Tóm tắt 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

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý 62 440119 Mã số:

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội – 2018

Công trình được hoàn thành tại:

Phòng Ăn mòn và bảo vệ kim loại - Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện Hàn lâm

Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. Đinh Thị Mai Thanh, Viện Kỹ thuật nhiệt đới

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học Viện họp

tại Học Viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ

Việt Nam vào hồi …… giờ ….. phút ….., ngày ….. tháng ….. năm 2018

Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện:

- Thư viện Quốc gia Hà Nội.

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và

Công nghệ Việt Nam.

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của luận án

Ngày 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, ... Các vật liệu làm từ titan và hợp kim của titan có độ bền cơ lý cao và khả năng tương thích tốt nhưng giá thành rất cao. Do đó, để giảm giá thành của các dịch vụ y tế, ở Việt Nam hầu hết các nẹp vít xương đều được làm bằng thép không gỉ 316L. Tuy nhiên, thép không gỉ 316L trong môi trường cơ thể người bị hạn chế về khả năng chịu ăn mòn và tính tương thích sinh học. Vì vậy, để khắc phục những tồn tại này các nhà khoa học đã nghiên cứu phủ lên nền thép không gỉ màng hydroxyapatit.

Hydroxyapatit (HAp) là thành phần chính trong xương, răng và mô cứng của người và động vật có vú. 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 và không bị cơ thể đào thải. Màng HAp phủ lên nẹp vít xương có tác dụng kích thích tế bào xương phát triển và có khả năng bảo vệ kim loại nền chống lại sự ăn mòn trong môi trường sinh lý.

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 được 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. 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.

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: natri, 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 vi lượng.

3. Nội dung nghiên cứu của luận án:

1

- 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 các tính chất hóa lý của màng HAp pha tạp thu được.

- Khảo sát 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 bằng phương pháp trao đổi ion, nghiên cứu các tính chất hóa lý của màng HAp pha tạp thu được.

- Kết hợp đồng thời hai phương pháp: điện hóa và trao đổi ion để tổng hợp màng NaHAp pha tạp đồng thời các nguyên tố vi lượng: Mg, Sr, F, Cu, Ag và Zn.

- Nghiên cứu hoạt tính sinh học của vật liệu: TKG316L, NaHAp/TKG316L,

MgSrFNaHAp/TKG316L và HApđt/TKG316L trong dung dịch SBF. - Nghiên cứu khả năng gây độc tế bào sợi của bột NaHAp, MgSrFNaHAp. - Nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của bột NaHAp, MgSrFNaHAp,

AgNaHAp, CuNaHAp, ZnNaHAp và HApđt.

- Đánh giá khả năng tương thích sinh học của các vật liệu TKG316L không

phủ và có phủ màng NaHAp và MgSrFNaHAp trên cơ thể chó.

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Tính chất và các phƣơng pháp tổng hợp màng HAp và HAp pha tạp

Màng HAp pha tạp các nguyên tố vi lượng có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với màng HAp nguyên chất như: độ hòa tan màng giảm; sự trao đổi chất, khả năng tương thích sinh học và hoạt tính sinh học của màng tăng.

Màng HAp được phủ trên kim loại nền bằng các phương pháp: plasma, phún xạ magnetron và điện hóa ... Các phương pháp trên đều có ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp điện hóa có nhiều ưu điểm như nhiệt độ phản ứng thấp, điều khiển được chiều dày màng, màng tạo ra có độ tinh khiết và độ bám dính cao. Ngoài ra, phương pháp điện hóa còn dễ dàng pha tạp vào màng HAp một số nguyên tố vi lượng như Mg, Na, K, Sr, F, … bằng cách đưa muối M(NO3)n vào dung dịch tổng hợp để tạo màng HAp pha tạp theo phương trình phản ứng:

3- + (2-y)OH- + xM2+ + yX-  Ca10-x M x(PO4)6(OH)2-yXy

(10-x)Ca2+ + 6PO4

2

1.2. Thử nghiệm hoạt tính sinh học của HAp

Khả năng tương thích của vật liệu cấy ghép với xương tự nhiên được nghiên cứu bằng sự hình thành màng apatit trên bề mặt vật liệu khi ngâm trong dung dịch SBF hoặc thử nghiệm trên cơ thể động vật sống.

1.3. Ứng dụng của HAp và HAp pha tạp

- Làm thuốc bổ sung canxi: Trong thành phần của HAp chứa rất nhiều canxi và hợp chất HAp được cơ thể người hấp thụ trực tiếp mà không cần chuyển hóa.

- Làm các bộ phận để cấy ghép vào cơ thể như làm răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng, làm mắt giả, làm vật liệu thay thế và sửa chữa những khuyết tật của xương.

1.4. Tình hình nghiên cứu HAp ở trong nƣớc và trên thế giới

Từ việc tìm hiểu tình hình nghiên cứu về HAp và HAp pha tạp ở trong nước và trên thế giới cho thấy: trong nước chưa có công bố nào về tổng hợp màng HAp pha tạp; trên thế giới, màng HAp pha tạp đã được tổng hợp, tuy nhiên, các nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc pha tạp riêng rẽ các nguyên tố mà chưa tiến hành pha tạp đồng thời các nguyên tố vi lượng vào màng HAp. Chính vì vậy, trong luận án này sẽ trình bày chi tiết quá trình tổng hợp màng HAp pha tạp đơn và đồng thời các nguyên tố vi lượng Na, Mg, Sr, F, Cu, Ag, Zn nhằm mục đính làm tăng tính tương thích sinh học và tăng khả năng kháng khuẩn.

CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Các phƣơng pháp tổng hợp màng HAp pha tạp

2.1.1. Phương pháp điện hóa (quét thế catôt)

2.1.1.1. Hệ điện hóa Hệ 3 điện cực: điện cực đối platin dạng lá mỏng có diện tích 1 cm2, điện cực so sánh calomen bão hoà KCl (SCE) và điện cực làm việc là TKG316L được giới hạn diện tích làm việc 1cm2 bằng epoxy.

2.1.1.2. Tổng hợp màng HAp pha tạp natri - Tổng hợp trong dung dịch có thành phần: Ca(NO3)2 3.10-2 M + NH4H2PO4 1,8.10-2 M và NaNO3 có nồng độ thay đổi: 4.10-2 M (DNa1), 6.10-2 M (DNa2) và 8.10-2 M (DNa3).

- Trong điều kiện thay đổi: khoảng quét thế: 0 ÷ -1,5; 0 ÷ -1,7; 0 ÷ -1,9 và 0 ÷ -2,1 V/SCE; nhiệt độ: 25; 35; 50; 60 và 70 oC; pH = 4,0; 4,5; 5,0 và 5,5; số lần quét: 1, 3, 5, 7 và 10 lần; tốc độ quét: 3, 4, 5, 6 và 7 mV/s.

3

2.1.1.3. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp riêng rẽ magiê, stronti hoặc flo

(ĐNaHAp)

Tổng hợp ở 50 oC trong 80 mL dung dịch có thành phần ở bảng 2.1 và các điều kiện thay đổi: khoảng quét thế: 0 ÷ -1,5; 0 ÷ -1,7; 0 ÷ -1,9 và 0 ÷ -2,1 V/SCE; số lần quét: 1, 3, 5, 7 và 10 lần; tốc độ quét: 3, 4, 5, 6 và 7 mV/s.

Bảng 2.1. Thành phần dung dịch tổng hợp màng ĐNaHAp

ĐNaHAp Thành phần

MgNaHAp

SrNaHAp

FNaHAp

Ký hiệu DMg1 DMg2 DMg3 DMg4 DSr1 DSr2 DSr3 DSr4 DF1 DF2 DF3 DNa2+ Mg(NO3)2 1.10-4 M DNa2+ Mg(NO3)2 5.10-4 M DNa2+ Mg(NO3)2 1.10-3 M DNa2+ Mg(NO3)2 5.10-3 M DNa2 + Sr(NO3)2 1.10-5 M DNa2 + Sr(NO3)2 5.10-5 M DNa2 + Sr(NO3)2 1.10-4 M DNa2 + Sr(NO3)2 5.10-4 M DNa2 + NaF 5.10-4 M DNa2 + NaF 1.10-3 M DNa2 + NaF 2.10-3 M

2.1.3.4. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp đồng thời magiê, stronti và flo Tổng hợp trong 80 mL dung dịch chứa: DNa2 + NaF 2.10-3 M + Sr(NO3)2 5.10-5 M + Mg(NO3)2 1.10-3 M và trong điều kiện thay đổi: khoảng quét thế: 0 ÷ -1,5; 0 ÷ -1,7; 0 ÷ -1,9 và 0 ÷ -2,1 V/SCE; nhiệt độ: 25, 35, 50, 60 và 70 oC; số lần quét: 3, 4, 5, 6, 7 và 10 lần; tốc độ quét: 3, 4, 5, 6 và 7 mV/s.

2.1.2. Phương pháp trao đổi ion

Chuẩn bị vật liệu: Màng NaHAp tổng hợp trên nền TKG316L bằng phương pháp quét thế catôt ở khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE; nhiệt độ 50 oC, 5 lần quét với tốc độ quét 5 mV/s trong dung dịch DNa2.

2.1.2.1. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp riêng rẽ đồng, bạc hoặc kẽm Ngâm vật liệu NaHAp/TKG316L trong 4 mL dung dịch Cu(NO3)2 hoặc AgNO3 hoặc Zn(NO3)2 có nồng độ khảo sát được thể hiện ở bảng 2.2 và thời gian được khảo sát: 0; 2,5; 5; 10; 20; 30; 60 và 80 phút ở nhiệt độ phòng.

Bảng 2.2. Nồng độ ban đầu M(NO3)n được khảo sát

Nồng độ (M) M(NO3)n

4

0,01 0,005 0,0012 0,0022 0,05 0,01 0,02 0,005 0,1 0,05 0,01 0,15 0,1 - - Cu(NO3)2 AgNO3 Zn(NO3)2

2.1.2.2. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp đồng thời đồng, bạc và kẽm Ngâm vật liệu NaHAp/TKG316L trong 4 mL dung dịch có chứa đồng thời Cu(NO3)2 0,02 M + AgNO3 0,001 M + Zn(NO3)2 0,05 M trong thời gian 30 phút ở nhiệt độ phòng.

2.1.3. Tổng hợp màng HAp pha tạp đồng thời 7 nguyên tố magiê, stronti,

flo, natri, đồng, bạc và kẽm (HApđt)

- Chuẩn bị vật liệu: màng MgSrFNaHAp tổng hợp trên nền TKG316L bằng phương pháp quét thế catôt trong dung dịch DMgSrFNa, ở điều kiện: khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE; nhiệt độ 50 oC, 5 lần quét với tốc độ quét 5 mV/s.

- Màng HApđt được tổng hợp bằng cách ngâm vật liệu MgSrFNaHAp/ TKG316L trong 4 mL dung dịch có chứa đồng thời Cu(NO3)2 0,02 M + AgNO3 0,001 M + Zn(NO3)2 0,05 M trong thời gian 30 phút ở nhiệt độ phòng.

2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu

2.2.1. Các phương pháp điện hóa

Các phương pháp điện hóa (phương pháp quét thế động, đo điện trở phân cực, đo điện thế mạch hở theo thời gian và tổng trở điện hóa) được thực hiện trên thiết bị AUTOLAP của Viện Kỹ thuật nhiệt đới.

2.2.2. Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion được thực hiện bằng cách ngâm vật liệu HAp pha tạp trên nền TKG316L trong dung dịch có chứa ion Mn+ cần trao đổi với khoảng thời gian xác định.

2.2.3. Các phương pháp xác định thành phần và cấu trúc

Thành phần và cấu trúc của màng HAp pha tạp được xác định bằng các phương pháp: IR, XRD, SEM, AFM, EDX (hoặc AAS hoặc ICP-MS), UV-VIS.

2.2.4. Các phương pháp xác định tính chất cơ lý

Tính chất cơ lý của màng HAp pha tạp được xác định bằng các phương pháp: cân khối lượng màng HAp, đo độ bám dính, chiều dày màng và nghiên cứu khả năng hòa tan (bằng cách xác định nồng độ Ca2+ hòa tan theo thời gian khi ngâm vật liệu trong dung dịch muối sinh lý NaCl 0,9 %) và xác định tổng nồng độ sắt hòa tan từ nền khi ngâm vật liệu trong dung dịch SBF.

5

2.2.5. Phương pháp thử nghiệm in vitro và in vivo

2.2.5.1. Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF) Khảo sát khả năng hình thành apatit và diễn biến ăn mòn của vật liệu TKG316L, NaHAp/TKG316L, MgSrFNaHAp/TKG316L và HApđt/TKG316L trong dung dịch SBF bằng phương pháp: đo điện thế mạch hở theo thời gian, đo tổng trở điện hóa, đo điện trở phân cực.

2.2.5.2. Thử nghiệm tế bào Tiến hành nghiên cứu tính an toàn và tương thích sinh học của vật liệu màng NaHAp và MgSrFNaHAp trên dòng tế bào sợi bằng các phương pháp: thử nghiệm Trypan Blue và thử nghiệm MTT.

2.2.5.3. Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn Khả năng kháng khuẩn của NaHAp, MNaHAp, MgSrFNaHAp và HApđt đối với 3 chủng khuẩn (E.faecalis, E.coli và P.aerugimosa) bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch.

2.2.5.4. Thử nghiệm in vivo Chó khỏe mạnh được chia thành 3 nhóm, mỗi nhóm 6 con, được cấy 3 loại nẹp vít xương làm từ TKG316L không phủ và có phủ màng NaHAp và MgSrFNaHAp bằng hai phương pháp: đưa vật liệu vào dưới da vùng đùi trước và đưa nẹp vít vào vùng xương đùi chó. Đánh giá sự tương thích của vật liệu bằng phương pháp: quan sát tình trạng tại chỗ vết mổ, các chỉ số huyết học và sinh hóa, hình ảnh đại thể và vi thể ở vị trí cấy ghép.

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Tổng hợp và đặc trƣng của màng HAp pha tạp

3.1.1. Tổng hợp màng HAp pha tạp bằng phương pháp điện hóa

3.1.1.1. Màng HAp pha tạp natri

a. Đường cong phân cực catôt Hình 3.1 giới thiệu đường cong phân cực catôt của điện cực TKG316L trong khoảng thế từ 0 ÷ -2,1 V/SCE. Trong khoảng điện thế này, có các phản ứng:

+ H2

2H+ + 2e-  H2 O2 + 2H2O + 4e-  4OH- + 2e-  + 2e-  2 2 (3.1) (3.2) (3.3) (3.4) + H2

6

+ H2

(3.5) (3.6) (3.7)

+ 2OH- + 2e- 2 + 2H2O + 2e 

+ OH-  + OH- 

2 2H2O + 2e-  H2 + 2OH-

+ H2O (3.8) (3.9) + H2O

10(Ca2+, Na+) + 6 (3.10) + 2OH− → (Ca, Na)10(PO4)6(OH)2

Hình 3.1. Đường cong phân cực catôt của điện cực TKG316L trong dung dịch DNa2

b. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch

Màng NaHAp tổng hợp trong các dung dịch có nồng độ NaNO3 khác nhau đều cho tỉ lệ nguyên tử (Ca + 0,5 Na)/P gần giống tỉ lệ của Ca/P trong xương (1,67) (bảng 3.1). Để thu được màng có tỉ lệ Na/Ca ≤ 0,102 tương tự như trong xương tự nhiên thì dung dịch DNa1 và DNa2 thích hợp. Do đó, dung dịch DNa2 được lựa chọn cho các thí nghiệm tiếp theo.

Bảng 3.1. Kết quả AAS của NaHAp tổng hợp khi thay đổi nồng độ NaNO3

% khối lƣợng các nguyên tố DD Na / Ca (0,5 Na+ Ca)/ P

DNa1 DNa2 DNa3 P 17,25 16,80 16,60 Ca 36,09 33,20 33,09 Na 0,32 1,50 2,20 0,0155 0,0785 0,1156 1,63 1,61 1,58

Hình 3.2. Phổ IR và giản đồ XRD của màng NaHAp Phổ IR và giản đồ XRD của màng NaHAp được tổng hợp trong dung dịch

DNa2 đều cho thấy màng NaHAp thu được dạng tinh thể đơn pha (hình 3.2).

7

c. Ảnh hưởng của khoảng quét thế Sự biến đổi điện lượng quá trình tổng hợp, khối lượng, độ bám dính và chiều dày của màng khi thay đổi khoảng quét thế cho thấy với khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 màng thu được có chiều dày và độ bám dính là lớn nhất (bảng 3.2). Do đó, khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE là lựa chọn cho quá trình tổng hợp màng NaHAp.

Bảng 3.2. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, độ bám dính và chiều dày của màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2 ở khoảng quét thế khác nhau

Điện lƣợng Q (C) 0,41 3,23 4,29 6,57 Khối lƣợng (mg/cm2) 1,00 2,45 1,82 1,67 Độ bám dính (MPa) - 7,2 7,1 7,0 Chiều dày (µm) 3,2 7,8 5,8 5,3

Khoảng thế (V/SCE) 0 ÷ -1,5 0 ÷ -1,7 0 ÷ -1,9 0 ÷ -2,1 d. Ảnh hưởng của nhiệt độ Hình ảnh SEM của màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2 ở các

nhiệt độ khác nhau cho thấy nhiệt độ có ảnh hưởng đến hình thái học của màng.

Hình 3.3. Hình ảnh SEM của màng NaHAp tổng hợp ở nhiệt độ khác nhau

Hình 3.4. Giản đồ XRD của màng NaHAp tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau

Dựa vào kết quả phân tích XRD cho thấy: ở 25 và 35 oC, thành phần chính của màng là đicanxi photphat đihyđrat (DCPD, CaHPO4.2H2O) với góc nhiễu xạ 2 ≈ 12 và 24 o và HAp là thành phần phụ tại góc nhiễu xạ 2 ≈ 26 và 32 o; Ở nhiệt độ cao hơn (50 và 60 oC), pha của DCPD không được quan sát thấy, màng thu được đơn pha của HAp (hình 3.4). Ngoài ra, cũng xuất hiện một số pic đặc

8

trưng cho nền TKG316L. Do đó, 50 oC được lựa chọn cho quá trình tổng hợp màng NaHAp.

e. Ảnh hưởng của pH Sự biến đổi khối lượng và chiều dày màng NaHAp hình thành trên bề mặt điện cực TKG316L theo sự thay đổi pH (bảng 3.3), cho thấy tại pH0 màng thu được là lớn nhất. Do đó pH0 thích hợp cho quá trình tổng hợp màng NaHAp. Bảng 3.3. Sự biến đổi khối lượng và chiều dày màng NaHAp khi thay đổi pH

4,5 2,43 7,80 5,5 1,31 4,19 4,0 2,05 6,55 5,0 1,54 4,92

pH Khối lƣợng màng NaHAp (mg/cm2) Chiều dày màng NaHAp (µm) g. Ảnh hưởng của số lần quét thế Sự biến đổi điện lượng quá trình tổng hợp, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của màng NaHAp tổng hợp khi số lần quét thế thay đổi cho thấy ở 5 lần quét, màng thu được có chiều dày và độ bám dính cao nhất (bảng 3.4).

Bảng 3.4. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, độ bám dính và chiều dày

của màng NaHAp khi thay đổi số lần quét

Số lần quét 1 3 5 7 10 Điện lƣợng Q (C) 0,74 2,21 3,23 4,07 5,20 Khối lƣợng (mg/cm2) 0,52 1,50 2,45 1,27 1,05 Chiều dày (µm) 1,6 4,7 7,8 4,1 3,4 Độ bám dính (MPa) - 7,2 7,2 6,3 6,0

Hình ảnh SEM của màng NaHAp tổng hợp ở các số lần quét khác nhau chỉ ra: ở 3 lần quét, màng HAp hình thành có dạng phiến với kích thước lớn; với 5 lần quét, màng NaHAp dạng tấm, kích thước nhỏ khoảng 150x25 nm và đồng đều; ứng với 7 lần quét màng NaHAp có hình dạng phiến và dạng cuống lá (hình 3.5). Dựa vào các kết quả trên, 5 lần quét được lựa chọn cho quá trình tổng hợp

màng NaHAp.

Hình 3.5. Hình ảnh SEM của màng NaHAp tổng hợp với số lần quét khác nhau

9

h. Ảnh hưởng của tốc độ quét thế Điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của màng NaHAp tổng hợp khi thay đổi tốc độ quét cho thấy với tốc độ quét 5mV/s màng thu được có chiều dày lớn nhất và độ bám dính cao (bảng 3.5). Vì vậy, tốc độ quét thế phù hợp cho quá trình tổng hợp màng NaHAp được lựa chon tại 5 mV/s.

Bảng 3.5. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, độ bám dính và chiều dày

của màng NaHAp tổng hợp với tốc độ quét thế khác nhau

Tốc độ quét (mV/s) 3 4 5 6 7 Độ bám dính (MPa) 6,2 6,5 7,2 7,8 10,6 Điện lƣợng Q (C) 5,09 4,11 3,23 2,21 1,85 Chiều dày (µm) 6,2 6,9 7,8 4,1 3,0

Khối lƣợng (mg/cm2) 1,95 2,15 2,45 1,27 0,93 3.1.1.2. Màng NaHAp pha tạp riêng rẽ magiê, stronti hoặc flo (ĐNaHAp)

a. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch Hình 3.6 biểu diễn đường cong phân cực catôt của TKG316L trong dung dịch DNa2 có bổ sung thêm ion Mg2+ hoặc ion Sr2+ hoặc ion F- ở các nồng độ khác nhau. Các đường cong đều có dạng tương tự nhau, khi tăng nồng độ các ion bổ sung làm tăng độ dẫn của dung dịch nên mật độ dòng catôt tăng.

Hình 3.6. Đường cong phân cực catôt của TKG316L trong dung dịch DNa2 có bổ sung thêm ion Mg2+ (a), Sr2+ (b) và F- (c) với các nồng độ khác nhau

Các phản ứng xảy ra trong các khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE này tương tự như quá trình tổng hợp NaHAp (mục 3.1.1). Trên bề mặt điện cực quan sát thấy sự hình thành HAp pha tạp: MgNaHAp, SrNaHAp hay FNaHAp theo phản ứng: 3− + 2OH− → (Ca,Mg,Na)10(PO4)6(OH)2 (3.12) 10(Ca2+,Mg2+,Na+) + 6PO4 10(Ca2+,Sr2+,Na+) + 6PO4 3− + 2OH− → (Ca,Sr,Na)10(PO4)6(OH)2 (3.13) (Ca,Na)10(PO4)6(OH)2 + xF- + xH+  (Ca,Na)10(PO4)6(OH)2-xFx + xH2O (3.14)

10

Kết quả phân tích thành phần khối lượng các nguyên tố có trong màng ĐNaHAp chỉ ra rằng hàm lượng của các nguyên tố cần pha tạp trong màng tăng khi nồng độ của chúng trong dung dịch tăng (bảng 3.6). Từ phần trăm về khối lượng các nguyên tố xác định tỉ lệ nguyên tử X/Ca (bảng 3.7). Tỉ lệ X/Ca tăng dần theo nồng độ các ion trong dung dịch. Để màng ĐNaHAp thu được có tỉ lệ X/Ca tương tự trong xương tự nhiên (tức tỉ lệ Mg/Ca ≤ 1,7.10-2; Sr/Ca ≤ 3,76.10-4 và F/Ca ≤ 0,14) thì dung dịch DMg1, DMg2, DMg3 và DSr1, DSr2 là phù hợp. Tỷ lệ F/Ca luôn nhỏ hơn nhiều so với tỉ lệ F/Ca có trong xương tự nhiên. Tuy nhiên, nếu nồng độ F- trong dung dịch vượt quá 2.10-3 M thì dung dịch xuất hiện vẩn đục của CaF2. Do đó, dung dịch DMg3, DSr2 và DF3 được lựa chọn để tổng hợp màng MgNaHAp, SrNaHAp và FNaHAp.

Bảng 3.6. Hàm lượng % của các nguyên tố trong màng ĐNaHAp tạo ra

trong các dung dịch khác nhau Na 1,21 1,13 1,20 1,10 1,27 1,22 1,16 1,12 1,15 1,50 1,90 P 17,18 17,90 18,10 18,50 17,25 17,96 17,46 17,36 18,90 18,01 16,80 Mg 0,06 0,12 0,20 0,40 - - - - - - - Ca 34,12 35,20 34,60 34,20 34,19 34,72 33,34 33,32 38,40 37,20 33,10 Sr - - - - 1,74.10-4 3,68.10-4 6,30.10-4 1,00.10-3 - - - F - - - - - - - - 1,01 1,30 1,55 DD DMg1 DMg2 DMg3 DMg4 DSr1 DSr2 DSr3 DSr4 DF1 DF2 DF3

Bảng 3.7. Tỉ lệ nguyên tử X/Ca, Y/P và công thức phân tử của màng ĐNaHAp

X/Ca

DD DMg1 DMg2 DMg3 DMg4 DSr1 DSr2 DSr3 DSr4 DF1 DF2 DF3 Na/Ca Y/ P 2,90.10-3 1,59 0,062 5,70.10-3 1,58 0,056 9,60.10-3 1,54 0,060 1,95.10-2 1,50 0,056 1,74.10-4 1.64 0,065 3,68.10-4 1.59 0,061 0,0605 6,30.10-4 1.57 1,00.10-3 1.58 0,049 5,50.10-2 1,66 0,052 7,40.10-2 1,67 0,070 9,90.10-2 1,67 0,099 Công thức phân tử (dự kiến) Ca9,403Mg0,027Na0,570(PO4)6(OH)2 Ca9,438Mg0,052Na0,510(PO4)6(OH)2 Ca9,378Mg0,086Na0,536(PO4)6(OH)2 Ca9,352Mg0,168Na0,480(PO4)6(OH)2 Ca9,403Sr0,002Na0,595(PO4)6(OH)2 Ca9,447Sr0,003Na0,549(PO4)6(OH)2 Ca9,457Sr0,006Na0,537(PO4)6(OH)2 Ca9,469Sr0,009Na0,521(PO4)6(OH)2 Ca9,508Na0,492(PO4)6(OH)1,477F0,523 Ca9,326Na0,674 (PO4)6(OH)1,293F0,707 Ca9,085Na0,915(PO4)6(OH)1,097F0,903

11

(X/Ca = Mg/Ca hoặc Sr/Ca hoặc F/Ca; Y/P = (0,5Na+ Ca + Mg + Sr)/P)

b. Ảnh hưởng của khoảng quét thế Bảng 3.8 biểu diễn sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của màng MgNaHAp, SrNaHAp và FNaHAp ở các khoảng quét thế khác nhau. Khoảng thế 0 ÷ -1,7 V/SCE đối với màng MgNaHAp + SrNaHAp và 0 ÷ -1,8 V/SCE đối với màng FNaHAp, chiều dày màng thu được là lớn nhất và màng có độ bám dính cao. Do đó, màng MgNaHAp + SrNaHAp được tổng hợp ở khoảng thế 0 ÷ -1,7 V/SCE, màng FNaHAp tổng hợp ở khoảng thế 0 ÷ -1,8 V/SCE

Bảng 3.8. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính

của màng ĐNaHAp tổng hợp ở các khoảng quét thế khác nhau

ĐNaHAp

MgNaHAp

SrNaHAp

FNaHAp

Điện lƣợng (C) 0,42 3,56 4,52 6,85 0,31 3,51 4,32 6,69 0,50 3,63 4,25 4,97 Khối lƣợng màng (mg/cm2) 1,21 2,63 1,96 1,41 1,12 2,35 1,91 1,45 1,40 2,40 2,90 1,80 Chiều dày màng (µm) 5,5 8,1 6,3 4,5 5,2 7,6 6,1 4,7 4,2 7,8 8,3 5,4 Độ bám dính (MPa) 7,3 7,2 7,1 7,0 7,4 7,3 7,1 7,0 7,6 7,1 6,9 5,5

Khoảng thế (V/SCE) 0 ÷ -1,5 0 ÷ -1,7 0 ÷ -1,9 0 ÷ -2,1 0 ÷ -1,5 0 ÷ -1,7 0 ÷ -1,9 0 ÷ -2,1 0 ÷ -1,6 0 ÷ -1,7 0 ÷ -1,8 0 ÷ -1,9 c. Ảnh hưởng của số lần quét thế Dựa vào kết quả biểu diễn sự thay đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của màng ĐNaHAp với số lần quét thay đổi (bảng 3.9), cho thấy khối lượng và chiều dày màng đạt giá trị cực đại tại 5 lần quét và độ bám dính cao. Do đó, 5 lần quét được lựa chọn cho quá trình tổng hợp màng ĐNaHAp.

Bảng 3.9. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính

của màng ĐNaHAp tổng hợp với các số lần quét thế khác nhau

ĐNaHAp Số lần quét

MgNaHAp

1 3

Điện lƣợng (C) 0,76 2,40 Khối lƣợng màng (mg/cm2) 0,57 1,72 Chiều dày màng (µm) 1,6 5,5 Độ bám dính (MPa) - 7,3

12

SrNaHAp

FNaHAp

5 7 10 1 3 5 7 10 1 3 5 7 10

3,51 4,61 6,33 0,56 2,13 3,51 4,02 4,98 0,78 2,61 3,82 5,14 6,96

2,63 1,41 0,98 0,37 1,51 2,35 1,51 1,12 0,62 1,80 2,40 1,52 1,26

8,1 4,5 3,1 1,2 5,2 7,6 4,8 3,7 1,8 5,6 7,8 4,9 4,1

7,2 6,3 5,7 - 10,0 7,3 7,5 5,2 - 7,4 7,1 6,1 5,8

d. Đặc trưng hóa lý Dựa vào phổ IR, giản đồ XRD và hình ảnh SEM của màng ĐNaHAp cho thấy màng thu được dạng tinh thể đơn pha và sự có mặt của các ion Mg2+, Sr2+, F- trong màng HAp đã làm thay đổi hình thái học của màng (hình 3.7 và 3.8).

Hình 3.7. Phổ IR và giản đồ XRD của màng ĐNaHAp

Hình 3.8. Hình ảnh SEM của màng NaHAp và ĐNaHAp

3.1.1.3. Màng NaHAp pha tạp đồng thời magiê, stronti và flo

a. Ảnh hưởng của khoảng quét thế Màng MgSrFNaHAp được hình thành trên bề mặt TKG316L theo phản ứng: + 2OH-  (Ca,Na,Mg,Sr)10(PO4)6(OH)2 (3.15) 10(Ca2+,Na+,Mg2+,Sr2+) + 6 (Ca,Na,Mg,Sr)10(PO4)6(OH)2 + x F- + x H+  (Ca,Na,Mg,Sr)10(PO4)6(OH)2- xFx + xH2O (3.16)

13

Bảng 3.10 biểu diễn sự thay đổi điện lượng, khối lượng và chiều dày của màng MgSrFNaHAp khi thay đổi khoảng quét thế. Khối lượng màng thu được đạt giá trị cực đại ứng với khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE.

Bảng 3.10. Sự biến đổi điện lượng, chiều dày và khối lượng màng

MgSrFNaHAp khi thay đổi khoảng quét thế

Khoảng thế (V/SCE) 0 ÷ -1,5 0 ÷ -1,7 0 ÷ -1,8 0 ÷ -1,9 0 ÷ -2,1 Điện lƣợng (C) 1,13 4,32 5,08 5,92 7,84 Khối lƣợng (mg/cm2) 1,01 3,17 2,54 1,95 1,47 Chiều dày (µm) 3,1 8,9 7,8 5,9 4,2

Hình ảnh SEM của màng MgSrFNaHAp tổng hợp khi thay đổi khoảng quét thế được chỉ ra trên hình 3.9. Ở khoảng thế 0 ÷ -1,7 và 0 ÷ -1,8 V/SCE, màng thu được có dạng que và đồng đều nhất. Do đó, dựa vào các kết quả trên, khoảng thế 0 ÷ -1,7 V/SCE được lựa chọn để tổng hợp màng MgSrFNaHAp.

Hình 3.9. Hình ảnh SEM của màng MgSrFNaHAp tổng hợp khi thay đổi khoảng quét thế: (a) 0 ÷ -1,5; (b) 0 ÷ -1,7; (c) 0 ÷ -1,8; (d) 0 ÷ -1,9 (V/SCE)

b. Ảnh hưởng của nhiệt độ Các kết quả phân tích XRD của màng MgSrFNaHAp tổng hợp khi thay đổi nhiệt độ được chỉ ra trên hình 3.10a. Với màng tổng hợp 25 và 35 oC, thành phần chính của màng là DCPD. Ở nhiệt độ cao hơn, không quan sát thấy pic của DCPD và màng thu được chỉ có pha của HAp. Nhiệt độ phù hợp cho quá trình tổng hợp màng MgSrFNaHAp được lựa chọn là 50 oC.

c. Ảnh hưởng của số lần quét thế Các giản đồ XRD chỉ ra rằng màng MgSrFNaHAp tổng hợp ứng với 1 lần quét, thành phần pha là DCPD mà không có pha của HAp. Với 3 lần quét, đã xuất hiện pha của HAp nhưng DCPD vẫn là thành phần chính. Từ 5 lần quét trở lên, màng thu được có một pha HAp duy nhất (hình 3.10b).

14

d. Ảnh hưởng của tốc độ quét thế Bằng phân tích giản đồ XRD cho thấy với tốc độ quét thế từ 3 ÷ 5 mV/s, đều cho các pic đặc trưng của HAp (hình 3.10c). Tuy nhiên với tốc độ quét nhanh (6 và 7 mV/s) cường độ pic của HAp thấp và xuất hiện pha của DCPD. Vì vậy, tốc độ quét thế phù hợp cho quá trình tổng hợp màng MgSrFNaHAp là 5 mV/s.

Hình 3.10. Giản đồ XRD của màng MgSrFNaHAp khi thay đổi:

(a) nhiệt độ, (b) số lần quét, (c) tốc độ quét

e. Đặc trưng tính chất của màng MgSrFNaHAp Phổ EDX của màng MgSrFNaHAp quan sát thấy các pic đặc trưng cho các nguyên tố Ca, P, O, F, Mg, Sr và Na với % các nguyên tố được liệt kê trên bảng 3.11. Từ đó, xác định được tỉ lệ giữa các nguyên tố, kết quả cho thấy thành phần của màng HAp pha tạp có sự gần đúng tương đối tốt với thành phần các nguyên tố trong xương tự nhiên (bảng 3.12).

Bảng 3.11. Phần trăm khối lượng (% m) và phần trăm nguyên tử (% n)

O Ca Na

của các nguyên tố trong màng MgSrFNaHAp Sr Mg P 0,14 39,34 32,65 15,76 0,56 0,03 0,13 0,01 68,20 18,00 11,20 0,99 Nguyên tố % m % n F 1,50 1,47

Bảng 3.12. Tỉ lệ nguyên tử trong màng MgSrFNaHAp và trong xương tự nhiên

M/ Ca (M: Na, Mg, Sr, F) MgSrFNaHAp Xƣơng tự nhiên

Na/ Ca Mg/Ca Sr/ Ca F/ Ca (0,5 Na + Mg + Sr + Ca)/P 8,8.10-2 1,2.10-3 8,9.10-4 1,3.10-2 1,664 0,102 6,7.10-3÷ 1,7.10-2 2,7.10-4 ÷ 9,8.10-4 0,024 ÷ 0,15 -

Hình ảnh SEM cho thấy khi pha tạp thêm các nguyên tố vi lượng cơ thể vào trong thành phần màng HAp, màng thu được có dạng que, bề mặt màng có sự đồng đều và đặc khít hơn so với màng NaHAp (hình 3.11). Kết quả đo AFM

15

cho thấy màng HAp pha tạp đồng thời các nguyên tố vi lượng cơ thể có bề mặt mịn hơn với giá trị độ gồ ghề Ra thấp hơn 2 lần so với màng NaHAp.

Hình 3.11. Hình ảnh SEM (a) và AFM (b) bề mặt màng NaHAp và MgSrFNaHAp

3.1.2. Pha tạp một số nguyên tố vào màng NaHAp bằng phương pháp trao

đổi ion

3.1.2.1. Màng NaHAp pha tạp riêng rẽ đồng, bạc hoặc kẽm a. Ảnh hưởng của nồng độ Đối với quá trình trao đổi ion giữa màng NaHAp với Cu2+, khi nồng độ ban đầu của Cu2+ tăng từ 0,005 M ÷ 0,02 M, dung lượng trao đổi ion tăng nhanh, khi tăng nồng độ Cu2+ lên 0,05 M và 0,1 M thì dung lượng tăng không đáng kể do quá trình trao đổi ion đã đạt tới xu hướng cân bằng. Vì vậy, dung dịch Cu2+ có nồng độ 0,02 M được sử dụng để tổng hợp màng CuNaHAp (bảng 3.13).

Đối với quá trình trao đổi ion giữa màng NaHAp với ion Ag+ và Zn2+, dung lượng trao đổi ion tăng liên tục khi nồng độ ion tăng. Giản đồ XRD của các mẫu thu được sau khi trao đổi ion thể hiện trên hình 3.12. Với nồng độ của Ag+ từ 0,001 ÷ 0,005 M và Zn2+ từ 0,01 ÷ 0,1 M, tất cả các mẫu thu được là đơn pha của HAp. Với nồng độ Ag+ 0,01 M, mẫu thu được ngoài pha của HAp thì chủ yếu là pha của Ag3PO4. Trong các thí nghiệm tiếp theo, dung dịch Ag+ 0,001 M, Zn2+ 0,05 M được sử dụng để tổng hợp màng AgNaHAp và màng ZnNaHAp.

Bảng 3.13 . Dung lượng trao đổi ion và công thức phân tử của MNaHAp

Ion

Cu2+

Ag+

Nồng độ Mn+ (M) 0,005 0,01 0,02 0,05 0,1 0,001 0,002 0,005 0,01 0,01 Q (mmol/g) 0,065 0,117 0,166 0,204 0,216 0,259 0,374 0,569 2,470 0,499 Zn2+ Công thức phân tử của màng MNaHAp (dự kiến) Ca9,278Na0,722 Cu0,065(PO4)6(OH)2 Ca9,162Na0,722 Cu0,116(PO4)6(OH)2 Ca9,113Na0,722 Cu0,165(PO4)6(OH)2 Ca9,076Na0,722 Cu0,202(PO4)6(OH)2 Ca9,064Na0,722 Cu0,214(PO4)6(OH)2 Ca9,021Na0,722 Ag0,257(PO4)6(OH)2 Ca8,907Na0,722 Ag0,371(PO4)6(OH)2 Ca8,714Na0,722 Ag0,564(PO4)6(OH)2 - Ca8,783Na0,722 Zn0,495(PO4)6(OH)2

16

0,05 0,1 1,248 3,858 Ca8,040Na0,722 Zn1,238(PO4)6(OH)2 Ca5,452Na0,722 Zn3,826(PO4)6(OH)2

Hình 3.12. Giản đồ XRD của các mẫu thu được sau khi trao đổi ion giữa màng 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)

b. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc Dung lượng trao đổi ion của màng NaHAp với dung dịch Cu2+ 0,02 M; Ag+ 0,001 M hoặc Zn2+ 0,05 M theo thời gian cho thấy: sau 30 phút (với màng CuNaHAp và ZnNaHAp) và sau 10 phút (với màng AgNaHAp) dung lượng trao đổi ion đã gần đạt tới xy hướng cân bằng (hình 3.13), tiếp tục tăng thời gian lên thì dung lượng thay đổi không đáng kể. Do đó, thời gian được lựa chọn để tổng hợp màng CuNaHAp, ZnNaHAp là 30 phút và màng AgNaHAp là 10 phút.

Hình 3.13. Sự biến đổi dung lượng trao đổi ion theo thời gian tiếp xúc

giữa màng NaHAp với dung dịch Mn+ c. Đặc trưng, tính chất của các màng: CuNaHAp, AgNaHAp, ZnNaHAp Phổ IR của các mẫu MNaHAp đều có các pic đặc trưng cho dao động của các nhóm chức trong phân tử HAp và giản đồ XRD có các pic đặc trưng cho pha của HAp và của nền TKG316L mà không thấy sự có mặt của các pha khác.

Hình ảnh SEM cho thấy sự có mặt của các ion Cu2+, Ag+ và Zn2+ trong

màng NaHAp đã làm thay đổi hình thái học của màng (hình 3.15).

17

Hình 3.14. Phổ IR và giản đồ XRD của màng NaHAp và màng MNaHAp

Hình 3.15. Hình ảnh SEM của màng NaHAp và màng MNaHAp

3.1.2.2. Màng NaHAp pha tạp đồng thời đồng, bạc và kẽm Trao đổi ion giữa màng NaHAp với dung dịch có chứa đồng thời 3 ion: Cu2+ 0,02 M, Ag+ 0,001 M và Zn2+ 0,05 M trong thời gian 30 phút đã làm giá trị dung lượng trao đổi ion giảm đi so với khi trao đổi ion riêng rẽ các nguyên tố (bảng 3.14).

Bảng 3.14. Dung lượng trao đổi ion và công thức phân tử của màng CuAgZnNaHAp

Ca8,550Na0,722 Cu0,121 Ag0,208Zn1,121(PO4)6(OH)2 Ion Nồng độ Mn+ (M) Q (mmol/g) Công thức phân tử (dự kiến) Cu2+ Ag+ Zn2+ 0,02 0,001 0,05 0,121 0,207 1,117

Dựa vào phổ IR, giản đồ XRD và hình ảnh SEM cho thấy màng CuAgZnNaHAp thu được có dạng đơn pha, tinh thể dạng hình phiến (hình 3.16).

Hình 3.16. Phổ IR, XRD của màng NaHAp (a) và CuAgZnNaHAp (b) và

ảnh SEM của màng CuAgZnNaHAp

3.1.3. Màng HAp pha tạp đồng thời 7 nguyên tố magiê, sronti, flo, natri,

đồng, bạc và kẽm

Phổ EDX của màng HApđt có các pic đặc trưng cho các nguyên tố Ca, P, O, Mg, Sr, F, Cu, Ag, Zn và Na với % các nguyên tố được liệt kê trên bảng 3.15,

18

tỉ lệ nguyên tử X/Ca, tỉ lệ (0,5Na+Ca+Mg+Sr+Cu+0,5Ag+Zn)/P (ký hiệu Z/P) được xác định trên bảng 3.16. Trong màng HApđt, thành phần của Mg, Sr, F và Na có sự gần đúng so với xương tự nhiên, còn thành phần của Cu, Ag, Zn cao hơn trong xương tự nhiên để làm tăng khả năng kháng khuẩn cho màng.

Bảng 3.15. Thành phần của các nguyên tố trong màng HApđt

P O Ca Na Mg Sr F

Nguyên tố % m % n Cu Ag Zn 29,01 14,67 52,83 0,15 0,04 0,03 1,07 0,18 0,39 1,06 49,17 12,63 35,82 0,18 0,05 0,008 1,53 0,08 0,1 0,44

Bảng 3.16. Tỉ lệ nguyên tử M/P trong màng HApđt, trong xương tự nhiên

và công thức phân tử dự kiến của màng HApđt

F/Ca Mg/Ca Sr/Ca Na/Ca Cu/Ca Ag/Ca Zn/Ca Z/P Tỉ lệ nguyên tử

0,176 4.10-4 0,102 1.10-4 1.10-6 6.10-4 1,67 0,149 Màng HApđt 0,0646 2.10-3 4.10-4 8.10-3 3.10-3 4.10-3 0,0187 1,65 Xương tự nhiên

(dự Ca9,005Mg0,019Sr0,004F0,638Cu0,032Ag0,041Zn0,185Na0,074(PO4)6(OH)2 CTPT kiến)

Phổ IR của màng NaHAp và HApđt đều có dạng tương tự nhau và có các pic đặc trưng cho các nhóm chức trong phân tử HAp; Giản đồ XRD cho thấy màng HApđt ở dạng tinh thể, đơn pha; Hình ảnh SEM của màng màng HApđt cho thấy: màng HApđt có dạng hình phiến, đồng đều và đặc khít (hình 3.17).

Hình 3.17. Phổ IR, giản đồ XRD của màng NaHAp (a), HApđt (b) và hình

ảnh SEM của màng HApđt

Khả năng hòa tan màng được nghiên cứu bằng cách ngâm vật liệu NaHAp/TKG316L, MgSrFNaHAp/TKG316L và HApđt/ TKG316L trong dung dịch muối sinh lý NaCl 0,9 % hoặc trong dung dịch SBF (hình 3.18). Kết quả cho thấy nồng độ Ca2+ hòa tan từ ba vật liệu đều tăng theo thời gian ngâm. Tuy nhiên, nồng độ Ca2+ hòa tan từ màng HApđt luôn thấp nhất, tiếp đến là màng MgSrFNaHAp và cao nhất là màng NaHAp, tương ứng độ hòa tan của màng NaHAp > MgSrFNaHAp > HApđt). Tổng nồng độ sắt bị tan ra từ nền TKG316L

19

của bốn vật liệu trên theo thời gian ngâm trong dung dịch SBF đã được xác định, kết quả cho thấy nồng độ sắt tăng theo thời gian ngâm và nồng độ sắt hòa tan từ mẫu TKG316L > NaHAp/TKG316L > MgSrFNaHAp/TKG316L > HApđt/TKG316L. Kết quả này khẳng định khả năng bảo vệ nền TKG316L của màng HApđt > MgSrFNaHAp > NaHAp.

Hình 3.18. Nồng độ Ca2+ và tổng nồng độ sắt hòa tan

3.2. Thử nghiệm in vitro và in vivo 3.2.1. Thử nghiệm in vitro

3.2.1.1. Trong dung dịch mô phỏng dịch thể người a. Xác định pH và điện thế mạch hở theo thời gian ngâm mẫu Với mẫu TKG316L, giá trị pH giảm liên tục và điện thế mạch hở không

thay đổi nhiều nhưng có xu hướng tăng theo thời gian ngâm mẫu (hình 3.19).

Hình 3.19. Sự biến đổi pH và điện thế mạch hở theo thời gian ngâm vật

liệu trong dung dịch SBF

Với mẫu TKG316L phủ HAp pha tạp, giá trị pH và E thay đổi theo thời gian ngâm. Kết quả này do sự hòa tan màng HAp và hình thành màng apatit. Màng HAp bị hòa tan dẫn đến pH tăng và Eo giảm. Khi hình thành apatit các ion Ca2+, PO4 3- và ion OH- bị tiêu thụ một lượng lớn dẫn đến pH giảm và Eo tăng.

20

b. Đo tổng trở điện hóa

Hình 3.20. Phổ tổng trở dạng Bode và sự biến đổi mođun tổng trở của các vật liệu tại tần số 100 mHz

Với vật liệu TKG316L luôn có sự hình thành màng apatit giá trị tổng trở luôn tăng theo thời gian ngâm mẫu, với vật liệu TKG316L phủ màng HAp pha tạp tổng trở có sự thăng giáng theo thời gian do luôn xảy ra hai quá trình: hòa tan màng HAp và kết tủa apatit nhưng nhìn chung tổng trở có giá trị tăng lên sau 21 ngày ngâm trong SBF chứng tỏ tốc độ hình thành màng apatit luôn lớn hơn tốc độ hòa tan màng HAp (hình 3.20).

Ngoài ra, sự biến đổi modun tổng trở tại tần số 100 mHz cũng cho thấy với mọi thời điểm, tổng trở của vật liệu MgSrFNaHAp/TKG316L và HApđt/TKG316L cao hơn nhiều so với vật liệu NaHAp/TKG316L và TKG316L (hình 3.20), chứng tỏ màng HAp có mặt các nguyên tố vi lượng có khả năng bảo vệ cho vật liệu nền tốt hơn so với màng NaHAp.

c. Đo phân cực Tafel Sự có mặt của các nguyên tố vi lượng trong màng HAp đã làm điện thế ăn mòn Ecorr dịch chuyển về phía dương hơn và giảm mật độ dòng ăn mòn so với vật liệu không phủ (hình 3.21 và bảng 3.17). Như vậy, màng HAp pha tạp có hiệu quả bảo vệ cho bề mặt nền; khả năng bảo vệ cho nền của vật liệu HApđt/TKG316L > MgSrFNaHAp/TKG316L > NaHAp/TKG316L.

21

Bảng 3.17. Giá trị thế ăn mòn và mật độ dòng ăn mòn của các vật liệu trong dung dịch SBF

Vật liệu

Ecorr (V) -0,424 -0,354 -0,258 -0,213 icorr (µA/cm2) 2,773 0,842 0,355 0,193 TKG316L NaHAp/TKG316L MgSrFNaHAp/TKG316L HApđt/TKG316L

Hình 3.21. Đường cong phân cực của các vật liệu

d. Hình ảnh SEM màng apatit hình thành trong dung dịch SBF

Hình 3.22. Hình ảnh SEM của các vật liệu trước (trên) và sau khi ngâm

21 ngày (dưới) trong dung dịch SBF

Hình 3.22 giới thiệu hình ảnh SEM của vật liệu TKG316L, NaHAp/ TKG316L, MgSrFNaHAp/TKG316L và HApđt/TKG316L trước và sau 21 ngày ngâm trong SBF. Sau khi ngâm, sự hình thành các tinh thể apatit mới được quan sát trên bề mặt của tất cả các vật liệu.

3.2.1.2. Thử nghiệm tế bào Kết quả thử nghiệm tế bào theo phương pháp Trypan Blue và phương pháp MTT cho thấy bột NaHAp hoặc MgSrFNaHAp ở các nồng độ khác nhau đều an toàn cho tế bào sợi trong môi trường nuôi cấy in vitro.

3.2.1.3. Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn Kết quả kiểm tra khả năng kháng khuẩn cho thấy: NaHAp, ZnHAp và MgSrFNaHAp không có hiệu ứng với cả 3 loại chủng khuẩn P.aerugimosa, E.coli và E.faecalis; CuHAp có hiệu ứng tốt với chủng P.aerugimosa; AgHAp và HApđt có hiệu ứng kháng đối với cả 3 chủng khuẩn trên.

22

3.2.2. Thử nghiệm in vivo trên chó

3.2.2.1. Kết quả cấy vật liệu vào tổ chức cơ Vết mổ có dấu hiệu nề, xung huyết nhẹ trong 3 ngày đầu tiên, không có hiện tượng chảy máu, chảy dịch từ vết mổ. Sau 1 tháng vết mổ đã liền da gần như hoàn toàn, sẹo liền đẹp, phẳng, bờ mềm mại (hình 3.23).

Hình 3.24. Vết mổ tại vùng đùi chó sau phẫu thuật

Theo dõi các chỉ số huyết học, sinh hóa của động vật trước và sau cấy ghép cho thấy các vật liệu NaHAp/TKG316L và MgSrFNaHAp/TKG316L không gây nên các phản ứng ảnh hưởng đến chức năng của cơ quan tạo máu, chức năng gan và thận cả ở giai đoạn cấp và mạn tính.

Hình ảnh vi thể cho thấy giữa các nhóm động vật cấy ghép đều có kết quả như nhau, vùng tiếp xúc trực tiếp với vật liệu hình thành một màng liên kết. Tuy nhiên, trên nhóm vật liệu không phủ và có phủ NaHAp có rải rác một số ít tế bào lympho, còn nhóm phủ MgSrFHAp hoàn toàn không thấy có tế bào lympho.

3.2.2.2. Kết quả về ghép vật liệu vào xương Hình ảnh đại thể tại vị trí cấy ghép cho thấy: các vết mổ đều có dấu hiệu nề, xung huyết nhẹ trong 3 ngày đầu, không có hiện tượng chảy máu. Sau 1 tháng vết mổ đã liền da gần như hoàn toàn. Hình ảnh vi thể tại vị trí cấy ghép cho thấy:

- Sau 1 tuần, ở các động vật ghép các vật liệu khác nhau cho kết quả tương tự. Tại vị trí ghép vẫn còn hình ảnh viêm cấp tính, khu vực lân cận có nhiều tế bào tạo xương, rải rác có mảnh xương vụn tại khu vực lỗ khoan bắt vít, đây có thể là mảnh vụn của quá trình khoan xương để bắt vít cố định (hình 3.24).

Hình 3.24. Hình ảnh sau 1 tuần ghép vật liệu NaHAp/TKG316L

23

- Sau 1 tháng, tại vị trí ghép của tất cả động vật đã hết tế bào viêm cấp tính, không có hình ảnh hoại tử. Ở động vật có cấy vật liệu TKG316L và NaHAp/TKG316L có các tế bào tạo xương gần vùng khoan xương, tuy nhiên vẫn còn rải rác tế bào lympho (hình 3.25a). Với động vật có cấy vật liệu MgSrFNaHAp, hoạt động tạo xương của tạo cốt bào rất mạnh, thể hiện ở số lượng tập trung lớn tại vị trí rìa bờ xương (hình 3.25b), bề mặt vật liệu có lớp màng bám chắc (hình 3.25c).

Hình 3.25. Hình ảnh tạo cốt bào gần vị trí ghép vật liệu: TKG316L (a),

MgSrFNaHAp/TKG316L (b, c) sau 1 tháng phẫu thuật

- Sau 2 tháng cấy ghép, tại vị trí cấy ghép xung quanh vật liệu TKG316L và NaHAp/TKG316L có nhiều tế bào tạo xương, tuy nhiên rải rác vẫn còn tế bào lympho (hình 3.26a); lớp cơ bám chắc vào bề mặt vật liệu NaHAp/TKG316L tốt hơn so với vật liệu TKG316L. Ở nhóm động vật cấy ghép vật liệu MgSrFNaHAp/ TKG316L có lớp xương mới quanh vị trí khoan, hầu như không có tế bào lympho (hình 3.26b), có lớp màng bám chắc bề mặt xương và vật liệu (hình 3.26c).

Hình 3.26. Hình ảnh của tế bào tạo xương gần vị trí ghép vật liệu: TKG316L (a) và MgSrFNaHAp/TKG316L (b, c) sau 2 tháng phẫu thuật

- Sau 3 tháng cấy ghép, cấu trúc xương gần vùng ghép đã hoàn chỉnh, không quan sát thấy tế bào lympho, không có hình ảnh tiêu xương (3.27 a, b). Tại các vị trí khoan xương, nhóm vật liệu phủ MgSrFNaHAp có lớp xương mới dày, ôm sát vít xương (3.27 c), hình ảnh này ít gặp ở nhóm vật liệu phủ NaHAp và không phủ.

24

Hình 3.28. Hình ảnh cấu trúc xương hoàn chỉnh sau 3 tháng ghép vật

liệu: TKG316L (a), MgSrFNaHAp/TKG316L (b, c)

KẾT LUẬN CHUNG 1. Bằng phương pháp điện hóa đã lựa chọn được điều kiện thích hợp để tổng hợp màng HAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố Na, Mg, Sr, F: khoảng quét thế 0 ÷ -1,7 V/SCE (0 ÷ -1,8 V/SCE đối với FNaHAp); 5 lần quét; tốc độ quét 5 mV/s; 50 oC và tương ứng trong dung dịch DNa2, DMg3, DSr3, DF3 và DNaMgSrF. Màng HAp pha tạp thu được có cấu trúc tinh thể, đơn pha, chiều dày khoảng 7,6 ÷ 8,1 µm. Thành phần % về khối lượng nguyên tố Na, Mg, Sr hoặc F trong màng NaHAp, MgNaHAp, SrNaHAp, FNaHAp lần lượt là 1,5; 0,2; 6,3.10-4 hoặc 1,55 % và trong màng MgSrFNaHAp lần lượt là: 0,56 % Na; 0,14 % Mg; 0,03 % Sr và 1,5 % F. 2. Bằng phương pháp trao đổi ion đã tổng hợp thành công màng NaHAp pha tạp riêng rẽ và đồng thời các nguyên tố Cu, Ag, Zn được trên nền TKG316L, thực hiện bằng cách ngâm màng NaHAp trong dung dịch có chứa riêng hoặc đồng thời: Cu(NO3)2 0,02 M hoặc AgNO3 0,001 M hoặc Zn(NO3)2 0,05 M trong thời gian 30 phút (10 phút đối với màng AgNaHAp).

3. Bằng việc kết hợp hai phương pháp điện hóa và trao đổi ion đã tổng hợp thành công màng HAp pha tạp đồng thời 7 nguyên tố magiê, stronti, flo, natri, đồng, bạc và kẽm. Màng thu được đơn pha của HAp, cấu trúc tinh thể hình san hô và thành phần % về khối lượng các nguyên tố Mg, Sr, F, Na, Cu, Ag, Zn lần lượt: 0,04; 0,03; 1,07; 0,15; 0,18; 0,39 và 1,06 %. Sự có mặt 7 nguyên tố vi lượng đã làm giảm độ hòa tan, tăng khả năng bảo vệ kim loại nền và tăng khả năng kháng khuẩn.

4. Đã nghiên cứu diễn biến ăn mòn và sự hình thành màng apatit khi ngâm 4 loại vật liệu: TKG316L, NaHAp/TKG316L, MgSrFNaHAp/TKG316L, HApđt/ TKG316L trong dung dịch SBF bằng phương pháp đo điện thế mạch hở, điện trở phân cực, tổng trở điện hóa. Kết quả cho thấy hoạt tính sinh học và khả năng bảo vệ cho kim loại nền của màng: HApđt > MgSrFNaHAp > NaHAp. 5. Đã thử nghiệm khả năng gây độc tế bào sợi bằng phương pháp Trypan Blue và phương pháp MTT. Kết quả cho thấy bột NaHAp và MgSrFNaHAp ở các nồng độ khác nhau đều an toàn với dòng tế bào này.

6. Đã nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của HAp pha tạp. Kết quả cho thấy: AgNaHAp và HApđt có hiệu ứng kháng cả 3 chủng khuẩn P.aerugimosa, E.coli và E.faecalis; CuNaHAp có hiệu ứng với chủng khuẩn

25

P.aerugimosa; còn NaHAp, ZnHAp và MgSrFNaHAp không có hiệu ứng đối với các chủng khuẩn trên.

7. Đánh giá khả năng tương thích sinh học của vật liệu TKG316L không phủ và có phủ màng NaHAp và MgSrFNaHAp trên cơ thể chó bằng cách phẫu thuật đưa vật liệu vào dưới da vùng đùi trước hoặc lên xương đùi chó trong thời gian thử nghiệm từ 1 đến 3 tháng. Kết quả cho thấy khả năng tương thích sinh học của MgSrFNaHAp/TKG316L > NaHAp /TKG316L > TKG316L.

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 1. Bằng sự kết hợp cả hai phương pháp: điện hóa và trao đổi ion đã chế tạo thành công màng HAp pha tạp đồng thời 7 nguyên tố vi lượng cơ thể người (Na, Mg, Sr, F, Cu, Ag, và Zn) trên nền TKG316L. Sự có mặt đồng thời 7 nguyên tố vi lượng trên đã làm tăng hoạt tính sinh học, tăng khả năng kháng khuẩn, làm giảm độ hòa tan màng HAp và tăng khả năng bảo vệ cho nền TKG316L so với màng HAp pha tạp 4 nguyên tố Mg, Sr, F và Na hoặc màng HAp pha tạp Na.

2. Thử nghiệm in vitro trên cơ thể chó đã khẳng định vật liệu nẹp vít xương TKG316L phủ màng HAp pha tạp đồng thời các nguyên tố Mg, Sr, F và Na có khả năng tương thích tốt hơn so với nẹp vít phủ màng NaHAp và TKG316L, thể hiện bằng sự hình thành một lớp xương mới, dày trên bề mặt vật liệu và cấu trúc xương gần vùng ghép vật liệu đã hoàn chỉnh sau 3 tháng thử nghiệm.

26

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

1. Pham Thi Nam, Nguyen Thi Thom, Nguyen Thu Phuong, Vo Thi Hanh, Nguyen Thi Thu Trang, Vu Thi Hai Van, Trinh Hoang Trung, Tran Dai Lam, Dinh Thi Mai Thanh. Electrodeposition of substainable fluoridated Hydroxylapatite coatings on 316L stainless steel for application in bone implaint. Green Processing and Synthesis, 5, 499 - 510, 2016 (ISI).

2. Võ Thị Hạnh, Phạm Thị Năm, Nguyễn Thị Thơm, Đỗ Thị Hải và Đinh Thị Mai Thanh. Tổng hợp điện hóa màng natri hydroxyapatit trên nền thép không gỉ 316L. Tạp chí hóa học 55(3), 348 - 354, 2017.

3. Vo Thi Hanh, Pham Thi Nam, Dinh Thi Mai Thanh. Electrodeposition and characterization of strontium hydroxyapatite coatings on 316L stailess steel. Vietnam Journal of Chemistry, 55(3e12), 346 - 350, 2017.

4. Võ Thị Hạnh, Phạm Thị Năm, Đinh Thị Mai Thanh. Tổng hợp và đặc trưng màng đồng hydroxyapatit trên nền thép không gỉ 316L. Tạp chí ĐHSP Hà Nội 62(3), 51 - 59, 2017.

5. Vo Thi Hanh, Le Thi Duyen, Do Thi Hai, Pham Thi Nam, Nguyen Thi Thom, Nguyen Thu Phuong, Dinh Thi Mai Thanh. Electrodeposition and characterization of Mg2+, Sr2+, F-, Na+ co-doped hydroxyapatite coatings on 316L stailess steel. Processdings of 6th Asian Symposium on Advanced Materials, 740 - 746, 2017.

6. Võ Thị Hạnh, Lê Thị Duyên, Phạm Thị Năm và Đinh Thị Mai Thanh. Nghiên cứu diễn biến điện hóa của vật liệu NaHAp/thép không gỉ 316L trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người. Tạp chí Hóa học 55(5E1,2), 114-119, 2017.

7. Vo Thi Hanh, Pham Thi Nam, Nguyen Thu Phuong, Nguyen Thi Thom, Le Thi Phuong Thao, Dinh Thi Mai Thanh. Electrodeposition and characterization of magnesium hydroxyapatite coatings on 316L stailess steel. Vietnam Journal of Chemistry, 55(5), 657-662, 2017.

8. Vo Thi Hanh, Pham Thi Nam, Nguyen Thu Phuong, Dinh Thi Mai Thanh. Electrodeposition of co-doped hydroxyapatite coatings on 316L stailess steel. Vietnam Journal of Science and technology, 56 (01), 94-101, 2018. 9. Võ Thị Hạnh, Phạm Thị Năm, Lê Thị Duyên và Đinh Thị Mai Thanh. Ảnh hưởng của NaNO3 và H2O2 tới quá trình tổng hợp màng natri hydroxyapatit trên nền thép không gỉ bằng phương pháp điện hóa. Tạp chí ĐHSP Hà Nội, đã nhận đăng 6/2017 (DOI: 10.18173/2354-1059.2017-0011, dự kiến đăng số 63, 3/2018).

27