GIỚI THIỆU
Tổng quan về vật liệu y sinh
Vật liệu y sinh đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như y học, nha khoa, sinh học, công nghệ sinh học, di truyền học và kỹ thuật Chúng đặc biệt được ứng dụng trong kỹ thuật y sinh để thay thế các mô bị bệnh hoặc hư hỏng, nhờ vào khả năng tương thích sinh học cao và cơ tính vượt trội.
1 1 Phân loại về vật liệu y sinh
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay có nhiều loại vật liệu y sinh được nghiên cứu và ứng dụng trong y học nhằm thay thế hoặc hỗ trợ hình thành mô xương cho các bộ phận bị khiếm khuyết Các loại vật liệu này bao gồm kim loại và oxit kim loại, polymer, cùng với gốm sứ y sinh.
Các vật liệu được phân loại thành nhiều loại khác nhau, bao gồm tự nhiên hoặc tổng hợp, vô cơ hoặc hữu cơ, kim loại, polymer và gốm sứ, như được thể hiện trong hình 1.1.
Hình 1.1: Phân loại của các vật liệu y sinh
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 2
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 không rỉ Cấy ghép xương/nối ghép chỉnh hình
Tạo hình làm nóng/ ủ, gia công
Hợp kim CoCrMo Nối ghép chỉnh hình/ cấy ghép xương Đúc, tạo hình làm nóng/ ủ, p/m
Hợp kim Co-Ni Cấy ghép xương/nối ghép chỉnh hình
CP Ti Cấy ghép xương Tạo hình làm nóng/ ủ, gia công
Hợp kim ( ) Ti Cấy ghép xương và nối ghép chỉnh hình
Tạo hình làm nóng/ ủ, gia công
Hợp kim ( / near-) Ti Cấy ghép xương Tạo hình làm nóng/ ủ, gia công
Ni-Ti Cấy ghép xương Tạo hình làm nóng/ ủ, gia công
Ta Sự gia tăng xương Sự thấm hóa học bằng pha hơi
Vật liệu y sinh kim loại, được chế tạo liên tục và sử dụng rộng rãi trong phẫu thuật cấy ghép, là loại vật liệu đầu tiên được áp dụng cách đây vài thập kỷ Với độ bền cao và khả năng chống chịu gãy tốt, chúng thường được sử dụng để sản xuất các chi tiết chịu tải trong các ứng dụng lâm sàng như tạo răng và xương Ngoài ra, kim loại còn có tính dẫn điện, làm tăng tính ứng dụng của nó trong y học.
TS Lê Minh Viễn hướng dẫn rằng các vật liệu điện tốt thích hợp cho việc chế tạo thiết bị y sinh trong hệ thần kinh-tim mạch, như thiết bị tạo nhịp tim Những đặc tính nổi bật như kháng gãy tốt, dẫn điện và dễ tạo hình là ưu điểm của lớp vật liệu này Tuy nhiên, chỉ một lượng nhỏ kim loại được sử dụng làm vật liệu cấy ghép nhân tạo do lo ngại về sự ăn mòn và khả năng tương thích sinh học của kim loại.
Vật liệu y sinh kim loại cần đáp ứng yêu cầu chịu tải của vật liệu cấy ghép, đồng thời phải linh hoạt trong môi trường cơ thể và có khả năng kháng ăn mòn mỏi Ngoài ra, ứng dụng thay thế cũng yêu cầu khả năng kháng mài mòn Bảng 1.1 cung cấp thông tin về các vật liệu kim loại được sử dụng làm vật liệu cấy ghép nhân tạo.
Vật liệu y sinh đóng vai trò thiết yếu trong kỹ thuật cấy mô nhân tạo, nhưng việc chọn lựa vật liệu phù hợp cho cấy ghép lâm sàng là một thách thức lớn Để khắc phục vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển vật liệu composite, kết hợp ưu điểm của vật liệu polymer tự nhiên và tổng hợp, nhằm tăng cường khả năng tương tác giữa các tế bào Composite là vật liệu tổng hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo ra tính năng vượt trội so với các thành phần ban đầu Mỗi composite bao gồm một pha liên tục (vật liệu nền) và một hoặc nhiều pha gián đoạn (cốt) giúp cải thiện cơ tính, độ kết dính và khả năng chống mòn Vật liệu composite mang lại nhiều lợi ích như độ cứng, độ bền cao và trọng lượng nhẹ, đồng thời có thể tùy chỉnh cho từng ứng dụng, khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng trong lĩnh vực y sinh.
TS Lê Minh Viễn hướng dẫn về 4 năng tương thích sinh học cao, với đặc điểm là giao diện giữa các thành phần không bị phân hủy trong môi trường cơ thể Một số ứng dụng của vật liệu composite trong lĩnh vực y sinh bao gồm: làm răng, cấy ghép chỉnh hình với các bề mặt xốp như xương, mạch máu và hệ thống thần kinh.
Composite ceramic-polymer hiện đang được công nhận là vật liệu y sinh tiềm năng cho ứng dụng làm vật liệu nhân tạo nhờ vào khả năng tương thích sinh học cao và tính dẫn xương tốt của các ceramic như calcium phosphate ceramic, tricalcium phosphate và hydroxyapatite Tuy nhiên, các ceramic này thường quá cứng và giòn khi sử dụng đơn lẻ Khi kết hợp với khung polymer, composite này không chỉ tăng cường khả năng dẫn xương và liên kết xương mà còn cải thiện cấu trúc ba chiều với các lỗ xốp Sự kết hợp này tạo ra khung xương hoạt tính sinh học, nâng cao khả năng hình thành mô xương với độ bền tốt hơn Hơn nữa, vật liệu composite có cấu trúc nano giúp cải thiện cơ tính, bao gồm độ bền kéo, độ bền uốn và modul đàn hồi tương tự như xương tự nhiên.
Vật liệu composite được tạo ra bằng cách kết hợp ceramic với khung polymer nhằm tăng cường sự tái phát triển của xương, đồng thời phủ bề mặt khung bằng các vật liệu tự nhiên để cải thiện khả năng bám dính và sự phát triển của tế bào xương Quá trình này cũng loại bỏ tính kỵ nước trong cấu trúc, từ đó nâng cao khả năng tổ hợp tế bào xương khi cấy ghép Bảng 1.2 trình bày một số loại composite được tổng hợp thông qua phương pháp phủ.
Hạn chế của vật liệu composite y sinh bao gồm khó khăn trong việc tạo khung có kích thước hạt nano, dẫn đến sự phân bố không đồng đều của các pha khác và giảm chất lượng của vật liệu cấy ghép Nghiên cứu gần đây cho thấy khi composite được cấy ghép trong cơ thể trong thời gian dài, các hạt nano hydroxyapatite có thể kích thích viêm nhiễm trong tế bào bạch cầu trung tính Tốc độ phân hủy của khung nano-composite có thể làm tăng sự giải phóng nano hydroxyapatite, dẫn đến những phản ứng không thể dự đoán Mặc dù composite chứa sợi nano cacbon và nano tube có khả năng cải thiện cơ tính của vật liệu cấy ghép, nhưng chúng vẫn gặp những hạn chế nhất định.
Hướng dẫn của TS Lê Minh Viễn chỉ ra rằng quá trình phân hủy sinh học có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hệ miễn dịch và gây ra sự xơ hóa của vật liệu cấy ghép.
Thép không rỉ 316L Pyrolytic carbon
Thép không rỉ 316L Al 2 O 3 -HA-TiN
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 Al 2 O 3
Hợp kim Ti-6AI-4V + porous beads TiO 2 -HA
Hợp kim Ti-6A1-4V + bột Ti HA
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 6
Bước vào thế kỷ XXI, gốm sứ y sinh đang nổi lên như một lĩnh vực hấp dẫn trong khoa học và kỹ thuật vật liệu Ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực này, diễn ra cách đây 50 năm, là việc tổng hợp và chế tạo vật liệu cấy ghép cho y học và nha khoa Nhiều loại vật liệu gốm sứ đã được phát triển để thay thế các bộ phận cơ thể con người như đầu gối, hông và răng.
Gốm sứ y sinh là một phần quan trọng trong vật liệu y sinh, chiếm tới 50% tổng số vật liệu này trên toàn cầu Chúng đóng vai trò thiết yếu trong việc giảm đau và phục hồi chức năng cho những bộ phận bị bệnh hoặc tổn thương trong cơ thể Đặc biệt, gốm sứ y sinh có sự đóng góp đáng kể cho sức khỏe xương, đặc biệt là ở người lớn tuổi, khi mà mật độ xương giảm và độ bền xương dễ bị ảnh hưởng, dẫn đến nguy cơ gãy xương cao hơn.
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, 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 báo cáo của Acmite Market Intelligence, nhu cầu toàn cầu về gốm y sinh và các thành phần liên quan ước tính đạt khoảng 9,8 tỷ USD trong năm nay.
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 7
Tổng quan về forsterite và các phương pháp điều chế
Forsterite và enstatite là vật liệu y sinh thuộc nhóm olivine, là vật liệu quan trọng trong hệ thống magnesia-silica [25]
Forsterite là một tinh thể magnesium silicate với công thức hóa học Mg2SiO4, thuộc hệ thống magnesia-silica Khi tỉ lệ mol của magnesium và silicon trong ceramic là 1:1, thành phần sẽ tương tự như steatite Ngược lại, nếu tỉ lệ mol Mg:Si là 2:1, ceramic sẽ được xác định là forsterite.
Forsterite có cấu trúc tinh thể orthorhombic với nhóm không gian Pbnm, có hằng số mạng a = 4,76 Å, b = 10,2 Å, c = 5,99 Å Trong cấu trúc này, có hai vị trí tinh thể không tương đương cho Mg: vị trí M1 nghịch đối xứng và vị trí M2 đối xứng gương Các vị trí này có thể được thay thế bởi các ion kim loại chuyển tiếp như Mn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, và sự kết hợp của các ion này ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của forsterite, bao gồm tính đàn hồi, tính dẫn điện và tính quang học.
Forsterite là một khoáng vật có cấu trúc bao gồm anion SiO4^2- tứ diện và cation Mg^2+ bát diện với tỷ lệ phân tử 1:2 Trong cấu trúc này, silic là nguyên tử trung tâm của anion SiO4^2- và tham gia vào liên kết phối trí Mỗi nguyên tử oxy liên kết với silic thông qua liên kết cộng hóa trị đơn, tạo ra bốn nguyên tử oxy có cùng điện tích âm Để giảm lực đẩy giữa các nguyên tử oxy, chúng phải cách xa nhau, và hình dạng tứ diện là cấu trúc tối ưu để đạt được điều này.
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 14
Forsterite là một vật liệu có độ dẫn điện thấp, thường được sử dụng làm nền cho điện tử nhờ vào tính chịu nhiệt tốt với điểm nóng chảy cao khoảng 1890°C, sự giản nở nhiệt độ thấp, và tính chất cách nhiệt tốt ở nhiệt độ cao Với khối lượng riêng từ 3,21 đến 3,33 g/cm³ và màu sắc đa dạng như xanh lá, trắng sữa, và đỏ cam, forsterite được cấu tạo từ hai nguyên tố quan trọng là Si và Mg, có vai trò thiết yếu trong quá trình trao đổi chất và khoáng hóa của xương Do đó, forsterite được coi là vật liệu tiềm năng trong ứng dụng y sinh.
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 15
2.1.4 Ứng dụng của forsterite trong vật liệu y sinh
Forsterite, một vật liệu trước đây chủ yếu được sử dụng trong công nghệ laser và quang học, đã bắt đầu được nghiên cứu cho các ứng dụng sinh học chỉ trong vài năm gần đây Với khả năng tương thích sinh học tốt và cơ tính vượt trội so với các vật liệu khác, forsterite được xem là một vật liệu y sinh tiềm năng cho ứng dụng cấy ghép, đặc biệt là trong việc chế tạo các chi tiết chịu tải trong lĩnh vực y tế.
2.2 Các phương pháp tổng hợp forsterite
Forsterite được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp phản ứng pha rắn [11, 26-27, 35-37], phương pháp kết dính polymer [17] và phương pháp sol-gel [16-17, 23, 38]
2.2.1 Phương pháp phản ứng pha rắn
Phản ứng pha rắn là một phương pháp hiệu quả để tổng hợp các chất rắn đa tinh thể, sử dụng nguyên liệu ban đầu là hỗn hợp các chất rắn như oxyt và muối.
Phương pháp này thường được thực hiện ở nhiệt độ cao (1000 o C – 1600 o C) do tốc độ khuếch tán của các chất rắn ở nhiệt độ thường rất thấp (D = 10 -20 cm 2 /s) [60]
Trong phản ứng pha rắn, các thông số nhiệt động học và động học đóng vai trò quan trọng Nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình phản ứng diễn ra tại bề mặt tiếp xúc giữa các pha, trong khi tốc độ phản ứng giảm theo thời gian do lớp sản phẩm ngày càng dày lên.
Quá trình tổng hợp forsterite qua phản ứng pha rắn diễn ra ở nhiệt độ cao, thường trên 900 °C, và kéo dài thời gian phản ứng, dễ dẫn đến sự dị pha Nghiên cứu của C Kosanovi’c và các cộng sự cho thấy forsterite có thể được tổng hợp từ NH4-zeolite A và MgO, sản phẩm thu được không chỉ có forsterite mà còn chứa các sản phẩm phụ như spinel và sapphirine Trong khi đó, hầu hết các phản ứng pha rắn sử dụng talc và magnesium carbonate để tổng hợp forsterite đơn pha, với kích thước tinh thể đạt 35 nm ở 1000 °C và tăng từ 90 đến 130 nm ở 1200 °C sau 1 giờ nung.
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 16
Quá trình hình thành forsterite bắt đầu bằng phản ứng của MgO trên bề mặt SiO2, dẫn đến sự tạo thành enstatite Sau đó, SiO2 sẽ khuếch tán qua lớp enstatite để hình thành pha forsterite Bên cạnh đó, bột forsterite đơn pha cũng được sản xuất ở nhiệt độ nhất định.
Ở nhiệt độ 1000 °C, kích thước tinh thể đạt 26-35 nm và độ xốp của vật liệu dao động từ 81-86%, tương ứng với cường độ chịu nén 2,43 MPa và mô đun đàn hồi 182 MPa Quy trình tổng hợp forsterite (FS) được cải thiện nhờ việc thêm các tác chất ammonium fluoride (NH4F) hoặc ammonium chloride, đóng vai trò xúc tác Sự hiện diện của ion fluoride hoặc chloride giúp tăng tốc độ phản ứng và hình thành forsterite, với bột forsterite đơn pha thu được ở 1000 °C có kích thước tinh thể khoảng 36 nm khi có ion fluoride.
31 nm (khi mẫu được tổng hợp với sự có mặt của ion chloride) [26, 35] Bên cạnh đó,
K Y Sara Lee [40] đã tổng hợp forsterite từ bột talc và magnesium oxide, cơ tính của vật liệu được đánh giá ở nhiệt kết khối từ 1200 0 C đến 1500 0 C Kết quả thu được forsterite đơn pha ở tất cả các nhiệt độ kết khối, có độ bền chống gãy 4,9 MPa.m 1/2 và độ cứng Vicker cao (7,1 Gpa) khi được kết khối ở 1400 0 C Đồng thời, các tác giả cũng cải tiến phương pháp tổng hợp FS có sự hỗ trợ của sóng siêu âm để rút ngắn thời gian nghiền mẫu Bột được nung ở 1200 0 C sau 2 h dưới sự hỗ trợ của sóng siêu âm và 3 h nghiền, kết quả phân tích giống với mẫu bột được nghiền trong 10 h và thu được kích thước hạt tốt từ 28-35 nm [41] Fei Shi cùng các cộng sự [42] đã tổng hợp forsterite từ các nguyên liệu cơ bản là magnesium carbonate (Mg(OH)2•4MgCO3•6H2O) và SiO 2 Các tác giả đã tiến hành tối ưu hóa quá trình tổng hợp bằng cách điều chỉnh tỉ lệ mol Mg/Si, kết quả thu được forsterite đơn pha ở các tỉ lệ mol Mg/Si tương ứng là 2,05～2,01 được nung kết khối ở nhiệt độ 1350 0 C trong 3 h trong không khí Forsterite được kết khối ở 1350-1360 0 C sẽ cho các tính chất điện môi εr=7,4 và tanδ =7,5×10 -4 tốt hơn
Trong quá trình tổng hợp forsterite, việc hình thành enstatite (MgSiO3) hoặc periclase (MgO) là điều khó tránh khỏi Để thu được forsterite đơn pha, nhiệt độ nung cần đạt từ 1000-1600 °C Sự hiện diện của enstatite trong forsterite có thể gây bất lợi cho vật liệu ở nhiệt độ cao, do enstatite làm tách pha forsterite và vô định hình giàu SiO2 ở nhiệt độ 1557 °C.
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 17
Sự hiện diện của enstatite làm thay đổi thể tích và khả năng chịu áp lực bên trong, dẫn đến giảm cơ tính của vật liệu trong ứng dụng y học Do đó, quá trình tổng hợp cần phải hạn chế tách pha, tạo ra sự đồng thể cao và giảm nhiệt độ phản ứng.
Quá trình sol-gel là phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp nhằm tạo ra hạt nano tinh thể và các tinh thể ceramic, bao gồm hai giai đoạn chính: hình thành sol qua thủy phân và phản ứng trùng hợp, tiếp theo là hình thành các lỗ bán gel, tạo ra chất rắn lỗ xốp với cấu trúc mạng ba chiều trong môi trường lỏng Điểm gel là trạng thái ổn định của sol với độ nhớt cao, chịu được ứng suất đàn hồi Độ kết tinh của sản phẩm cuối cùng phụ thuộc vào điều kiện thí nghiệm sau khi loại bỏ dung môi và làm già kết tủa Quá trình sol-gel còn nhằm tạo ra các vật liệu có kích thước micro và nanomét Gel khô được phân loại thành xerogel và aerogel, tùy thuộc vào phương pháp sấy, trong đó xerogel loại bỏ nước gần nhiệt độ phòng, còn aerogel loại bỏ dung môi hoặc nước ở nhiệt độ cao.
Kỹ thuật sol-gel là phương pháp tổng hợp vật liệu ceramic ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy, giúp dễ dàng tạo ra các vật liệu khó tổng hợp bằng các phương pháp truyền thống Việc làm tan chảy mạng oxit chứa Mg gặp nhiều khó khăn và tốn kém, đặc biệt khi thêm các thành phần khác vào quá trình.
Hoạt tính sinh học của FS
Khả năng tương thích sinh học là sự tương tác giữa vật liệu cấy ghép và các mô trong cơ thể, chịu ảnh hưởng lớn từ môi trường cơ thể, bề mặt, tính chất cơ học và hóa học của vật liệu, cũng như khả năng miễn dịch và các phản ứng dị ứng Để đánh giá khả năng tương thích sinh học của vật liệu y sinh, cần thực hiện nhiều giai đoạn thử nghiệm, bắt đầu từ nghiên cứu trong vitro, sau đó là thử nghiệm trên cơ thể sống qua các mô hình động vật và thử nghiệm lâm sàng Giai đoạn thử nghiệm trong vitro rất quan trọng để dự đoán khả năng tương thích sinh học trong vivo của vật liệu đang được nghiên cứu, từ đó xác định các bước tiếp theo trong quá trình khảo sát.
Khả năng liên kết xương của vật liệu được đánh giá thông qua khả năng hình thành apatite trên bề mặt khi ngâm trong dung dịch sinh lý SBF, với nồng độ ion tương tự như huyết tương người Việc hình thành apatite trên bề mặt là một chỉ số quan trọng trong nghiên cứu vitro và vivo về khả năng tương thích của vật liệu với xương.
Khả năng tương thích sinh học
Tế bào Cơ/dây chằng
Mỡ Xương Các cơ quan
Hóa học Sự phân hủy
Cơ tính Sự kết bao
Sự hình thành cục đông cơ học
Y học Sự khử độc tính
Sự phá hủy tế bào
Bề mặt Hệ thống phản ứng
Hình 1.5: Sơ đồ mô tả khả năng tương thích sinh học [59]
TS Lê Minh Viễn đã hướng dẫn về 20 vật liệu trong dung dịch SBF, được sử dụng để dự đoán hoạt tính sinh học của các vật liệu trong nghiên cứu vitro và vivo.
Nghiên cứu vitro về hoạt tính sinh học của forsterite cho thấy vật liệu này, được tổng hợp từ Mg(NO3)2.6H2O và colloidal SiO2, có khả năng tương thích sinh học tốt, đặc biệt là ở dạng bột nanomet, cho phép ứng dụng làm xương hoạt tính sinh học Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng forsterite được tổng hợp qua phản ứng pha rắn từ MgCO3 và talc có những kết quả tương tự Gần đây, sự tương thích sinh học của vật liệu này đã được cải thiện, cho thấy khả năng hình thành apatite trong vitro và in vivo, với cơ tính tốt hơn hydroxyapatite, làm cho nó trở thành ứng viên lý tưởng cho vật liệu y sinh thay thế mô cứng Quá trình hình thành apatite trên bề mặt forsterite khi ngâm trong dung dịch SBF được giải thích bởi sự thay đổi pH theo thời gian, liên quan đến khả năng hòa tan và hấp phụ của gốm sứ y sinh, trong đó các ion magnesium đóng vai trò quan trọng.
H+ trong dung dịch tạo ra nhóm silanol (Si–OH−) trên bề mặt, dẫn đến tăng pH và hình thành lớp tích tụ calcium trên lớp giàu silica, làm giảm nồng độ phosphorus trên khung forsterite, từ đó hình thành lớp apatite trên bề mặt Kiểm tra độc tính của forsterite theo tiêu chuẩn ISO/EN 10993–5, 1999 cho thấy forsterite là vật liệu không gây độc tính.
Mặc dù phương pháp này có một số giới hạn, nhưng việc kiểm tra sự hình thành apatite trên bề mặt vật liệu trong dung dịch SBF rất hữu ích để dự đoán hoạt tính sinh học của vật liệu ứng dụng làm xương trong vivo, cả về chất lượng lẫn số lượng Phương pháp này giúp đánh giá hoạt tính sinh học của vật liệu trước khi thử nghiệm trên động vật, từ đó giảm thời gian nghiên cứu và hỗ trợ hiệu quả cho việc phát triển các vật liệu hoạt tính sinh học mới.
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 21
Đặt vấn đề
Vật liệu gốm sứ y sinh, đặc biệt là hydroxy apatite (HA), đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu để ứng dụng trong việc trám vết nứt xương, thay thế đoạn xương và khớp nối, cũng như phủ bề mặt vật liệu kim loại HA được xem là có tiềm năng lớn trong nha khoa và thay thế bộ phận xương, nhưng độ bền chống gãy của nó (0.6-1.0 MPam 1/2) vẫn là một hạn chế lớn Do đó, các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc cải thiện tính chất của HA và phát triển các vật liệu mới với đặc tính vượt trội Các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu nhiều phương pháp điều chế khác nhau để đáp ứng nhu cầu đa dạng của vật liệu HA.
Có rất nhiều phương pháp điều chế có thể liệt kê như: Phương pháp phản ứng pha rắn
Các phương pháp tổng hợp hydroxyapatite (HA) như kết tủa, thủy nhiệt, sol-gel và tổng hợp trong dung dịch sinh học nhân tạo (SBF) mang lại những sản phẩm HA với tính chất khác nhau Cụ thể, HA tổng hợp từ phản ứng pha rắn có độ tinh khiết thấp, thời gian phản ứng kéo dài và kích thước tinh thể lớn, yêu cầu nhiệt độ kết khối cao Trong khi đó, HA từ phương pháp sol-gel có kích thước nhỏ hơn, đồng đều và dễ đạt độ kết khối cao ở nhiệt độ thấp hơn Điều này khiến HA từ phương pháp sol-gel trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc trám các vết nứt trên xương và phủ lên bề mặt kim loại, hợp kim.
Hydroxyapatite (HA) đã được công nhận là vật liệu gốm sứ y sinh hiệu quả trong việc thay thế mô xương HA sở hữu tính chất dẫn xương, giúp cải thiện sự phát triển của mô xương (Sprio et al., 2009) Tuy nhiên, nghiên cứu của Hench và các cộng sự chỉ ra rằng HA có cơ tính yếu, với độ bền chống gãy thấp hơn xương vỏ não và Modulus Young’s cao hơn, dẫn đến những hạn chế trong ứng dụng của nó.
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 22 dụng HA trong lâm sàn (Hench et al., 1998) Hiện nay, sự tương thích sinh học của
HA đang được nghiên cứu để cải thiện tính chất cơ lý, đặc biệt là khả năng chịu tải trong ứng dụng lâm sàn Các nghiên cứu hiện tại cũng tìm kiếm các vật liệu thay thế nhằm khắc phục những hạn chế của HA.
HA đang được chú trọng nghiên cứu và phát triển Trong nỗ lực tìm kiếm vật liệu mới nhằm khắc phục những nhược điểm của HA, forsterite nổi lên như một vật liệu tiềm năng đầy hứa hẹn.
Forsterite (Mg 2 SiO 4 ) là vật liệu ceramic y sinh đầy triển vọng [14, 16-17, 35, 54,
Forsterite (FS) được xem là vật liệu thay thế hydroxyapatite (HA) nhờ vào các đặc tính vượt trội như nhiệt độ nóng chảy cao (1890 o C), hệ số giãn nở nhiệt thấp, bền hóa học, và khả năng cách điện tốt ngay cả ở nhiệt độ cao FS cải thiện độ bền chống gãy (K IC = 2.4 MPam 1/2) so với các vật liệu cấy ghép trước đây, cho phép ứng dụng trong các tình huống chịu tải tốt hơn Magnesium và silic, hai thành phần chính trong Forsterite, đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành và phát triển cấu trúc xương, với magnesium ảnh hưởng đến trao đổi khoáng chất và silic cần thiết cho giai đoạn canxi hóa của xương So với HA, Forsterite còn có độ cứng cao, khả năng tương thích sinh học lớn và khả năng phát triển mô xương, cho phép FS được chế tạo thành các bộ phận chịu lực cho cơ thể như răng, cánh tay, chân, khớp nối, hộp sọ và đốt sống lưng.
Nghiên cứu của Ni và các cộng sự chỉ ra rằng forsterite có cơ tính cao và tương thích sinh học tốt, có khả năng thay thế mô cứng, nhưng tốc độ phân hủy của nó rất chậm và khả năng hình thành apatite kém M.Kharaziha và F Tavangarian đã chứng minh rằng bột nano forsterite được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel với kích thước hạt 25-45nm có khả năng hình thành apatite tốt hơn so với forsterite kích thước micro Các nghiên cứu gần đây cho thấy sự cải thiện về khả năng tương thích sinh học, hình thành apatite trong vitro và in vivo, cùng với hoạt tính sinh học và khả năng phân hủy, khiến forsterite trở thành vật liệu y sinh tiềm năng cho việc thay thế mô cứng, với cơ tính vượt trội hơn hydroxyapatite.
Theo TS Lê Minh Viễn, tính chất của vật liệu phụ thuộc nhiều vào kích thước hạt và phương pháp chế tạo Nghiên cứu cho thấy rằng tốc độ hình thành apatite trên bề mặt bột nano forsterite nhanh hơn so với forsterite ở kích thước micromet.
Dựa trên nghiên cứu tổng quan về các hạn chế cơ tính của hydroxyapatite (HA) và kết hợp với những ưu điểm của vật liệu gốm chứa magie (Mg) và silic (Si), chúng tôi đã tiến hành tổng hợp forsterite nhằm khắc phục những nhược điểm của HA.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tổng hợp vật liệu FS bằng phương pháp sol gel từ Tetra Ethyl Ortho-Silicate (TEOS) và Mg(NO3)2.6H2O, sử dụng HNO3 làm xúc tác Chúng tôi đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm thông qua phương pháp XRD Đồng thời, các tính chất của mẫu bột được đánh giá bằng SEM, sự kết khối được quan sát bằng kính hiển vi nhiệt, và các nhóm chức trong mẫu được phân tích bằng FTIR Cuối cùng, chúng tôi cũng đã nghiên cứu các tính chất của vật liệu cũng như sự hình thành apatite trên bề mặt vật liệu trong dung dịch sinh lý theo thời gian.
Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, các loại gốm chứa Si và Mg đã thu hút sự chú ý trong phát triển vật liệu cấy mô xương, mang lại lợi ích cho sự phát triển này Nghiên cứu cho thấy silic đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của xương, đặc biệt là trong việc tạo khung xương Vào năm 1970, Calrisle lần đầu tiên chỉ ra rằng silic là yếu tố chủ chốt trong hoạt động của xương non và liên quan đến giai đoạn canxi hóa ban đầu Nghiên cứu của Schawarz và Milne cũng cho thấy silic có thể gây ra một số bất ổn, dẫn đến biến dạng hộp sọ với xương sọ nông hơn bình thường.
Yêu cầu về vật liệu y sinh mới là phải có cơ tính tương đương với xương tự nhiên Mặc dù hydroxyapatite có thành phần tương tự xương, nhưng cơ tính của nó lại yếu hơn, hạn chế khả năng chịu tải trong các ứng dụng Do đó, việc tìm kiếm vật liệu thay thế cho khả năng chịu tải trong mô kỹ thuật là rất cần thiết Gần đây, nghiên cứu đã chỉ ra rằng forsterite có cơ tính vượt trội hơn hydroxyapatite và có khả năng tương thích sinh học cao.
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 24
Chúng tôi đề xuất nghiên cứu tổng hợp Forsterite (Mg2SiO4) cho vật liệu y sinh có độ tinh khiết cao, dựa trên việc khảo sát các hạn chế về cơ tính của hydroxyapatite (HA) và những ưu điểm của vật liệu gốm sứ chứa Mg, Si Sau khi tổng hợp Forsterite, chúng tôi tiến hành phân tích các tính chất vật lý của vật liệu thông qua các phương pháp như TGA-DTA, XRD, FTIR, TEC và độ cứng Đồng thời, chúng tôi cũng khảo sát sự thay đổi tính chất của Forsterite trong dung dịch sinh lý SBF, bao gồm cấu trúc, khả năng hòa tan của các ion Mg2+, Si4+, sự thay đổi pH và thành phần hóa trong dung dịch bằng phương pháp SEM-EDS Quá trình tổng hợp Forsterite được thực hiện bằng phương pháp sol-gel từ Mg(NO3)2.6H2O và tetraethyl ortho silicate (TEOS), với acid nitric đóng vai trò là chất xúc tác.
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài là:
Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp forsterite thông qua phương pháp sol-gel và khảo sát các tính chất vật liệu, bao gồm phân tích nhiệt TGA-DTA, XRD, FTIR, TEC (hệ số giãn nở nhiệt) và độ cứng Những phân tích này giúp đánh giá hiệu quả của phương pháp tổng hợp cũng như tính chất của forsterite, từ đó mở ra hướng đi mới trong ứng dụng vật liệu này.
- Khảo sát khả năng tương thích sinh học trong môi trường dung dịch nhân tạo SBF
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 25
Phản ứng ở nhiệt độ phòng
Tạo gel 60-65 0 C, tạo gel Cách thủy
THỰC NGHIỆM
Nội dung nghiên cứu
Quy trình điều chế FS bằng phương pháp sol-gel được mô tả (hình 2.1) như sau
Hình 2.1: Quy trình tổng hợp FS
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 26
Bột forsterite được tổng hợp qua phương pháp sol-gel từ magnesium nitrate hexahydrate (Mg(NO 3 ) 2 6H 2 O) và tetra ethyl ortho-silicate (TEOS) TEOS được thêm từ từ vào nước có HNO3 trong quá trình khuấy mạnh để thủy phân Khi dung dịch trở nên trong suốt, Mg(NO 3 ) 2 6H 2 O được cho vào và hỗn hợp được khuấy liên tục ở nhiệt độ phòng trong 2 giờ cho đến khi đạt độ trong suốt Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt lên 65 độ C và khuấy liên tục trong 4 giờ cho đến khi hình thành gel trong suốt Gel này sau đó được làm già và sấy ở 140 độ C trong 8 giờ để thu được bột màu trắng, sau đó mẫu được xử lý nhiệt ở 500 độ C trong 2 giờ để loại bỏ các chất hữu cơ.
800 0 C, 1000 0 C, 1200 0 C và 1300 0 C trong 4 h Các mẫu sau nung được nghiền mịn bằng bi zirconia (5mm) trong dung dịch C 2 H 5 OH trong 2 h, sấy ở 100 o C để thu được mẫu bột forsterite (hình 2.3b)
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới độ tinh khiết của sản phẩm như: tỉ lệ mol Mg:Si, ảnh hưởng của tỉ lệ mol HNO3:Si,
, nhiệt độ nung và thời gian nung
Hình 2.2: Gel forsterite sau khi sấy ở 140 0 C trong 8 h
Hướng dẫn: TS Lê Minh Viễn 27
Hình 2.3: Mẫu bột forsterite thu được sau khi nung (a) 500 0 C trong 2 h, (b)
1.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm
1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol Mg:Si
Quá trình khảo sát được thực hiện như sau (bảng 2.1):
Cố định lượng tỉ lệ mol HNO 3 :Si và
, thời gian và nhiệt độ nung Khảo sát tỉ lệ mol Mg:Si = 1,9:1,02,1:1,0
Bảng 2.1: Giá trị khảo sát theo tỷ lệ mol Mg:Si
Các mẫu bột forsterite đã được phân tích bằng phương pháp XRD Dựa trên kết quả này, tỷ lệ điều chế FS tối ưu đã được lựa chọn để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tiếp theo.
1.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol HNO 3 :Si
Theo lý thuyết, xúc tác đóng vai trò quan trọng trong quá trình phản ứng hóa học Để khảo sát ảnh hưởng của xúc tác, tỷ lệ mol giữa Mg và Si được cố định ở mức 2,0:1,0.
, nhiệt độ và thời gian nung Tiến hành khảo sát tỉ lệ mol thay đổi từ HNO 3 :Si = 0,19,29 (tức từ 0