Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trên tất cả các lĩnh vực đời sống xã hội, cũng với sự phát triển đó là một sự phát triển mạnh của ngành công nghệ vật liệu y sinh trong y dược với tốc độ rất nhanh và phổ biến rộng rãi do nhu cầu cấy ghép vật liệu và lợi nhuận rất lớn từ công nghệ này. Sự phát triển của công nghệ vật liệu y sinh đã giúp rất nhiều cho đời sống xã hội hiện nay với những phát minh vĩ đại, ứng dụng cao vào thực tế. Và một bộ phận của công nghệ vật liệu y sinh này phát triển mạnh trên thế giới và Việt Nam cũng đã sản xuất thành công đó là xương nhân tạo. Xương là một vật liệu kỳ diệu: phân tử của xương rất nhẹ nhưng nó đủ cứng để có thể chịu được sức nén, lại dẻo dai để có thể chịu được những tác động đối kháng. Chính vì vậy mà trong quá trình nhân tạo hóa vạn vật, con người đã rất khó khăn để tìm ra loại vật liệu tối ưu nhất có thể dùng để chế tạo bộ xương của chính mình. Nhiều cuộc cách mạng khoa học đã diễn ra trong lĩnh vực sử dụng vật liệu để thay thế xương bị vỡ hoặc gãy. Vật liệu dùng trong mục đích này gọi là vật liệu y sinh (biomaterial). Nói về xương nhân tạo hiện nay thì nó rất nhiều loại như xương nhân tạo làm từ gỗ, san hô, xương động vật, từ polymer mới,ở châu Âu thì xương nhân tạo từ hỗn hợp composit (gồm các phân tử ceramic và một khuôn polymer dạng bọt nước), ở Việt Nam thì xương nhân tạo từ gốm thủy tinh y sinh, còn tại Viện Nghiên cứu quốc gia Lawrence Berkely (LBNC) tại bang California, Mỹ: dùng băng đá hình thành từ nước biển để chế tạo xương nhân tạo. Riêng Nhật Bản thì Xương xốp cao su được tạo thành từ các tinh thể hydroxyapatite và collagen (loại protein là thành phần chính của mô sợi liên kết), đây là loại xương nhân tạo có thành phần giống xương con người với các vi tinh thể trong vật liệu là apatit (hydroxyapatit) thành phần cơ bản của xương người. Loại xương này mềm và có thể dùng kéo cắt để định dạng theo ý muốn. Bác sĩ có thể dễ dàng đặt loại xương này vào cơ thể bệnh nhân và trong vài tháng nó sẽ biến thành xương thật.
Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU - - Chủ đề: CBGD: TS Lê Văn Thăng Nhóm Danh sách nhóm: Lê Tuấn Minh (Nhóm trưởng) V1202137 Lê Thị Hồng V1201206 Vũ Đình Anh Kiệt V1201800 Trần Chấn Phát V1202694 Lại Văn Hưng V1201493 Tp Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 04 năm 2014 Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu MỤC LỤC I – GIỚI THIỆU II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT III – TÍNH CHẤT 1) Tính chất chung vật liệu y sinh 2) Tính chất cấu trúc tinh thể Hydroxyapatite 2.1.Tính chất vật lý 2.2.Kích thước hạt 2.3 Cấu trúc 2.4 Tính chất hóa học 2.5 Tính chất sinh học 3) Ứng dụng 3.1 Ứng dụng HA bột 3.2 Ứng dụng HA dạng màng 3.3 Ứng dụng HA dạng xốp IV – PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HA 1) Phương pháp ướt 1.1.Phương pháp kết tủa 1.2.Phương pháp sol – gel 1.3.Phương pháp phun sấy 1.4.Phương pháp siêu âm hóa học 1.5.Phương pháp điện hóa 1.6.Phương pháp thủy nhiệt (hóa nhiệt) 2) Phương pháp khô 2.1.Phương pháp phản ứng pha rắn 2.2.Phương pháp hóa V - ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP TÀI LIỆU THAM KHẢO .19 Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu I – Giới thiệu Với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ tất lĩnh vực đời sống xã hội, với phát triển phát triển mạnh ngành công nghệ vật liệu y sinh y dược với tốc độ nhanh phổ biến rộng rãi nhu cầu cấy ghép vật liệu lợi nhuận lớn từ công nghệ Sự phát triển công nghệ vật liệu y sinh giúp nhiều cho đời sống xã hội với phát minh vĩ đại, ứng dụng cao vào thực tế Và phận công nghệ vật liệu y sinh phát triển mạnh giới Việt Nam sản xuất thành cơng xương nhân tạo Xương vật liệu kỳ diệu: phân tử xương nhẹ đủ cứng để chịu sức nén, lại dẻo dai để chịu tác động đối kháng Chính mà q trình nhân tạo hóa vạn vật, người khó khăn để tìm loại vật liệu tối ưu dùng để chế tạo xương Nhiều cách mạng khoa học diễn lĩnh vực sử dụng vật liệu để thay xương bị vỡ gãy Vật liệu dùng mục đích gọi vật liệu y sinh (biomaterial) Nói xương nhân tạo nhiều loại xương nhân tạo làm từ gỗ, san hô, xương động vật, từ polymer mới,ở châu Âu xương nhân tạo từ hỗn hợp composit (gồm phân tử ceramic khn polymer dạng bọt nước), Việt Nam xương nhân tạo từ gốm thủy tinh y sinh, Viện Nghiên cứu quốc gia Lawrence Berkely (LBNC) bang California, Mỹ: dùng băng đá hình thành từ nước biển để chế tạo xương nhân tạo Riêng Nhật Bản Xương xốp cao su tạo thành từ tinh thể hydroxyapatite collagen (loại protein thành phần mơ sợi liên kết), loại xương nhân tạo có thành phần giống xương người với vi tinh thể vật liệu apatit (hydroxyapatit) thành phần xương người Loại xương mềm dùng kéo cắt để định dạng theo ý muốn Bác sĩ dễ dàng đặt loại xương vào thể bệnh nhân vài tháng biến thành xương thật Với nhiều cơng nghệ khác từ nhiều quốc gia chủ đề viết liên quan đến xương nhân tạo đến từ Nhật Bản, có thành phần từ vi tinh thể apatit (hydroxyapatit) cấu tạo xương người II – Cơ sở lý thuyết Xương vật liệu kỳ diệu xét mặt kỹ thuật: vừa đủ cứng để chịu sức nén, lại vừa dẻo dai để chịu tác động đối kháng Ngoài ra, phân tử xương lại nhẹ, đến nỗi, tất nhà nghiên cứu vật liệu phải ganh tị trước tài tạo hóa Chính mà q trình nhân tạo hóa vạn vật, người khó khăn để tìm loại vật liệu tối ưu dùng để chế tạo xương Sở dĩ xương đàn hồi cứng rắn xương có thành phần vơ (chủ yếu muối phosphat calci hydroxyd calci) hữu (collagen) Khoáng cấu thành xương tinh thể Ca10(PO4)6(OH)2, hydroxyapatite (HA) (xương tự nhiên chứa 70% HA khối lượng 50% HA thể tích) Dựa vào điều này, nhà khoa học nghiên cứu để chế tạo xương nhân tạo mang tính “xương” “nhân tạo” Họ đặc biệt quan tâm đến Ca3(PO4)2 (tricalcium phosphate (TCP)) Ca10(PO4)6(OH)2 (hydroxyapatite (HA)) độ tương thích sinh học bật chúng môi trường thể người Bên cạnh khả tương thích sinh học cao, nhóm vật liệu y sinh calcium phosphate cịn chống lại cơng vi khuẩn, thay đổi Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu pH, khơng bị hịa tan Trong đó, HA đánh giá pha lý tưởng ứng dụng bên thể người có độ ổn định tuyệt vời pH lớn 4,3 (pH máu người khoảng 7,3) III – Tính chất 1) Tính chất chung vật liệu y sinh Để cấy ghép với chất lượng tốt, vật liệu cần thỏa mãn số yêu cầu lý sinh học Những yêu cầu sau : Về mặt lý Độ bền đủ lớn Modul đàn hồi vật liệu xấp xỉ modul đàn hồi phận thay Tính chất vật liệu khơng biến đổi q trình sử dụng Bền mơi trường sinh hóa Kết cấu đơn giản cho q trình thay vào lấy Khơng tích điện khơng tích nhiệt Về mặt sinh học Khơng bị phản ứng thải loại thể 2) Tính chất cấu trúc tinh thể Hydroxyapatite 2.1 Tính chất vật lý Hydroxyapatit (HA): Ca10(PO4)6(OH)2 Khối lượng phân tử: 1004,60 g; Khối lượng riêng 3,156g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy: 17600C Nhiệt độ sơi: 28500C Độ tan nước 0,7g/l Độ cứng theo thang Mohs Tinh thể HA tồn dạng hình que, hình kim, hình vảy, hình sợi hình cầu, với màu trắng,trắng ngà, vàng, nâu xanh lơ phụ thuộc vào điều kiện hình thành tự nhiên tổng hợp khác Có thể nhận biết dạng tồn tinh thể HA nhờ sử dụng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) hiển vi điện tử truyền qua (TEM) (hình 1.1) Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu 2.2 Kích thước hạt HA tạo dạng đặc dạng lổ rổng lớn với kích thước lỗ rỗng đạt đến 50 micro HA đặc có độ rỗng vi mơ lớn chiếm 5% thể tích với lổ nhỏ có đường kính 1-5 micro 2.3 Cấu trúc HA tồn hai dạng cấu trúc dạng lục phương (hexagonal) dạng đơn tà (monoclinic) HA dạng lục phương thường tạo thành trình điều chế nhiệt độ từ 25 đến 1000C, dạng đơn tà chủ yếu sinh nung dạng lục phương 8500C khơng khí sau làm nguội đến nhiệt độ phịng Cấu trúc tinh thể đặc trưng HA dạng lục phương với số mạng a = b= 0,9417 nm c = 0,6875 nm, α = β = 90o γ = 120o Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể HA dạng lục phương Mười nguyên tử calci chia làm nhóm Ca(1) Ca(2) phụ thuộc vào môi trường chúng Bốn nguyên tử Ca chiếm bốn vị trí Ca(1), hai vị trí z=0 hai vị trí z = 0,5 Sáu ngun tử Ca cịn lại chiếm sáu vị trí Ca(2), nhóm ba ngun tử Ca hình thành nên tam giác vị trí z=0,25 cịn nhóm ba ngun tử cịn lại hình thành nên tam giác vị trí z=0,75 Mỗi nhóm ba nguyên tử bao quanh nhóm OH vị trí góc mạng sở (tại z=0,25 z=0,75) Sáu nhóm tetraphosphate (PO4) xếp theo kiểu helical-xoắn ốc từ vị trí z = 0,25 z= 0,75, kiểu mạng lưới PO4 đưa cấu trúc khung tạo cho cấu trúc apatite bền vững Công thức cấu tạo phân tử HA thể hình 1.3, nhận thấy phân tử HA có cấu trúc mạch thẳng, liên kết Ca – O liên kết cộng hố trị Hai nhóm OH gắn với hai nguyên tử P hai đầu mạch Hình 1.3: Cơng thức cấu tạo phân tử HA 2.4 Tính chất hóa học Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu HA không phản ứng với kiềm phản ứng với axit tạo thành muối canxi nước: Ca10(PO4)6(OH)2 + 2HCl 3Ca3(PO4)2 + CaCl2 + 2H2O HA tương đối bền nhiệt, bị phân huỷ chậm khoảng nhiệt độ từ 8000C đến 12000C tạo thành oxy-hydroxyapatit theo phản ứng: Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx + xH2O (0 x 1) Ở nhiệt độ lớn 12000C, HA bị phân huỷ thành Ca3(PO4)2 Ca4P2O9 CaO: 2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca3(PO4)2 + CaO + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 2.5.Tính chất sinh học Do có chất thành phần hoá học, HA tự nhiên nhân tạo vật liệu có tính tương thích sinh học cao Ở dạng bột mịn kích thước nano, HA dạng canxi photphat dễ thể hấp thụ với tỷ lệ Ca/P phân tử tỷ lệ xương Ở dạng màng dạng xốp, HA có thành phần hố học đặc tính giống xương tự nhiên, lỗ xốp liên thơng với làm cho mô sợi, mạch máu dễ dàng xâm nhập Chính mà vật liệu có tính tương thích sinh học cao với tế bào mơ, có tính dẫn xương tốt, tạo liên kết trực tiếp với xương non dẫn đến tái sinh xương nhanh mà không bị thể đào thải Ngồi ra, HA hợp chất khơng gây độc, khơng gây dị ứng cho thể người có tính sát khuẩn cao 3) Ứng dụng 3.1 Ứng dụng HA bột : Do lượng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn ngày tương đối thấp nên cần bổ sung canxi cho thể, đặc biệt cho trẻ em người cao tuổi Canxi có thức ăn thuốc thường nằm dạng hợp chất hoà tan nên khả hấp thụ thể không cao thường phải dùng kết hợp với vitamin D nhằm tăng cường việc hấp thụ chuyển hoá canxi thành HA Có thể bổ sung canxi cho thể người cách dùng thức ăn, thuốc tiêm truyền huyết thanh… Một phương pháp hữu hiệu sử dụng HA tự nhiên nhân tạo dạng bột mịn, kích thước nano để bổ sung canxi Với kích thước cỡ 20 – 100 nm, HA hấp thụ trực tiếp vào thể mà không cần phải chuyển hố thêm Để chữa trị bệnh lỗng xương, Cục Quản lý Thực phẩm Dược phẩm Mỹ (FDA) cho phép sử dụng HA sản xuất thuốc thực phẩm chức Nhiều loại thuốc thực phẩm bổ sung canxi có sử dụng HA lưu hành thị trường Trong số kể đến Ossopan Pháp, Bone Booster Complex, Bone Dense Calcium Mỹ, Calcium Complex Anh, SuperCal New Zealand Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu Hình 1.4: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể 3.2 Ứng dụng HA dạng màng : Lớp màng HA có chiều dày cỡ µm phủ lên bề mặt vật liệu nhân tạo hợp kim Ti6Al4V phương pháp plasma, bốc bay, điện phân… hạn chế nhược điểm bị ăn mòn, tạo chất độc hại, liên kết lỏng lẻo xương tự nhiên chi tiết cấy ghép… Tuy vậy, độ bám dính lớp màng vật liệu không thật bền chặt, tuổi thọ phạm vi ứng dụng chúng khơng cao Để cải thiện độ bám dính, người ta phủ lên kim loại hợp kim lớp màng gốm HA có chiều dày cỡ nm (màng n – HA) phương pháp điện hoá nói chung phương pháp điện di (Electrophoretic Deposition, EPD) Lớp màng n – HA có độ bám dính cao với vật liệu (> 60MPa) bền theo thời gian Công nghệ màng n – HA tạo chi tiết xương nhân tạo có khả tự liên kết với xương mơ tự nhiên, có tính tương thích sinh học cao với thể người Hình 1.5: HA tăng độ bám dính liên kết 3.3 Ứng dụng HA dạng xốp: Như trình bày trên, vật liệu gốm xốp HA có tính tương thích sinh học cao, có nhiều lỗ liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho xâm nhập mơ sợi mạch máu, có tính dung nạp tốt, khơng độc, khơng dị ứng Nhờ có khả đặc biệt mà ngày nay, HA dạng gốm xốp ứng dụng đặc biệt rộng rãi y sinh học như: Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu - Chế tạo giả sửa chữa khuyết tật răng: nhà khoa hoc Nhật Bản thành công viêc tạo hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thước nano polymer sinh học có khả phủ bám dính theo chế epitaxy, nghĩa tinh thể HA tạo thành lớp men cứng chắc, “bắt chước” theo tinh thể HA lớp men tự nhiên Hình 1.6 : Quá trình tạo lớp men HA bề mặt Giai đoạn a: Lớp men HA cũ, cần thay bề mặt bị phân huỷ dung dịch H2O2 + H3PO4 Hợp chất H2O2 cịn có tác dụng loại bỏ chất bẩn tồn Giai đoạn b: Các ion Ca2+, PO43-, OH- polime sinh học dạng bột nhão tạo thành vi tinh thể HA kích thước nano Hỗn hợp phủ lên bề mặt cũ để tạo thành lớp men - Chế tạo mắt giả : Hình 1.7: HA xốp tổng hợp từ san hô sử dụng làm mắt giả HA xốp tổng hợp từ san hơ có cấu trúc xốp bền vững, nhẹ đặc biệt có khả thích ứng cao với thể Việc sử dụng loại vật liệu khắc phục tượng sụp mi trọng lượng, hạn chế phản ứng thể làm tăng thời gian sử dụng mắt giả - Chế tạo chi tiết để ghép xương sửa chữa khuyết tật xương: Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu Hình 1.8: Gốm y sinh HA tổng hợp phương pháp khác Tuỳ thuộc vào mục đích cấy ghép thay thế, người ta chế tạo sản phẩm gốm HA (Hình 1.8) có kích thước độ xốp khác Sau đó, gia công sản phẩm thành chi tiết phù hợp sử dụng gốm HA dạng hạt để điền đầy chỗ khuyết tật xương Hình 1.9: Sửa chữa khuyết tật xương gốm HA dạng khối xốp dạng hạt Ngoài ra, cịn có số ứng dụng gốm HA như: - Làm điện cực sinh học cho thử nghiệm sinh học - Làm vật liệu truyền dẫn nhả chậm thuốc Tuy nhiên, gốm HA cịn có nhược điểm độ bền nén, độ bền uốn thấp Tồn cản trở viêc áp dụng gốm HA vào chi tiết đòi hỏi chịu lực lớn IV – Phương pháp tổng hợp HA 10 Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng, HA dạng khác tổng hợp nhiều phương pháp từ nguyên liệu khác Dựa vào điều kiện tiến hành phản ứng, phân chia phương pháp thành: phương pháp ướt phương pháp khô; phương pháp vật lý phương pháp hoá học chia theo dạng tồn (dạng bột, dạng màng, dạng khối xốp) sản phẩm HA 1) Phương pháp ướt: Đây phương pháp chế tạo HA dạng bột dạng màng từ dung dịch chứa nguyên liệu ban đầu khác nhau, bao gồm: phương pháp kết tủa, phương pháp sol – gel, phương pháp phun sấy… ưu điểm phương pháp ướt điều chỉnh kích thước hạt HA theo mong muốn 1.1.Phương pháp kết tủa 3- Dung dịch PO4 Dung dịch điều chỉnh pH Khuấy, gia nhiệt Dung dịch Ca 2+ Kết tủa HA Ly tâm, sấy Sản phẩm Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý phương pháp kết tủa Việc tổng hợp HA cách kết tủa từ ion Ca2+ PO43- thực theo nhiều cách khác nhau, phân thành hai nhóm chính: 3 Phương pháp kết tủa từ muối chứa ion Ca2+và PO4 dễ tan nước: Các muối hay dùng Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4… Phản ứng diễn theo phương trình sau coi phương pháp để tổng hợp HA : 10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O Lượng Ca(NO3)2 (NH4)2HPO4 chuẩn bị theo tỷ lệ Ca/P = 1,67, pha nước cất với nồng độ tương ứng 0,2M 0,1M Sau đó, nhỏ từ từ (tốc độ 2ml/phút) dung dịch 11 Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu (NH4)2HPO4 vào cốc đựng Ca(NO3)2 máy khuấy từ (tốc độ 300 – 400 vòng/phút) Bổ sung dung dịch NH4OH để đảm bảo phản ứng diễn môi trường pH = 10 – 12 Sau nhỏ hết lượng dung dịch (NH4)2HPO4 tiếp tục khuấy hỗn hợp khoảng nhiệt độ định Kết thúc phản ứng, thu lấy kết tủa làm cách lọc rửa nhiều lần với nước cất máy ly tâm thiết bị lọc hút chân không Sản phẩm sấy khô nhiệt độ 75 – 800C bảo quản tránh tiếp xúc với khơng khí Phương pháp kết tủa từ hợp chất chứa Ca2+ tan khơng tan nước: Phản ứng xảy Ca(OH)2, CaO, CaCO3… với axit H3PO4 mơi trường kiềm Ví dụ: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O Trong trình điều chế, yếu tố pH đóng vai trị quan trọng Độ pH – 10 điều chỉnh cách thêm từ từ H3PO4 vào Ca(OH)2 Các yếu tố nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ, môi trường phản ứng… thường ảnh hưởng đến chất lượng hình dạng tinh thể HA Để nhận sản phẩm HA bột có kích thước mong muốn ngồi yếu tố trên, cần quan tâm đến kết tinh HA suốt trình tổng hợp 1.2.Phương pháp sol – gel Sơ đồ nguyên lý phương pháp sol – gel thể qua hình sau: AROGEL o o DUNG DỊCH t Khuấy SOL t Khuấy GEL Nung Sấy SẢN PHẨM XEROGEL Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý phương pháp sol – gel Tổng hợp HA theo phương pháp sol – gel cách: hoà tan hợp chất Ca(NO3)2, (NH4)2HPO4 với chất tạo gel (C2H5O)3P(O), CH3O(CH2)2(OH) (được chuẩn bị theo tỷ lệ định) vào nước cất Khuấy gia nhiệt dung dịch đến nhiệt độ 60 – 700C, sau khoảng – giờ, gel có chứa hợp chất HA tạo thành Sau đó, sấy gel nhiệt độ khoảng 1200C vòng 24 nung nhiệt độ 750 – 9000C khoảng HA bột nhận có kích thước trung bình khoảng 20nm, độ tinh thể khoảng 97% Ưu điểm phương pháp sol – gel tạo độ đồng cao mức độ phân tử, từ chế tạo vật liệu dạng khối, màng mỏng , sợi dạng hạt có chất lượng tốt 12 Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu 1.3.Phương pháp phun sấy: Sơ đồ nguyên lý phương pháp phun sấy: Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý phương pháp phun sấy Dung dịch chứa ion Ca2+ PO43- (tỷ lệ Ca/P = 1,67) phun vào thiết bị với khí nén Tốc độ phun dung dịch điều chỉnh áp suất khí nén dịng khí khơ cho phản ứng tạo HA xảy hồn tồn, bột HA sấy khơ rơi đến đáy cột thuỷ tinh gia nhiệt Sản phẩm HA dạng bột lấy định kỳ qua phận lắng tĩnh điện Đây phương pháp chế tạo bột HA dạng liên tục, suất cao, phù hợp với quy mô sản xuất vừa lớn 1.4.Phương pháp siêu âm hóa học: Trong thực tế, để chế tạo HA bột có kích thước “siêu mịn”, tiến hành phản ứng hố học mơi trường sóng có cường độ lớn vi sóng hay sóng siêu âm Nguyên lý 13 Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu phương pháp siêu âm dựa vào tượng tạo vỡ bọt (cavitation) xảy mơi trường lỏng tác dụng sóng siêu âm với cường độ cao Hình 1.14 sơ đồ nguyên lý phương pháp siêu âm hoá học Đầu phát siêu âm ngâm vào dung dịch để truyền lượng cho phản ứng hoá học Phương pháp thường kết hợp với phương pháp kết tủa để tạo HA bột có kích thước nanomet Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý phương pháp siêu âm hoá học 1.5.Phương pháp điện hóa Với vật liệu truyền thống, ngành phẫu thuật chỉnh hình thường sử dụng kim loại trơ sinh học titan, thép không gỉ hay hợp kim để thay hay nối ghép phận xương Mặc dù kim loại có độ bền cao khơng có khả tương thích sinh học, bị ăn mịn theo thời gian nên mơ tế bào khơng có khả phát triển kim loại Các bệnh nhân cảm thấy đau đớn khó chịu có vật lạ nằm thể Để tăng độ cứng, độ bền – hố tính tương thích sinh học chi tiết cấy ghép, người ta chế tạo lớp màng gốm HA có độ dày mong muốn có khả bám dính tốt bề mặt kim loại Bằng phương pháp vật lý plasma, bay bốc, hồ quang… tạo lớp màng có chiều dày cỡ µm Độ bám dính lớp màng vào vật liệu không cao, thường dao động từ 15 – 30MPa, yêu cầu tối thiểu phải đạt khoảng 50MPa đảm bảo tuổi thọ tránh thoái hoá sớm vật liệu ghép Phương pháp điện di (EPD): Dựa tượng chuyển dịch tương đối pha phân tán môi trường phân tán tác dụng điện trường [8.H] Pha phân tán hạt HA kích thước nanomet, mơi trường phân tán nước mơi trường mô dịch thể người SBF (Simulated Body Fluid) Dưới tác dụng điện trường phù hợp, hạt huyền phù HA tích điện âm di chuyển phía anot (gắn vật liệu nền) tạo lớp màng 14 Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu mỏng n – HA (màng HA có độ dày cỡ nanomet) bề mặt chi tiết với độ bám dính cao [41] Hình 1.16: Sơ đồ ngun lý phương pháp điện di Phương pháp điện di tạo lớp màng n – HA có độ bám dính tốt, lớn 60MPa, dòng tự ăn mòn chạy qua màng n – HA nhỏ 300 lần so với dịng tự ăn mịn màng µ HA (màng HA có độ dày cỡ µm) 1.6.Phương pháp thủy nhiệt (hóa nhiệt): Phương pháp dùng chủ yếu để chế tạo HA xốp gốm xốp Nhìn chung, sản phẩm HA thu giữ nguyên hình thái cấu trúc xốp giống khung xương tự nhiên động vật thân mềm ban đầu (san hô, mai mực, vỏ trai, vỏ ốc…) Với cấu trúc xốp sinh học vậy, vật liệu có khả tương thích sinh học với thể người tốt so với gốm xốp HA tổng hợp phương pháp khác Khung xương động vật thân mềm (san hô, mai mực, vỏ sị…) có thành phần chủ yếu (hơn 98%) CaCO3 dạng aragonit Phản ứng thuỷ nhiệt xảy CaCO3 với dung dịch (NH4)2HPO4 thiết bị kín autoclave, có gia nhiệt Do mai mực có độ xốp cao, diện tích bề mặt lớn nên để phản ứng dị thể xảy cần trì khoảng nhiệt độ 150 – 2500C áp suất – 15atm, thời gian 24 – 30 Khung xốp san hô cấu tạo tinh thể aragonit lớn, xếp đặc khít với phản ứng thuỷ nhiệt tạo HA diễn nhiệt độ khoảng 200 – 3000C, áp suất cao, lên tới 1000atm Phản ứng thuỷ nhiệt diễn theo phương trình: 10CaCO3 + 6(NH4)2HPO4 + 2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 6(NH4)2CO3 + 4H2CO3(1) Sơ đồ nguyên lý hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt: 15 Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thiết bị phản ứng thuỷ nhiệt Chế tạo HA xốp từ khung xương tự nhiên phản ứng thuỷ nhiệt thông qua sản phẩm trung gian CaO Trước hết, chuyển hoá khung xương CaCO3 thành CaO mà giữ nguyên hình dạng ban đầu Sau đó, phản ứng thuỷ nhiệt theo phương trình (1) tiến hành hệ thiết bị hình 1.9, nhiệt độ khoảng 2000C, áp suất 10 - 15atm, thời gian 24 - 48 giờ: 10CaO + 6(NH4)2HPO4 + 4H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 12NH4OH Quá trình thuỷ phân muối CaHPO4 tạo sản phẩm HA bom thuỷ nhiệt bọc lót platin teflon nhiệt độ 250 – 3000C, thời gian – 10 ngày Nhiệt độ áp suất cao tạo điều kiện cho tinh thể HA hình thành phát triển Phản ứng xảy sau: 10CaHPO4 + 2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H+ + 4H2PO414CaHPO4 + 2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4Ca2+ + 8H2PO4Ở điều kiện trên, pha rắn HA có độ kết tinh cao, sản phẩm thu đơn pha, thiết bị điều kiện phản ứng phức tạp, khó thực 2) Phương pháp khơ 2.1 Phương pháp phản ứng rắn Đây phương pháp tổng hợp HA sở thực phản ứng pha rắn Nguyên liệu ban đầu là: Ca3(PO4)2 Ca4P2O9, Ca3(PO4)2 CaO,… trộn theo tỷ lệ Ca/P = 1,7, sau tiến hành phản ứng nhiệt độ khoảng 10000C, hệ kín Phản ứng tạo HA diễn sau : 16 Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu Ca10(PO4)6(OH)2 3Ca3(PO4)2 + CaO + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O Nhược điểm phương pháp cần thực nhiệt độ áp suất cao thời gian dài Cũng chế tạo HA bột khối xốp phản ứng pha rắn Ca3(PO4)2 Ca(OH)2 nhiệt độ thấp (250 – 3000C) áp suất khí quyển: 3Ca3(PO4)2 + Ca(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2 Các phản ứng pha rắn thường áp dụng để chế tạo HA dạng khối xốp Hỗn hợp nguyên liệu rắn ban đầu ép nén để tạo chi tiết có hình dạng độ xốp mong muốn Sau phản ứng, sản phẩm giữ nguyên hình dạng cấu trúc xốp ban đầu Chính nhờ ưu điểm mà phương pháp phản ứng pha rắn thích hợp cho việc chế tạo gốm y sinh với chi tiết phức tạp 2.2 Phương pháp hóa Bằng phương pháp hố – cơ, chế tạo HA bột phản ứng hai pha rắn CaCO3 CaHPO4.2H2O: 4CaCO3 + 6CaHPO4.2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 4H2CO3 Hoặc phản ứng sau: 2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O 2Ca3(PO4)2 + CaO + H2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca10(PO4)6(OH)2 Nguyên lý phương pháp tác động lực ma sát lớn bi má nghiền bi đến cấu tử hai pha rắn Lực cần phải đủ mạnh để tạo khuếch tán nội, tiến tới phản ứng hoá học hai pha rắn tạo pha rắn thứ ba Quá trình phản ứng xảy thiết bị nghiền với má nghiền bi có độ cứng cao, khối lượng riêng bi lớn V – Đánh giá phương pháp Mỗi phương pháp tổng hợp có ưu nhược điểm riêng Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp không dựa vào ưu vốn có phương pháp mà phải xét đến điều kiện cụ thể (thời gian thực hiện, sở thiết bị đáp ứng…) 17 Đại học Bách Khoa Phương pháp Cơ sở khoa học vật liệu Ưu điểm Phương Phương pháp kết Dễ thực pháp ướt tủa Nhược điểm Thường cho kết apatite thiếu calcium (tỉ lệ mol Ca/P thấp giá trị tỷ lượng 1,67 HA tinh khiết) Phương pháp Sol – Sản xuất sản phẩm có độ Sự liên kết màng yếu gel tinh khiết cao Độ chống mài mòn yếu Hiệu quả, kinh tế, đơn giản để Rất khó để điều khiển độ xốp sản xuất có chất lượng cao Chi phí cao vật liệu thơ Có thể tạo màng nhiệt độ trung Hao hụt trình tạo màng bình Phương pháp khơ Phương pháp phun Cơng nghệ cao,có nhiều lực sấy chọn phù hợp với việc tách HA Tạo suất cao,phù hợp cho việc kinh doanh với quy mô vừa lớn Phương pháp siêu Tạo bột HA có kích thước âm hóa học siêu mịn Có thể kết hợp với phương pháp kết tủa tạo HA có kích thước nanomet Cơng nghệ cao,tiết kiệm chi phí Phương pháp điện Chế tạo lớp màng gốm HA có độ hóa dày mong muốn có khả bám dính tốt bề mặt kim loại để tăng độ cứng, độ bền – hố tính tương thích sinh học chi tiết cấy ghép,tuy nhiên kén chọn Phương pháp thủy Đơn giản, dễ thực hiện, chi phí nhiệt (hóa nhiệt) thấp Tổng hợp màng nhiệt độ thấp, sản xuất với quy mơ lớn Điều khiển q trình thay đổi nhiệt độ áp suất Kiễu kết tinh phụ thuộc vào thời gian nhiệt độ Phương pháp phản Khơng có sản phẩm phụ, khơng ứng pha rắn cần them dung mơi hay chất phụ gia ngồi thành phần Ca(OH)2 Ca3(PO4)2.thích hợp cho việc chế tạo gốm y sinh với chi tiết phức tạp sản phẩm giữ nguyên hình dạng cấu trúc xốp ban đầu sau Kiểu liên kết tự do, định hướng không tốt Tuy nhiên:chất lượng HA không ổn định chất lượng xương nhân tạo Phản ứng nhiệt độ cao khó kiểm sốt phản ứng xảy khơng đến tận sản phẩm lại 18 Đại học Bách Khoa Phương pháp hóa Cơ sở khoa học vật liệu phản ứng lượng tiền chất ban đầu Dễ thực Cần thực nhiệt độ áp suất cao thời gian dài Điều kiện phản ứng đơn giản Dễ thực Thời gian phản ứng dài Sản phẩm HA nhận dễ bị lẫn tạp chất mài mòn bi má nghiền TÀI LIỆU THAM KHẢO: Phương pháp Sol-gel, thủy nhiệt: Ưu điểm: phương pháp tiên tiến chất lượng HA tốt Khuyết điểm: đòi hỏi cao kỹ thuật phản ứng thiết bị thí nghiệm đại đắt tiền 19 Đại học Bách Khoa Cơ sở khoa học vật liệu Phương pháp ướt: Ưu điểm: Vật liệu chế tạo đa dạng Rẻ Chế tạo khối lượng lớn vật liệu Khuyết điểm: Các hơp chất có liên kết với phân tử nước khó khăn http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/ Quang_hoc_ung_dung/New_1/Tao_mang_bang_phuong_phap_Sol.pdf 20 ... liệu dùng mục đích gọi vật liệu y sinh (biomaterial) Nói xương nhân tạo nhiều loại xương nhân tạo làm từ gỗ, san hô, xương động vật, từ polymer mới,ở châu Âu xương nhân tạo từ hỗn hợp composit... mà q trình nhân tạo hóa vạn vật, người khó khăn để tìm loại vật liệu tối ưu dùng để chế tạo xương Nhiều cách mạng khoa học diễn lĩnh vực sử dụng vật liệu để thay xương bị vỡ g? ?y Vật liệu dùng... xương Sở dĩ xương đàn hồi cứng rắn xương có thành phần vơ (chủ y? ??u muối phosphat calci hydroxyd calci) hữu (collagen) Khoáng cấu thành xương tinh thể Ca10(PO4)6(OH)2, hydroxyapatite (HA) (xương tự