu kim loại và oxit kim loại; vật liệu polmer và vật liệu gốm sứ y
sinh [1].
Các vật liệu này bao gồm tự nhiên hoặc tổng hợp, vô cơ hoặc hữu cơ, kim loại,
polymer, hoặc gốm sứ. Sự phân loại các vật liệu này được mô tả ở hình 1.1 [1].

Hình 1.1: Phân loại của các vật liệu y sinh.
Hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn

1


HVTH: Đào Thị Phương Thảo

1.2. Vật liệu y sinh kim loại

Bảng 1.1: Các vật liệu kim loại sử dụng trong cấy ghép chỉnh hình.

Kim loại

Ứng dụng chính/(phụ)

Phương pháp

Thép khơng rỉ

Cấy ghép xương/nối ghép

Tạo hình làm nóng/ ủ, gia

chỉnh hình

cơng

Nối ghép chỉnh hình/ cấy

Đúc, tạo hình làm nóng/

ghép xương

ủ, p/m

Cấy ghép xương/nối ghép

Tạo hình làm nóng/ ủ

Hợp kim CoCrMo

Hợp kim Co-Ni

chỉnh hình
CP Ti

Cấy ghép xương

Tạo hình làm nóng/ ủ, gia
cơng

Hợp kim (    ) Ti

Hợp kim (  / near- ) Ti

Cấy ghép xương và nối

Tạo hình làm nóng/ ủ, gia

ghép chỉnh hình

cơng

Cấy ghép xương

Tạo hình làm nóng/ ủ, gia
cơng

Ni-Ti

Cấy ghép xương

Tạo hình làm nóng/ ủ, gia
cơng

Ta

Sự gia tăng xương

Sự thấm hóa học bằng
pha hơi

Vật liệu y sinh kim loại được chế tạo liên tục, dùng rộng rãi trong phẫu thuật
cấy ghép (là vật liệu cách ghép đầu tiên được dùng cách đây vài thập kỷ). Lớp vật
liệu này có độ bền, tính chống chịu gãy cao, nên được chế tạo làm các chi tiết chịu tải
trong ứng dụng lâm sàn (như tạo răng, xương,...). Thêm vào đó, kim loại có tính dẫn
Hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn

2

HVTH: Đào Thị Phương Thảo

điện tốt, thích hợp cho việc chế tạo các thiết bị y sinh sử dụng trong hệ thần kinh-tim
mạch, ví dụ: thiết bị tạo nhịp tim. Hơn nữa, các tính chất như kháng gãy tốt, dẫn điện,
dễ tạo hình là tính chất đặc trưng và là ưu điểm của lớp vật liệu này. Nhưng chỉ có
một lượng nhỏ kim loại được sử dụng làm vật liệu cấy ghép nhân tạo, là do sự lo ngại
về sự ăn mịn và khả năng tương thích sinh học của kim loại [2].
Vật liệu y sinh kim loại có thể đáp ứng điều kiện chịu tải của vật liệu cấy ghép
có thể phức tạp hơn và xảy ra linh hoạt hơn trong mơi trường cơ thể, u cầu phải có
khả năng kháng ăn mòn mỏi. Đồng thời, ứng dụng thay thế địi hỏi phải có khả năng
kháng sự mài mịn. Các vật liệu kim loại được ứng dụng làm vật liệu cấy ghép nhân
tạo được mô tả ở bảng 1.1[2].
1.3. Composite
Vật liệu y sinh có vai trị rất quan trọng trong sự thành công của lĩnh vực kỹ
thuật cấy mô 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 trên, người ta lợi dụng các ưu điểm của từng loại vật liệu bằng cách
chế tạo các vật liệu composite. Sự kết hợp của các vật liệu polymer tự nhiên và 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 hơn hẳn 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), thường 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 làm tăng cơ tính,
tính kết dính, chống mịn, chống xước ... Thuật ngữ "composite" thường được dùng
cho các vật liệu mà có các pha khác nhau được phân tách với quy mô lớn hơn so với
nguyên tử, và trong đó các đặc tính như các mơ đun đàn hồi bị thay đổi đáng kể so với
vật liệu đồng thể. Các vật liệu composite có nhiều ưu điểm hơn so với vật liệu đồng
thể như là cải thiện độ cứng, độ bền và trọng lượng của vật liệu nhẹ hơn có thể thay

đổi linh hoạt 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 có khả
Hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn

3


HVTH: Đào Thị Phương Thảo

năng tương thích sinh học cao. Hơn nữa, giao diện giữa các thành phần không bị phân
hủy trong môi trường cơ thể. Một số ứng dụng của vật liệu composite làm vật liệu y
sinh: (1) làm răng, (2) cấy ghép chỉnh hình với các bề mặt xốp như làm xương, mạch
máu, hệ thống thần kinh [3].
Hiện nay, composite ceramic-polymer được xem là vật liệu y sinh có tiềm năng
trong ứng dụng làm vật liệu nhân tạo, do các ceramic (calcium phosphate ceramic,
tricalcium phosphate và hydroxyapatite) sử dụng làm composite có khả năng tương
thích sinh học cao và tính dẫn xương, tái tạo xương tốt. Nhưng các ceramic này lại quá
cứng và quá giòn khi được sử dụng đơn lẻ. Hơn nữa, khi các ceramic này kết hợp với
khung polymer để tạo composite, sẽ làm tăng tiềm năng dẫn xương 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 và nâng cao khả năng hình thành
mơ xương có độ bền tốt hơn. Đồng thời, vật liệu composite có cấu trúc nano làm tăng
cường cơ tính như cải thiện độ bền kéo, độ bền uốn, modul đàn hồi tương tự như
xương tự nhiên [4].
Bên cạnh việc kết hợp giữa vật liệu ceramic với khung là polymer để làm tăng
sự tái phát triển của xương, vật liệu composite còn được tạo ra bằng cách phủ lên bề
mặt khung bởi các vật liệu tự nhiên, để cải thiện khả năng bám dính và sự sinh sôi phát
triển của tế bào xương. Hơn nữa, đây là q trình loại bỏ tính kỵ nước bên trong cấu
trúc, do đó làm tăng khả năng tổ hợp tế bào xương khi cấy ghép. Bảng 1.2 cho biết
một số loại composite được tổng hợp bằng cách phủ [4].

Nhưng hạn chế của vật liệu composite y sinh là [4]: 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. Thêm vào đó, 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

Hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn

4


HVTH: Đào Thị Phương Thảo

phân hủy sinh học, dẫn đến làm ảnh hưởng không tốt về sự miễn dịch và sự xơ hóa của
vật liệu cấy ghép.
Bảng 1.2: Bioceramic phủ [5].

Chất nền

Phủ

Thép khơng rỉ 316L

Pyrolytic carbon

Thép khơng rỉ 316L

45S5 Bioglass®

Thép không rỉ 316L

 Al2O3-HA-TiN

Thép không rỉ 316L

HA

Thép không 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®

Hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn

5

HVTH: Đào Thị Phương Thảo

1.4. Gốm sứ y sinh
Bước vào thế kỹ XXI, lĩnh vực gốm sứ y sinh đang trở thành một trong những
lĩnh vực thú vị nhất của khoa học và kỹ thuật vật liệu. Ứng dụng đầu tiên, trong lĩnh
vực này (50 năm trước) là tổng hợp và chế tạo vật liệu cấy ghép sử dụng trong y học
và nha khoa (bảng 1.3). Có rất nhiều loại vật liệu gốm sứ được tổng hợp nhằm thay
thế các bộ phân cơ thể người như: đầu gối, hông, răng...[1].
Các gốm sứ y sinh là một nhánh của vật liệu y sinh chiếm 50% tổng số vật
liệu y sinh của thế giới. Chúng rất cần thiết cho sự giảm bớt đau và phục hồi các chức
năng bị bệnh hoặc bị hư hỏng trong cơ thể. Sự đóng góp của gốm sứ y sinh là rất cần
thiết cho xương đặc biệt là ở người lớn tuổi (xương dễ bị gãy), do mật độ xương bị
mất và độ bền giảm theo tuổi thọ [1].
Bảng 1.3: Ứng dụng lâm sàn của gốm sứ y sinh [1].

Các vật liệu ceramic

Ứng dụng

Alumina, Zirconia viên

Chịu tải trong chỉnh hình

Thủy tinh hoạt tính sinh học, thủy tinh ceramic,

Răng chỉnh hình

alumina, Zirconia viên bền
Alumina, hydroxyapatite, thủy tinh hoạt tính sinh học

Cấy ghép răng

Tricalcium phosphate

Bộ đệm tạm thời của
xương

Thủy tinh ceramic hoạt tính sinh học, alumina

Sườn ổ răng

Thủy tinh ceramic hoạt tính sinh học, hydroxyapatite

Cột sống

Thủy tinh hoạt tính sinh học, glass ceramic

Phục hồi hàm-mặt

Theo kết quả báo cáo của Acmite Market Intelligence thì nhu cầu thị trường
thế giới về gốm y sinh và các thành phần của gốm là khoảng 9,8 tỷ USD trong năm
Hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn

6


HVTH: Đào Thị Phương Thảo

2010, và được dự báo sẽ có tốc độ tăng trưởng hàng năm là 6-7% trong những năm
tiếp theo. Đồng thời, nhu cầu thị trường thế giới sẽ tăng lên 15,3 tỷ USD vào năm

2015 và đạt 18,5 tỷ USD vào năm 2018. Bảng 1.4 và hình 1.2 cho biết giá trị và sự
dự đốn tăng trưởng của vật liệu gốm sứ y sinh sử dụng trong cấy ghép chỉnh hình từ
năm 2010 đến năm 2018 [6].
Bảng 1.4: Thị trường gốm sứ y sinh trong cấy ghép chỉnh hình [6].

Hình 1.2: Thị trường các ceramic y sinh trong cấy ghép chỉnh hình [6].
1.4.1. Phân loại vật liệu gốm sứ y sinh
Mặc dù, có nhiều cách phân loại vật liệu gốm sứ y sinh, nhưng sự phân loại
các vật liệu gốm sứ y sinh dựa vào sự tương tác trong môi trường sinh học được xem
là phù hợp nhất. Khi vật liệu được cấy ghép trong cơ thể thì các mơ sẽ phản ứng theo
Hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn

7


HVTH: Đào Thị Phương Thảo

các cách khác nhau tùy thuộc vào từng loại vật liệu. Các tương tác giữa mô-gốm sứ y
sinh được liệt kê ở bảng 1.5. Khơng có bất kì vật liệu cấy ghép nào được cho là tương
thích hồn tồn. Nó chỉ hồn tồn phù hợp khi được sản xuất từ chính nó. Cơ chế
tương tác của mô xương phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt cấy ghép của mơ xương .
Đây cũng chính là thách thức lớn cho các nhà khoa học vật liệu, phát triển gốm sứ y
sinh mới phải phù hợp với nhu cầu lâm sàn. Gốm sứ y sinh có thể phân loại theo đặc
trưng của mơ như thụ động (passive), hoạt tính sinh học (bioactive), hoặc ceramic tái
hấp thụ [7].
Bảng 1.5: Phản ứng giữa mô- gốm sứ y sinh.
1. Nếu vật liệu độc, các mô xung quanh sẽ chết.
2. Nếu vật liệu khơng độc và thụ động sinh học, nó kết thành bao mô hoặc
xương.
3. Nếu vật liệu không độc và hoạt tính sinh học, liên kết ở mặt phân giới được

hình thành.
4. Nếu vật khơng độc và hịa tan, các mơ xung quanh sẽ thay thế nó.

1.4.2. Ceramic thụ động sinh học
Hai đại diện thuộc nhóm này là zirconia và alumina.
 Alumina (Al2O3)
Khoảng năm 1970 alumina (có độ tinh >99.5%) được sử dụng làm vật liệu cấy
ghép như làm xương mắt cá giả và răng vì nó có độ tương thích sinh học cao với các
mơ và có các tính chất cơ tính tốt (nhất là khả năng chịu lực ma sát và khả năng chịu
sự hao mòn). Tuy nhiên, độ bền kéo lại thấp hơn so với độ giòn của nó (nó khơng dễ
biến dạng như kim loại và composite). Do đó, vật liệu này bị giới hạn trong ứng dụng
chịu tải [7-8]. Hầu hết các alumina được sử dụng làm khung cấy ghép có thể là các

Hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn

8


HVTH: Đào Thị Phương Thảo

đa tinh thể rắn có mật độ và độ tinh khiết cao hoặc có thể phát triển thành các đơn
tinh thể không màu giống như sapphire hoặc là rubby [8].
Độ cứng của alumina cao khoảng 20~30 Gpa, kéo theo lực ma sát và sự bào
mòn thấp, nên được ứng dụng làm vật liệu thay thế cho mép nối, tuy nhiên nó rất
giịn. Các hệ số ma sát, độ mài mòn của alumina bền hơn so với các vật liệu khác, do
đó, độ nhám bề mặt của cặp alumina-alumina giảm chậm hơn trong thời gian dài [8].
Sự quan tâm lớn nhất của các vật liệu gốm sứ y sinh là tính trơ, alumina bền mỏi
trong các điều kiện động hoặc tĩnh. Độ bền mỏi của alumina giảm khi có sự có mặt
của nước trên ứng suất tới hạn. Độ bền mỏi giảm làm chậm sự phát triển của khe nứt,
được gia tốc bởi các phân tử nước. Tuy nhiên, việc xuất hiện một lượng nhỏ silica

được thấm qua bởi các phân tử nước sẽ bất lợi cho độ bền. Độ mỏi tĩnh của mẫu có
thể xảy ra nếu các tinh thể chứa các khuyết tật hoặc không tinh khiết, mà sẽ hoạt
động như là nguồn bắt đầu vết nứt thay vì ở biên giới hạt cho các đa tinh thể alumina,
và là nguyên nhân gây ra các vết nứt phát triển dưới áp lực. Sự va đập mỏi là thuộc
tính rất quan trọng của alumina được ứng dụng làm vật liệu cấy ghép chịu tải như là
các mối nối. Tương tự như độ mỏi động, ngoại trừ tải trọng được ứng dụng bằng
cách tác động, ví dụ, bằng con lắc lị xo. Do đó, rất khó xác định được tuổi thọ của
các vật liệu ceramic, ví dụ như là alumina trong điều kiện động [8].

Hình 1.3: Mép nối alumina ceramic (hình cầu), thân (kim loại), vịng bít (UHMW
polyethylene) [8].
 Ứng dụng

Hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn

9


HVTH: Đào Thị Phương Thảo

Alumina được ứng dụng trong y học do nó có tính trơ, có khả năng tương thích
sinh học tốt và khơng bị mẫn cảm. Thêm vào đó, khi nghiên cứu trong vivo thì các
thuộc tính ma sát và độ mài mịn của nó tốt và thích hợp cho bề mặt chỗ nối nhân tạo.
Bên cạnh đó, cường độ chịu nén của nó cao hơn nên thích hợp ứng dụng chịu tải như
ứng dụng làm chỗ nối (hình 1.3) và làm răng giả [7-8].
Tương tự như alumina, zirconia là vật liệu ceramic y sinh đầy hứa hẹn trong
những năm gần đây, được ứng dụng trong lĩnh vực nha khoa, do vật liệu có sự kết
hợp giữa độ bền và độ dai rất tốt.
1.4.3. Gốm sứ y sinh tái hấp thụ
Gốm sứ y sinh tái hấp thụ được thiết kế để phân hủy dần trong môi trường

sinh học, được thay thế bởi các tế bào mô mới là cơ sở để phát triển thành xương
mới. Trong trường hợp này, giao diện giữa xương và vật liệu cấy ghép là một chuỗi
hoạt động, xương mới được thay thế vào chỗ gốm sứ y sinh đã tan. Nó phù hợp với
xương tự nhiên xương cũ được thay thế bằng xương mới. Yêu cầu quan trọng của
phương pháp này là phải duy trì sự ổn định và độ bền của bề mặt tương tác, trong quá
trình gốm sứ y sinh được thay thế bằng xương mới. Do đó, rất khó đạt được tính tốn
tỉ lệ tái hấp thụ của gốm sứ y sinh để hình thành xương mới. Điều quan trọng là sản
phẩm phân hủy của gốm sứ y sinh có thể dễ dàng chuyển hóa, khơng gây ra bất kì
phản ứng bất lợi ở bất kì vị trí cục bộ hoặc hệ thống nào, và vật liệu khi được cấy
ghép chỉ thay thế ở những vị trí có mức độ chịu lực không quá cao. Tricalcium
phosphate (TCP) là vật liệu gốm sứ y sinh đại diện cho nhóm vật liệu này [7].
1.4.4. Ceramic hoạt tính sinh học
Là vật liệu được cấy ghép vào cơ thể người tương tác với các xương xung
quanh và hợp tác để hình thành xương mới cũng như hình thành liên kết ở giao diện
tạo xương mới [7].
Ceramic hoạt tính sinh học được mơ tả giống như vật liệu dẫn xương
(osteoconductive), tạo điều kiện thuận lợi cho cấu trúc xương mới hình thành. Trái
ngược với ceramic thụ động sinh học ở các chỗ cấy ghép chỉ nhìn thấy sự ghép lại
Hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn

10