Luận án Tiến sĩ Hóa học: Tổng hợp và đặc trưng màng Hydroxyapatit pha tạp một số nguyên tố vi lượng trên nền thép không gỉ 316L định hướng ứng dụng làm nẹp vít xương

Chia sẻ: Lê Thị Hồng Nhung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:134

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của luận án Khảo sát lựa chọn các điều kiện thích hợp tổng hợp màng NaHAp và NaHAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố vi lượng. Lựa chọn các điều kiện thích hợp để tổng hợp màng NaHAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố vi lượng bạc, đồng, kẽm trên nền TKG316L. Nghiên cứu hoạt tính sinh học của vật liệu, khả năng tương thích sinh học của các vật liệu TKG316L không phủ. Mời các bạn cùng tham khảo luận án để nắm rõ nội dung chi tiết nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Tổng hợp và đặc trưng màng Hydroxyapatit pha tạp một số nguyên tố vi lượng trên nền thép không gỉ 316L định hướng ứng dụng làm nẹp vít xương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- VÕ THỊ HẠNH TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƢNG MÀNG HYDROXYAPATIT PHA TẠP MỘT SỐ NGUYÊN TỐ VI LƢỢNG TRÊN NỀN THÉP KHÔNG GỈ 316L ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG LÀM NẸP VÍT XƢƠNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC HÀ NỘI – 2018 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- VÕ THỊ HẠNH TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƢNG MÀNG HYDROXYAPATIT PHA TẠP MỘT SỐ NGUYÊN TỐ VI LƢỢNG TRÊN NỀN THÉP KHÔNG GỈ 316L ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG LÀM NẸP VÍT XƢƠNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC Chuyên ngành: Hóa lý thuyết & Hóa lý Mã số: 62440119 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Đinh Thị Mai Thanh ii
Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình iii nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được tác giả nào công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.
LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Trong quá trình nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, những nhà khoa học trong và ngoài nước cũng như các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng nhất tới PGS.TS Đinh Thị Mai Thanh, người thầy đã tận tâm hướng dẫn khoa học, khích lệ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi làm luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Kỹ thuật nhiệt đới cùng tập thể cán bộ của Viện, đặc biệt là các cán bộ Phòng Ăn mòn và Bảo vệ kim loại đã quan tâm giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Viện. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới nhóm nghiên cứu của TS. Cấn Văn Mão (Học viện Quân Y 103) đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành các nghiên cứu về thử nghiệm tế bào, thử nghiện invivo. Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS. Ghislaine Bertrand, TS.Christophe Drouet và nhóm nghiên cứu BBP của trung tâm CIRIMAT – Đại học Toulouse Pháp đã tận tình giúp đỡ, chia sẻ kiến thức chuyên môn và hướng dẫn tôi sử dụng các thiết bị nghiên cứu hiện đại trong 2 tháng thực tập đầy ý nghĩa và bổ ích tại đây. Nhân dịp này, tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo và đồng nghiệp của tôi tại Bộ môn Hóa học – Khoa Khoa học cơ bản, tới Phòng Tổ chức cán bộ và Ban Giám hiệu Trường Đại học Mỏ – Địa chất đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian làm luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới Gia đình, bố mẹ hai bên nội ngoại, các anh chị, đặc biệt là chồng và hai con đã luôn ở bên quan tâm, khích lệ, động viên và chia sẻ tôi trong suốt quá trình làm luận án. Xin chân thành cảm ơn! Nghiên cứu sinh Võ Thị Hạnh iv
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix DANH MỤC BẢNG xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xv MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 4 1.1. Tính chất của HAp 4 1.1.1. Tính chất vật lý 4 1.1.2. Tính chất hóa học 5 1.1.3. Tính chất sinh học 6 1.2. Các phương pháp tổng hợp HAp 6 1.2.1. Dạng bột 6 1.2.2. Dạng xốp và gốm xốp 7 1.2.3. Dạng compozit 7 1.2.4. Dạng màng 7 1.3. Tính chất và các phương pháp tổng hợp HAp pha tạp 9 1.3.1. Pha tạp natri 9 1.3.2. Pha tạp magiê 9 1.3.3. Pha tạp stronti 10 1.3.4. Pha tạp flo 11 1.3.5. Pha tạp đồng 12 1.3.6. Pha tạp bạc 12 1.3.7. Pha tạp kẽm 12 1.4. Thử nghiệm hoạt tính sinh học của HAp 13 1.4.1. Thử nghiệm in vitro 13 1.4.1.1. Trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người 14 1.4.1.2. Trong dung dịch Ringer và dung dịch muối sinh lý 14 1.4.1.3. Thử nghiệm tế bào 15 v
1.4.2. Thử nghiệm in vivo 15 1.5. Ứng dụng của HAp và HAp pha tạp 16 1.5.1. Làm thuốc bổ sung canxi 17 1.5.2. Làm các bộ phận để cấy ghép vào cơ thể 17 1.5.2.1. Làm răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng 17 1.5.2.2. Làm mắt giả 18 1.5.2.3. Làm vật liệu thay thế và sửa chữa những khuyết tật của xương 18 1.6. Tình hình nghiên cứu HAp ở trong nước 19 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 2.1. Hóa chất và điều kiện thực nghiệm 22 2.1.1. Hóa chất 22 2.1.2. Vật liệu nền 22 2.1.3. Tổng hợp màng HAp pha tạp bằng phương pháp điện hóa 22 2.1.3.1. Hệ điện hóa 22 2.1.3.2. Tổng hợp màng HAp pha tạp natri 22 2.1.3.3. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp magiê, stronti hoặc flo 23 2.1.3.4. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp magiê, stronti và flo 23 2.1.4. Pha tạp một số nguyên tố vào màng NaHAp bằng phương pháp trao đổi ion 24 2.1.4.1. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp nguyên tố đồng, bạc hoặc kẽm 24 2.1.4.2. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp nguyên tố đồng, bạc và kẽm 24 2.1.5. Tổng hợp màng HAp pha tạp 7 nguyên tố magiê, stronti, flo, natri, đồng, bạc và kẽm 24 2.2. Các phương pháp nghiên cứu 25 2.2.1. Các phương pháp điện hóa 25 2.2.1.1. Phương pháp quét thế động 25 2.2.1.2. Đo điện thế mạch hở theo thời gian 25 2.2.1.2. Tổng trở điện hóa 25 vi
2.2.2. Phương pháp trao đổi ion 26 2.2.3. Các phương pháp xác định thành phần và cấu trúc 26 2.2.3.1. Phổ hồng ngoại 26 2.2.3.2. Nhiễu xạ tia X 26 2.2.3.3. Hiển vi điện tử quét 27 2.2.3.4. Hiển vi lực nguyên tử 27 2.2.3.5. Tán xạ năng lượng tia X 27 2.2.3.6. Quang phổ hấp thụ nguyên tử 28 2.2.3.7. Phổ khối lượng plasma cảm ứng 28 2.2.3.8. Phương pháp UV-VIS 28 2.2.4. Các phương pháp xác định tính chất cơ lý 28 2.2.4.1. Xác định khối lượng màng HAp 28 2.2.4.2. Xác định độ bám dính 29 2.2.4.3. Xác định chiều dày màng 29 2.2.4.4. Xác định nồng độ Ca2+ hòa tan 29 2.2.4.5. Xác định tổng nồng độ sắt hòa tan 29 2.2.5. Phương pháp thử nghiệm in vitro và in vivo 29 2.2.5.1. Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người 29 2.2.5.2. Thử nghiệm tế bào 30 2.2.5.3. Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn 31 2.2.5.4. Thử nghiệm in vivo 32 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34 3.1. Tổng hợp và đặc trưng của màng HAp pha tạp 34 3.1.1. Tổng hợp màng HAp pha tạp bằng phương pháp điện hóa 34 3.1.1.1. Màng HAp pha tạp natri 34 3.1.1.2. Màng NaHAp pha tạp magiê, stronti hoặc flo 44 3.1.1.3. Màng NaHAp pha tạp magiê, stronti và flo 53 vii
3.1.2. Pha tạp một số nguyên tố vào màng NaHAp bằng phương pháp trao đổi ion 63 3.1.2.1. Màng NaHAp pha tạp đồng, bạc hoặc kẽm 63 3.1.2.2. Màng NaHAp pha tạp đồng, bạc và kẽm 69 3.1.3. Màng HAp pha tạp 7 nguyên tố magiê, sronti, flo, natri, đồng, bạc và kẽm 71 3.1.3.1. Thành phần 71 3.1.3.2. Phổ hồng ngoại 73 3.1.3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X 73 3.1.3.4. Hình ảnh SEM 74 3.1.3.5. Độ hòa tan 74 3.2. Thử nghiệm in vitro và in vivo 76 3.2.1. Thử nghiệm in vitro 76 3.2.1.1. Trong dung dịch mô phỏng dịch thể người 76 3.2.1.2. Thử nghiệm tế bào 82 3.2.1.3. Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn 84 3.2.2. Thử nghiệm in vivo trên chó 85 3.2.2.1. Kết quả cấy vật liệu vào tổ chức cơ 85 3.2.2.2. Kết quả về ghép vật liệu vào xương 90 KẾT LUẬN CHUNG 99 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu a, b, c Giá trị hằng số mạng, [Ǻ] AgNaHAp Hydroxyapatit pha tạp bạc và natri AZ31 Hợp kim của Magiê B Độ rộng của pic tại nửa chiều cao của pic đặc trưng trong giản đồ Xray, [rad] BK Bán kính vòng ức chế vi sinh vật, [mm] CuAgZnNaHAp Hydroxyapatit pha tạp đồng thời natri, đồng, bạc và kẽm C Nồng độ, [mol/L] Co Nồng độ ban đầu, [mol/L] CuFHAp Hydroxyapatit pha tạp đồng và flo CuNaHAp Hydroxyapatit pha tạp đồng và natri D Kích thước tinh thể tính theo phương trình Scherrer, nm d Khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể, [Ǻ] dE/dt Sự biến đổi điện thế theo thời gian DF Dung dịch để tổng hợp màng FHAp ĐNaHAp Natri hydroxyapatit pha tạp magiê hoặc stronti hoặc flo DMg Dung dịch để tổng hợp màng MgHAp DMgSrFNa Dung dịch để tổng hợp màng MgSrFNaHAp DNa Dung dịch để tổng hợp màng NaHAp DSr Dung dịch để tổng hợp màng SrHAp Ecorr Điện thế ăn mòn, [V] EDHA Màng hydroxyapatit tổng hợp bằng phương pháp điện hóa Eocp, Eo Điện thế mạch hở, [V] FA0Mg, FA5Mg và Hydroxyapatit pha tạp flo và magiê, (Ca10-xMgx(PO4)6F2 FA10Mg tương với x có giá trị lần lượt là 0; 0,5 và 1 FA0Mg/TKG316L, Vật liệu hydroxyapatit pha tạp flo và magiê (Ca10- FA10Mg/TKG316L xMgx(PO4)6F2 tương với x có giá trị lần lượt là 0 và 1) phủ trên nền thép không gỉ 316L ix
FNaHAp Hydroxyapatit pha tạp flo và natri HAp Hydroxyapatit HAp/AZ31 Vật liệu màng hydroxyapatit phủ trên nền hợp kim của magiê HApđt Hydroxyapatit pha tạo đồng thời 7 nguyên tố: magiê, stronti, flo, natri, đồng, bạc và kẽm HApđt/TKG316L Màng hydroxyapaptit pha tạp 7 nguyên tố (magiê, stronti, flo, natri, đồng, bạc, kẽm) phủ trên nền thép không gỉ 316L h Hiệu quả bảo vệ cho nền [%] icorr Mật độ dòng ăn mòn, [µA/cm2] icorr,vln Mật độ dòng ăn mòn của vật liệu nền LK Đường kính lỗ khoan thạch, [mm] M Nguyên tố đồng/bạc/kẽm m Khối lượng màng, [g] MC3T3-E1 Tế bào tạo xương MgFHAp Hydroxyapatit pha tạp magiê và flo MgNaHAp Hydroxyapatit pha tạp magiê và natri MgSrFNaHAp Hydroxyapatit pha tạp đồng thời magiê, stronti, flo và natri MgSrFNaHAp/TKG316L Hydroxyapatit pha tạp đồng thời magiê, stronti, flo, natri phủ trên nền thép không gỉ 316L MNaHAp Natri hydroxyapatit pha tạp đồng hoặc bạc hoặc kẽm n số nguyên tử NaHAp Hydroxyapatit pha tạp natri NaHAp/TKG316L Màng natri hydroxyapaptit phủ trên nền thép không gỉ 316L PLA/HAp Compozit của polyaxit lactic và hydroxyapaptit PSHA Màng hydroxyapatit tổng hợp bằng phương pháp phun Plasma q Dung lượng trao đổi ion, [mmol/g] x
Ra Thông số độ nhám bề mặt, [nm] SrFHAp Hydroxyapatit pha tạp stronti và flo SrNaHAp Hydroxyapatit pha tạp stronti và natri V Thể tích dung dịch, [L] V/SCE Đơn vị điện thế so với điện cực calomen VK Đường kính vòng vô khuẩn, [mm] ǀZǀ Mođun tổng trở, [kΩ.cm2] ZnFHAp Hydroxyapatit pha tạp kẽm và flo ZnNaHAp Hydroxyapatit pha tạp kẽm và natri Chữ viết tắt AAS Phương pháp hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption Spectrophotometric) AFM Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope) ASTM Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (American Society for Testing and Materials) DCPD Đicanxi photphat đi hydrat, CaHPO4.2H2O EDX Tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray spectroscopy) ICP-MS Phổ khối lượng plasma cảm ứng (Inductively-Coupled Plasma - Mass Spectrometry) IR Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy) MTT 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide LB Lysogeny Broth, là môi trường nuôi cấy vi sinh PVA Poly vinyl ancol OCP Octacanxi photphat, Ca8(PO4)4(HPO4)2.5H2O OD Mật độ quang học (Optical Density) RE Điện cực so sánh (Reference Electrode) SBF Dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (Simulated Body Fluid) xi
SCE Điện cực calomen bão hòa (Saturated Calomen Electrode) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) TCP Tricanxi photphat, Ca3(PO4)2 TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope) TKG316L Thép không gỉ 316L TMB 3,3’,5,5’ – tetramethylbenzidine XRD Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction) xii
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Thành phần dung dịch tổng hợp màng ĐNaHAp 23 Bảng 2.2. Nồng độ ban đầu M(NO3)n được khảo sát 24 Bảng 2.3. Thành phần của dung dịch SBF 30 Bảng 3.1. Kết quả AAS của NaHAp tổng hợp khi thay đổi nồng độ NaNO3 35 Bảng 3.2. Giá trị khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể và các hằng số 37 mạng của màng NaHAp so với HAp [107] Bảng 3.3. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, độ bám dính và chiều dày của 38 màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2 ở khoảng quét thế khác nhau Bảng 3.4. Sự biến đổi khối lượng và chiều dày màng NaHAp khi thay đổi pH 41 Bảng 3.5. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, độ bám dính và chiều dày của 42 màng khi thay đổi số lần quét Bảng 3.6. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, độ bám dính và chiều dày của 44 màng NaHAp tổng hợp với tốc độ quét thế khác nhau Bảng 3.7. Hàm lượng % của các nguyên tố trong màng ĐNaHAp tạo ra trong 46 các dung dịch khác nhau Bảng 3.8. Tỉ lệ nguyên tử X/Ca, Y/P và công thức phân tử của màng ĐNaHAp 47 Bảng 3.9. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của 48 màng ĐNaHAp tổng hợp ở các khoảng quét thế khác nhau Bảng 3.10. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của 49 màng ĐNaHAp tổng hợp với các số lần quét thế khác nhau Bảng 3.11 Giá trị khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể d(002), d(211) và 51 hằng số mạng của màng ĐNaHAp so với HAp và màng NaHAp Bảng 3.12 Sự biến đổi điện lượng, chiều dày và khối lượng màng 54 MgSrFNaHAp khi thay đổi khoảng quét thế Bảng 3.13. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của 56 màng MgSrFNaHAp tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau Bảng 3.14 Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của 57 màng MgSrFNaHAp tổng hợp khi thay đổi số lần quét thế Bảng 3.15 Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của 59 xiii
màng MgSrFNaHAp tổng hợp khi thay đổi tốc độ quét thế Bảng 3.16 Phần trăm khối lượng (% m) và phần trăm nguyên tử (% n) của các 61 nguyên tố trong màng MgSrFNaHAp Bảng 3.17 Tỉ lệ nguyên tử trong màng MgSrFNaHAp và trong xương tự nhiên 61 Bảng 3.18 Dung lượng trao đổi ion và công thức phân tử của MNaHAp 64 Bảng 3.19 Giá trị khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể và các hằng số 68 mạng của màng MNaHAp thu được so với HAp và màng NaHAp Bảng 3.20 Dung lượng trao đổi ion và công thức phân tử của CuAgZnNaHAp 69 Bảng 3.21 Thành phần của các nguyên tố trong màng HApđt 72 Bảng 3.22 Tỉ lệ nguyên tử M/P trong màng HApđt, trong xương tự nhiên [108] 72 và công thức phân tử dự kiến của màng HApđt Bảng 3.23. Giá trị thế ăn mòn và mật độ dòng ăn mòn của vật liệu TKG316L 80 không phủ và có phủ trong dung dịch SBF Bảng 3.24 Kết quả thử nghiệm Trypan Blue với môi trường có chứa bột 82 NaHAp và MgSrFNaHAp Bảng 3.25 Thành phần các tế bào máu: Hồng cầu (HC), Bạch cầu (BC), Tiểu 86 cầu (TC) Bảng 3.26 Nồng độ GOT (U/L) của các nhóm chó ở các thời điểm 87 Bảng 3.27 Nồng độ GPT (U/L) của các nhóm chó ở các thời điểm 87 Bảng 3.28 Nồng độ Ure (mmol/L) của các nhóm chó ở các thời điểm 88 Bảng 3.29 Nồng độ Creatinin (mmol/L) của các nhóm chó ở các thời điểm 88 Bảng 3.30 Thành phần các tế bào máu của các nhóm chó sau phẫu thuật 7 và 91 30 ngày Bảng 3.31 Nồng độ GOT (U/L) của các nhóm chó ở các thời điểm 92 Bảng 3.32 Nồng độ GPT (U/L) của các nhóm chó ở các thời điểm 93 Bảng 3.33 Nồng độ Ure (mmol/L) của các nhóm chó ở các thời điểm 93 Bảng 3.34 Nồng độ Creatinin (mmol/L) của các nhóm chó ở các thời điểm 94 xiv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Hình ảnh SEM của các tinh thể HAp [6] 4 Hình 1.2. Cấu trúc của HAp [7] 5 Hình 1.3. Công thức cấu tạo của phân tử HAp [9] 5 Hình 1.4. Hình ảnh SEM của màng sau 4 ngày ngâm trong dung dịch SBF: 14 HAp (a); MgHAp (b) [57] Hình 1.5. Hình ảnh SEM của tế bào MC3T3 - E1 phát triển trên: màng HAp 15 (a), màng SrFHAp (b) và nền Ti (c) [59] Hình 1.6. Sự hình thành mô mềm trên AZ31 (a) và HAP/AZ31 (b) ở dưới da 16 khi cấy vào chuột sau 16 tuần [78] Hình 2.1. Phẫu thuật đưa vật liệu vào tổ chức dưới da đùi trước của chó 32 Hình 2.2 Phẫu thuật đưa nẹp vít vào xương đùi chó 32 Hình 2.3 Lấy máu làm xét nghiệm trên chó 33 Hình 3.1. Đường cong phân cực catôt của điện cực TKG316L trong dung dịch 35 DNa2 Hình 3.2. Giản đồ XRD của màng NaHAp tổng hợp trong DNa2, 50 oC, 5 lần 36 quét, khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE, tốc độ quét 5 mV/s Hình 3.3. Phổ IR của màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2, 50 oC, 5 37 lần quét, khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE và tốc độ quét 5mV/s Hình 3.4. Hình ảnh SEM của màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2, 39 ở nhiệt độ: 25 (a), 35 (b), 50 (c), 60 oC(d) Hình 3.5. Giản đồ XRD của màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2 ở 40 các nhiệt độ: 25, 35, 50 và 60 oC Hình 3.6. Đường cong phân cực của TKG316L khi thay đổi pH 41 Hình 3.7. Hình ảnh SEM của màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2 42 với số lần quét khác nhau: 3 (a), 5 (b) và 7 lần quét (c) Hình 3.8. Đường cong phân cực catôt của điện cực TKG316L trong dung dịch 43 DNa2 với tốc độ quét thế thay đổi từ 3 đến 7 mV/s Hình 3.9. Đường cong phân cực catôt của TKG316L trong dung dịch DNa2 45 có bổ sung thêm ion Mg2+ (a), Sr2+ (b) và F- (c) với các nồng độ khác nhau xv
Hình 3.10. Phổ IR của màng ĐNaHAp 50 Hình 3.11. Giản đồ XRD của màng NaHAp và ĐNaHAp 50 Hình 3.12. Hình ảnh SEM của màng NaHAp và ĐNaHAp 52 Hình 3.13. Đường cong phân cực catôt của điện cực TKG316L trong dung dịch 53 DNa2 và DMgSrFNa Hình 3.14. Giản đồ XRD của MgSrFNaHAp tổng hợp ở các khoảng thế khác 54 nhau Hình 3.15. Hình ảnh SEM của màng MgSrFNaHAp tổng hợp khi thay đổi khoảng 55 quét thế: (a) 0 ÷ -1,5; (b) 0 ÷ -1,7 và (c) 0 ÷ -1,9 (V/SCE) Hình 3.16. Giản đồ XRD của màng MgSrFNaHAp tổng hợp ở các nhiệt độ: 25, 56 35, 50, 60 và 70 oC Hình 3.17. Giản đồ XRD của màng MgSrFNaHAp trong dung dịch 58 DMgSrFNa, tại 50 oC với tốc độ quét 5 mV/s khi thay đổi số lần quét thế Hình 3.18. Giản đồ XRD của màng MgSrFNaHAp trong dung dịch 59 DMgSrFNa, tại 50 oC, 5 lần quét khi thay đổi tốc độ quét Hình 3.19. Phổ EDX của mẫu MgSrFNaHAp 60 Hình 3.20. Hình ảnh SEM màng NaHAp (a) và màng MgSrFNaHAp (b) 61 Hình 3.21. Hình ảnh AFM bề mặt màng MgSrFNaHAp (a) và HAp (b) 62 Hình 3.22. Giản đồ XRD của các mẫu thu được sau khi trao đổi ion giữa màng 64 NaHAp với dung dịch: Zn2+ có nồng độ 0,01 M (a); 0,05 M (b); 0,1 M (c) và Ag+ có nồng độ 0,001 M (d); 0,002 M (e); 0,005 M (f); 0,01 M (g) Hình 3.23. Sự biến đổi dung lượng trao đổi ion theo thời gian tiếp xúc giữa 65 màng NaHAp với dung dịch Mn+ Hình 3.24. Phổ IR của màng NaHAp và màng MNaHAp 66 Hình 3.25. Giản đồ XRD của màng NaHAp và MNaHAp 67 Hình 3.26. Hình ảnh SEM của màng NaHAp và màng MNaHAp 68 Hình 3.27. Phổ IR của màng NaHAp (a) và CuAgZnNaHAp (b) 69 Hình 3.28. Giản đồ XRD của màng NaHAp (a) và CuAgZnNaHAp (b) 70 Hình 3.29. Hình ảnh SEM của màng CuAgZnNaHAp 70 Hình 3.30. Phổ EDX của màng HApđt 71 xvi
Hình 3.31. Phổ IR của màng NaHAp (a) và HApđt (b) 73 Hình 3.32. Giản đồ XRD của màng NaHAp (a) và HApđt (b) 73 Hình 3.33. Hình ảnh SEM của màng HApđt (b) 73 Hình 3.34. Nồng độ Ca2+ tan theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch muối 74 sinh lý Hình 3.35. Tổng nồng độ sắt hòa tan theo thời gian ngâm mẫu trong dung dịch 75 SBF Hình 3.36. Sự biến đổi pH của dung dịch SBF theo thời gian ngâm mẫu 76 Hình 3.37. Sự biến đổi điện thế mạch hở theo thời gian ngâm vật liệu trong 77 dung dịch SBF Hình 3.38. Phổ tổng trở dạng Nyquist của vật liệu trong dung dịch SBF 78 Hình 3.39. Sự biến đổi mođun tổng trở tại tần số 100 mHz theo thời gian ngâm 79 vật liệu trong dung dịch SBF Hình 3.40. Đường cong phân cực của vật liệu sau 21 ngày ngâm trong dung 80 dịch SBF Hình 3.41. Hình ảnh SEM của các vật liệu trước và sau khi ngâm 21 ngày trong 81 dung dịch SBF Hình 3.42. Hình ảnh tế bào chết ở các môi trường muôi cấy có chứa 0,3 % 82 MgSrFNaHAp (a), 0,3 % NaHAp (b) và nhóm chứng (c) theo thử nghiệm Trypan Blue Hình 3.43. Mật độ quang tại các giếng sau 24, 48 và 72 giờ thử nghiệm MTT 83 Hình 3.44. Khả năng kháng khuẩn của NaHAp (1), AgHAp (2), CuHAp (3), 84 ZnHAp (4), MgSrFNaHAp (5) và HApđt (6) Hình 3.45. Vết mổ tại vùng đùi chó sau 1 ngày (a) và sau 1 tháng phẫu thuật (b) 85 Hình 3.46. Vùng cơ nơi đặt vật liệu và vật liệu nghiên cứu sau 1 tháng 88 Hình 3.47. Vùng cấy vật liệu trên khối cơ đùi trước ở động vật cấy ghép: TKG316L 89 (a) và MgSrFNaHAp/TKG316L (b) Hình 3.48. Vỏ xơ và khối cơ đùi trước sau 4 tuần cấy ghép: NaHAp/TKG316L (a) 89 và MgSrFNaHAp/TKG316L (b) Hình 3.49. Vết mổ tại vùng đùi chó sau 1 ngày và sau 1 tháng phẫu thuật 90 Hình 3.50. Hình ảnh nẹp vít trên xương đùi sau 1 tháng phẫu thuật 94 Hình 3.51. Hình ảnh sau 1 tuần ghép vật liệu phủ NaHAp 95 xvii
Hình 3.52. Sau 1 tháng phẫu thuật, hình ảnh tạo cốt bào gần vị trí ghép vật liệu 95 TKG316L không phủ (a) và có phủ màng MgSrFNaHAp (b, c) Hình 3.53. Sau 2 tháng phẫu thuật, hình ảnh hoạt động của tế bào tạo xương 96 gần vị trí ghép vật liệu TKG316L không phủ (a) và có phủ MgSrFNaHAp (b, c) Hình 3.54. Sau 3 tháng, hình ảnh cấu trúc xương hoàn chỉnh sau ghép vật liệu 96 TKG316L không phủ (a) và có phủ MgSrFNaHAp (b, c) xviii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Hiện nay, vật liệu được sử dụng phổ biến trong ngành chỉnh hình với mục đích làm nẹp vít xương chủ yếu là các kim loại trơ về mặt hóa học như thép không gỉ 316L, titan và các hợp kim của titan như TiN, TiO2 và Ti6Al4V... Các vật liệu nẹp vít xương làm từ titan và hợp kim của titan có độ bền cơ lý cao và khả năng tương thích tốt nhưng giá thành của các sản phẩm này rất cao. Do đó, để giảm giá thành của các dịch vụ y tế, ở Việt Nam hiện nay hầu hết các nẹp vít xương đều được làm bằng thép không gỉ 316L. Tuy nhiên, thép không gỉ 316L trong môi trường dịch cơ thể người thường bị hạn chế về khả năng chịu ăn mòn và tính tương thích sinh học. Khi tồn tại lâu trong cơ thể, thép không gỉ có thể xảy ra sự ăn mòn cục bộ và sản phẩm của quá trình ăn mòn là các hợp chất của crôm, niken, … gây độc cho các tế bào xương và gây dị ứng cho cơ thể [1]. Do đó, nhiều trường hợp nẹp vít xương làm bằng thép không gỉ sau một thời gian cấy ghép trong cơ thể có hiện tượng loãng xương và gây phù nề ở chỗ tiếp xúc giữa xương và nẹp vít. Vì vậy, để khắc phục những nhược điểm này các nhà khoa học đã nghiên cứu phủ lên nền thép không gỉ màng hydroxyapatit (HAp). HAp tồn tại cả trong tự nhiên và nhân tạo. Trong tự nhiên, HAp là thành phần chính trong xương, răng và mô cứng của người và động vật có vú (trong xương, HAp chiếm khoảng 25-75% theo trọng lượng và 35-65% theo thể tích [2]). HAp tổng hợp có cấu trúc và hoạt tính sinh học tương tự HAp tự nhiên nên chúng có khả năng tương thích sinh học cao với các tế bào, các mô và không bị cơ thể đào thải. HAp được tổng hợp dưới các dạng khác nhau như dạng bột, dạng gốm, dạng compozit, dạng màng và ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y sinh. Màng HAp được phủ lên nẹp vít xương và các vật liệu dùng trong cấy ghép xương nói chung có tác dụng kích thích tế bào xương phát triển, tăng độ bám dính và sự kết nối mạnh mẽ giữa xương vật chủ và vật liệu cấy ghép. Ngoài ra, màng HAp có khả năng bảo vệ kim loại nền chống lại sự ăn mòn trong môi trường sinh lý, hạn chế sự giải phóng ion kim loại từ nền vào môi trường. Tuy nhiên, màng HAp tổng hợp có độ hòa tan tương đối cao trong môi trường sinh lý và tính chất cơ lý kém. Nhược điểm này của HAp đã được các nhà 1
khoa học nghiên cứu và khắc phục bằng cách pha tạp vào màng HAp một số nguyên tố vi lượng có mặt trong cơ thể như magiê, natri, sronti, flo, kẽm … Việc pha tạp được thực hiện bằng cách thay thế ion Ca2+ bằng các cation và thay thế ion OH- bằng anion trong cấu trúc của HAp. Các nguyên tố này khi được đưa vào màng HAp với hàm lượng thích hợp sẽ tạo màng HAp pha tạp có thành phần tương tự xương tự nhiên, làm tăng hoạt tính sinh học cho màng. Ngoài ra, vấn đề nhiễm trùng sau phẫu thuật cũng quyết định tới sự thành công của việc cấy ghép. Do đó các nguyên tố có khả năng kháng khuẩn như đồng, bạc và kẽm cũng được nghiên cứu để đưa vào màng HAp. Sự có mặt của Ag, Zn và Cu trong cấu trúc của HAp có khả năng làm giảm độ bám dính của vi khuẩn, ngăn ngừa sự hình thành màng sinh học, từ đó làm ức chế sự tăng trưởng của vi khuẩn [3, 4]. Chính vì các lý do này mà nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài luận án: “Tổng hợp và đặc trưng màng hydroxyapatit pha tạp một số nguyên tố vi lượng trên nền thép không gỉ 316L định hướng ứng dụng làm nẹp vít xương”. 2. Mục tiêu của luận án: - Chế tạo thành công màng NaHAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố vi lượng: magiê, stronti, flo, đồng, bạc và kẽm trên nền thép không gỉ 316L đáp ứng yêu cầu làm nẹp vít xương. - Nghiên cứu các đặc trưng hóa lý, nghiên cứu đánh giá độc tính, khả năng kháng khuẩn và khả năng tương thích sinh học của màng NaHAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố trên. 3. Nội dung nghiên cứu của luận án: Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu đề ra, nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm 7 nội dung chính sau: - Khảo sát lựa chọn các điều kiện thích hợp tổng hợp màng NaHAp và NaHAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố vi lượng: magiê, stronti và flo bằng phương pháp quét thế catôt, nghiên cứu đặc trưng hóa lý màng HAp pha tạp thu được. - Khảo sát lựa chọn các điều kiện thích hợp để tổng hợp màng NaHAp với sự có mặt riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố vi lượng bạc, đồng, kẽm trên nền 2