Từ “composit” có nguồn gốc từ tiếng Latinh có nghĩa là cho các chất, các thành phần,… trộn vào cùng nhau. Trong khoa học, composit là loại vật liệu được
tạo nên từ hai hay nhiều thành phần có các tính chất lý hóa khác nhau đáng kể [123]. Mặc dù, tính chất của các thành phần vẫn giữ nguyên, nhưng sự kết hợp giữa chúng lại tạo ra một vật liệu mới có các đặc tính tốt hơn các thành phần riêng lẻ ban đầu. Composit có thể là vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp. Các ví dụ cho composit tự nhiên là: gỗ, vỏ sò, xương, răng… Lấy cảm hứng từ những vật liệu đó, hiện nay, có một xu hướng mới là phát triển các vật liệu composit mô phỏng sinh học, vật liệu lai vô cơ/hữu cơ với pha vô cơ là HA và chất nền là các polyme [124-126].
Xương là vật liệu composit vô cơ/hữu cơ chứa HA dạng hình que kích thước nanomet gắn trong chất nền collagen loại I. Vì vậy, composit của HA và collagen được xem là vật liệu hấp dẫn để chế tạo miếng cấy ghép mô xương. HA hoặc collagen khi sử dụng riêng lẻ đều có tính dẫn xương nhưng khi được kết hợp trong vật liệu composit cho thấy khả năng thúc đẩy quá trình tạo xương vượt trội. Tính chất mềm dẻo của collagen làm tăng độ dẻo dai cho vật liệu và làm giảm độ cứng, độ giòn của HA, còn việc bổ sung HA vào chất nền collagen giúp cải thiện độ ổn định cơ học của miếng cấy ghép [127, 128].
Các polyme tổng hợp mà chủ yếu là các polyeste đã được sử dụng như: poly (L-lactic)[26], poly(vinyl alcohol) [129], poly(-caprolacton) [130, 131]… Tuy nhiên, xu hướng hiện nay là sử dụng các polyme tự nhiên do chúng tương thích sinh học, không độc, gần gũi với hệ sinh học như: các protein (collagen [127], gelatin [177]…) hoặc các polysaccarit (chitosan [132], tinh bột [133], alginat [134], dextran [135], chondroitin sunfat [136]) và các dẫn xuất của chúng.
Trong sự hình thành vật liệu composit HA/polyme, polyme đóng vai trò là chất nền cung cấp các vị trí tạo mầm và điều chỉnh sự phát triển và hình thái học của tinh thể HA. Các nhóm cacboxyl trên phân tử polyme có vị trí quan trọng trong sự tạo mầm của tinh thể HA [137]. Z. X. Liu và cộng sự [138] đã gắn các nhóm cacboxyl, amin và metyl trên đế Au và đánh giá sự hình thành và tăng trưởng của mầm tinh thể HA trong dung dịch giả dịch thể người (SBF). Ở bề mặt chứa nhóm cacboxyl, lượng tinh thể HA hình thành dày gấp ba lần so với bề mặt amin, còn trên bề mặt chứa nhóm metyl gần như không có tinh thể HA nào được tìm thấy. Bằng phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM), Nonoyama và cộng
sự [139] đã quan sát giai đoạn đầu tiên của quá trình tạo mầm HA và thấy rằng, ban đầu các nhóm cacboxyl có sự tương tác với ion canxi và sau đó ion photphat sẽ gắn lên ion canxi (Hình 1.7).
Hình 1.7. Sự tạo mầm của HA trên chất nền polyme. (a) Các nhóm chức trên phân tử polyme là các vị trí tạo mầm cho tinh thể HA, (b) Sự tạo mầm và phát triển tinh
thể HA trên các polyme được gắn đế trên đế Au [139]
Bên cạnh các nhóm cacboxyl, nhóm cacbonyl trên collagen cũng có ưu thế cao cho sự tạo mầm tinh thể [140]. Đối với chất nền tơ sợi Fibroin, có những vị trí tạo mầm khác như nhóm amin và hydroxyl. Các nhóm amin trên chitosan mang điện dương cũng được xem là có tương tác với các ion canxi và tạo thành phức chitosan - ion canxi trước khi tạo mầm [141].
Hunter và cộng sự [142] đã sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (Molecular Dynamics – MD), cho thấy tương tác giữa các phân tử chất nền polyme và HA chủ yếu là lực tĩnh điện. Thông thường, các nhóm mang điện tích âm trên phân tử polyme được xem là có liên kết mạnh với các ion canxi trong tinh thể HA, trong khi các nhóm tích điện dương có liên kết với các ion photphat. Vì vậy, các polyme tự nhiên phân cực như chitosan [132], alginat [134], tinh bột [133], …sẽ có khả năng kết dính và tương tác tốt với HA. Tương tác hóa học giữa HA và
polyme như liên kết hydro, lực Van der Waalls, hoặc phức chất cacboxyl-Ca- cacboxyl,… cho phép phân tán đồng đều HA trong pha hữu cơ. Sự liên kết giữa các thành phần trong composit là tùy thuộc vào mức độ tương tác giữa HA và polyme. Nếu chỉ xảy ra tương tác yếu thì các hạt HA chỉ được gắn cơ học trong nền polyme, ở mức độ tương tác tốt nhất sẽ tạo ra vật liệu lai vô cơ-hữu cơ. Bằng các kết quả phân tích XRD, SEM, TEM, FT-IR và TG-DTA, các nghiên cứu đã cho thấy sự tạo thành vật liệu lai vô cơ-hữu cơ HA/polyme với cấu trúc đồng nhất giữa pha vô cơ và hữu cơ [48, 143].
T. Chae và cộng sự đã mô phỏng quá trình khoáng hóa sợi collagen trong mô xương bằng cách chế tạo composit HA/alginat khi kết tủa trực tiếp HA trên các sợi alginat [144]. Cơ chế của sự hình thành trực tiếp tinh thể HA trên sợi alginat được mô tả trên Hình 1.8. Ban đầu, alginat tạo phức dạng “hộp trứng” với ion canxi, tiếp đến các ion Ca2+
, OH-, PO43- trong dung dịch khuếch tán đến các vị trí -COO--Ca-- COO- trên sợi alginat để hình thành mầm tinh thể HA. Do đó, các tinh thể nano HA kết tủa và phát triển trên các vị trí tạo mầm dọc theo các sợi nano alginat có chức năng như một khuôn dưỡng để quá trình khoáng hóa xảy ra.
Hình 1.8. Cấu trúc hóa học của (a) mô hình “hộp trứng” của canxi alginat, (b) mô hình “hộp trứng” với các ion tiền chất cho sự tạo mầm HA và (c) cấu trúc “hộp trứng” khoáng hóa và (d) sợi nano composit HA/alginat tổng hợp trực tiếp [143]
Các composit HA/chitosan đã được nghiên cứu tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau. Do chitosan tan tốt trong dung dịch nước chứa các axit
hữu cơ như axit axetic, axit lactic, axit malic và axit xitric, nên ảnh hưởng của dung dịch axit hữu cơ đối với vi cấu trúc của sản phẩm đã được khảo sát [145]. HA ở dạng tinh thể hình thành khi sử dụng axit axetic và axit lactic, trong khi đó HA tồn tại ở dạng vô định hình khi dùng các axit hữu cơ có nhiều hơn hai nhóm cacboxyl. Theo một số nghiên cứu, sự tăng trưởng của các tinh thể HA bị ức chế bởi các axit hữu cơ có nhiều hơn hai nhóm cacboxyl [146]. Kato và cộng sự đã chỉ ra rằng, axit polyacrylic (PAA) là một chất ức chế sự kết tinh của tinh thể HA [147]. Các nhóm cacboxylic liên kết mạnh với các nguyên tử canxi và hình thành cấu trúc chelat. Sự tương tác giữa các ion anion PAA và cation Ca tạo ra hợp chất trung gian dạng PAA--Ca2+ trì hoãn sự tương tác của các ion Ca2+ và PO43- trong việc hình thành HA [148].