Tổng hợp và đánh giá hoạt tính sinh học vật liệu Tricalcium silicate

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bột vật liệu xương nhân tạo tricalcium silicate Ca3SiO5 (C3S) được tổng hợp thành công bằng phương pháp sol-gel. Các tính chất lý hóa của vật liệu được đặc trưng bằng các phương pháp phân tích hiện đại. Bài viết trình bày việc tổng hợp và đánh giá hoạt tính sinh học vật liệu Tricalcium silicate.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tổng hợp và đánh giá hoạt tính sinh học vật liệu Tricalcium silicate

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 1 73 TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH SINH HỌC VẬT LIỆU TRICALCIUM SILICATE ELABORATION AND BIOACTIVITY CHARACTERIZATION OF TRICALCIUM SILICATE MATERIAL Bùi Xuân Vương1, Nguyễn Thị Bích Hạnh2, Phạm Ngọc Hải2 1 Trường Cao đẳng Công thương TP. HCM; vuongbx@yahoo.com 2 Học viên cao học, ĐH Tôn Đức Thắng; ntbhanh.gdtxkson@khanhhoa.edu.vn; pnhai.c3kson@khanhhoa.edu.vn Tóm tắt - Bột vật liệu xương nhân tạo tricalcium silicate Ca3SiO5 Abstract - Tricalcium silicate Ca3SiO5 (C3S) artificial bone material (C3S) được tổng hợp thành công bằng phương pháp sol-gel. Các powder is successfully synthesized by sol-gel method. The physical tính chất lý hóa của vật liệu được đặc trưng bằng các phương pháp and chemical properties of the material are characterized by the phân tích hiện đại. Phổ XRD cho thấy vật liệu C3S thu được là hoàn modern analytical methods. XRD pattern shows that the obtained toàn tinh khiết khi nung bột gel ở 1400 oC. Phổ FTIR khẳng định material is completely pure when gel powder is calcified at 1400 °C. các liên kết chính trong cấu trúc vật liệu. Ảnh SEM cho thấy C3S FTIR spectrum confirms the main links in the material structure. SEM có bề mặt sần và khe hở tạo độ xốp cho vật liệu. Thực nghiệm ‘‘In images show that the material has a textured surface and openings vitro’’ khẳng định hoạt tính sinh học của vật liệu qua sự hình thành making porosities for the material. ‘‘In vitro’’ experience is effectuated lớp khoáng xương hydroxyapatite (HA) sau khi ngâm vật liệu trong by immersion of powder material in simulated body fluid solution dung dịch giả dịch thể người SBF (Simulated Body Fluid). Lớp (SBF). Obtained result confirms the bioactivity of material via the khoáng xương này chính là cầu nối gắn kết vật liệu và xương tự formation of a newly hydro-xyapatite layer on its surface. This apatite nhiên, qua đó xương hỏng được tu sửa và làm đầy. layer permits the liaison between material and natural bone. Consequently, damaged bone can be restored and filled. Từ khóa - Tricalcium silicate; Ca3SiO5 (C3S); CaO; pha; xử lý nhiệt; Key words - Tricalcium silicate; Ca3SiO5 (C3S); CaO; phase; Si-O. thermal treatement; Si-O. 1. Đặt vấn đề Ca(NO3)2.4H2O được mua của hãng Aldrich-Sigma. Vật liệu xương nhân tạo là những dạng vật liệu mới có Phản ứng tổng hợp C3S: khả năng cấy ghép vào cơ thể con người mà không bị cơ thể 6Ca(NO3 )2 .4 H 2 O + 2 Si(OC2 H5 ) 4 → 2Ca3 SiO5 + 8C2 H 5OH + đào thải, đồng thời sau một thời gian vật liệu sẽ bị phân hủy và hình thành nên một lớp khoáng xương mới làm cầu nối 20 H 2O + 12 NO2 ↑ +3O2 ↑ gắn kết vật liệu xương và xương tự nhiên [1-3]. 2.2. Phương pháp Sol-Gel tổng hợp C3S Một số vật liệu xương nhân tạo đã được nghiên cứu và Lấy 22,3mL tetraethyl orthosilicate Si(OC2H5)4 cho thương mại hóa trên thế giới như: Hydroxyapatite, Bio- vào 40ml nước cất, sau đó bổ sung vài giọt HNO3 2M làm glass, Tri-Calcium Phosphate, Tri-Calcium Silicate và các xúc tác cho quá trình thủy phân và khuấy trong vòng 1 giờ. Xi-măng sinh học [3]. Thêm 70,8g muối calcium nitrate tetrahydrat Hiện nay vật liệu xương nhân tạo được nhập ngoại về Ca(NO3)2.4H2O vào hỗn hợp trên, khuấy trong vòng 1giờ các bệnh viện, trung tâm nha khoa ở Việt Nam để sử dụng cho đến khi muối tan hết, thu được dung dịch sol trắng. trong trám răng, phẫu thuật chỉnh hình xương mà hầu như Dung dịch sol sau đó đem đặt trong tủ sấy ở 60oC trong 1 chưa có sản phẩm vật liệu nào được sản xuất trong nước. ngày để tạo gel (Hình 1). Sau đó gel được đốt nóng ở 120oC để bay hơi hoàn toàn dung môi. Vật liệu tricalcium silicate Nhằm thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển công nghệ Ca3SiO5 thu được bằng cách nung bột gel ở nhiệt độ vật liệu y sinh, đặc biệt là phát triển các vật liệu y sinh dùng 1400oC trong 3 giờ (Hình 2). trong trám răng, cấy ghép xương, chúng tôi nghiên cứu, tổng hợp và đánh giá vật liệu xương nhân tạo tricalcium silicate Ca3SiO5 (C3S). Vật liệu C3S được tổng hợp bằng phương pháp Sol-Gel với vật liệu đầu là calcium nitrate tetrahydrat Ca(NO3)2.4H2O và tetraethyl orthosilicate Si(OC2H5)4 (TEOS). Các phương pháp phân tích lý hóa hiện đại như SEM, XRD, FTIR được sử dụng nhằm đánh giá bột vật liệu tổng hợp cũng như hoạt tính sinh học của nó sau thực nghiệm “in vitro”. 2. Vật liệu và phương pháp 2.1. Vật liệu Các hóa chất chính gồm Tetraethyl orthosilicate Si(OC2H5)4 (TEOS) và Calcium nitrate tetrahydrat. Hình 1. Gel thu được từ dung dịch sol ở 60 oC
74 Bùi Xuân Vương, Nguyễn Thị Bích Hạnh, Phạm Ngọc Hải Bảng 1. Các hóa chất dùng tổng hợp dung dịch SBF Ca-SBF m (g) P-SBF m (g) (*)C H NO 4 11 3 6,057 C4H11NO3 6,057 CaCl2 0,5549 KH2PO4.3 H2O 0,4566 MgCl2.6H2O 0,6095 NaHCO3 0,7056 KCl 0,4473 NaCl 16,1061 (*)-tris(hydroxymethyl)aminomethane, có tác dụng tạo ra dung dịch đệm có pH = const. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Hiệu suất phản ứng Hiệu suất tổng hợp C3S được tính dựa trên khối lượng vật Hình 2. Vật liệu C3S thu được sau khi nung bột gel ở 1400 oC liệu thu được thực tế trên khối lượng thu được theo lý thuyết. 2.3. Thực nghiệm “In vitro” Khối lượng tricalcium silicate Ca3SiO5 tính toán từ các tác Các mẫu bột vật liệu tricalcium silicate Ca3SiO5 được chất đầu là 22,8 gam, khối lượng tricalcium silicate Ca3SiO5 ngâm trong dung dịch SBF theo các khoảng thời gian khác thu được thực tế là 20,6 gam. Hiệu suất đạt được 90,35 %. nhau (2, 5 và 10 ngày) nhằm đánh giá hoạt tính sinh học 3.2. Đánh giá vật liệu tricalcium silicate Ca3SiO5 tổng của vật liệu y sinh xương nhân tạo qua sự hình thành lớp hợp được khoáng xương apatite [2]. 3.2.1. Phân tích XRD thành phần pha vật liệu tổng hợp Dung dịch SBF là dung dịch có thành phần vô cơ tương Bột gel khô được nung ở các nhiệt độ từ 700, 800, 900, tự như máu của cơ thể người. Để điều chế dung dịch SBF, 1000, 1100, 1200, 1300 và 1400oC để thực hiện quá trình ta đi điều chế hai dung dịch riêng rẽ, gọi là Ca-SBF và P- ceramic hóa tạo vật liệu C3S. Các phổ XRD của vật liệu SBF. Trộn hai dung dịch này thu được dung dịch SBF. Ưu C3S ở 700-900oC có hình dáng tương tự nhau và trong phổ điểm phương pháp này là dung dịch có thể được lưu trữ tồn tại các pic đặc trưng cho pha CaO. Các phổ XRD của một vài tuần. Đối với mỗi dung dịch Ca-SBF hoặc P-SBF, bột vật liệu được nung ở 1000oC-1300oC, các pic đặc trưng đong 990 ml nước cất, gia nhiệt trong 1 bể điều nhiệt và cho pha CaO giảm. Chỉ phổ XRD của bột vật liệu C3S ở giữ ổn định ở 37°C trong suốt quá trình tổng hợp. Thêm 1400oC thì các pic đặc trưng cho CaO mới triệt tiêu hoàn các chất hóa học theo hàm lượng có trong Bảng 1, mỗi chất toàn, thu được vật liệu C3S hoàn toàn tinh khiết. cách nhau 30 phút. Sử dụng máy khuấy từ để khuấy trộn Kết quả phân tích phổ XRD của vật liệu C3S thu được dung dịch. Cả hai dung dịch Ca-SBF và P-SBF đều được khi nung bột gel ở 900 và 1400 oC được trình bày chi tiết điều chỉnh pH=7,4 (môi trường dịch thể người), bằng cách như trong Hình 3-4. sử dụng dung dịch HCl 6N. Sau đó thêm nước vào các bình để làm tròn thể tích 1000 ml. Khi cần dùng SBF, ta trộn Ở nhiệt độ 900oC, chúng ta quan sát được các pic nhiễu những lượng thể tích như nhau của cả hai dung dịch Ca- xạ đặc trưng cho vật liệu Ca3SiO5, bên cạnh đó là các pic SBF và P-SBF, thu được dung dịch SBF. Các dung dịch đặc trưng cho CaO [4-7]. Kết quả này khẳng định phản ứng Ca-SBF và P-SBF được dự trữ trong tủ lạnh ở 5-10°C, tạo vật liệu tricalcium silicate là không hoàn toàn. Một dùng cho 2-3 tuần. phần Ca chưa hoàn toàn kết hợp để tạo vật liệu mà tồn tại ở dạng CaO. Ở nhiệt độ 1400 oC, các pic đặc trưng cho CaO Bột vật liệu được ngâm trong dung dịch SBF theo tỷ lệ hoàn toàn biến mất. Phổ XRD chỉ tồn tại các pic đặc trưng 1:2 (mg/mL). Sử dụng bể điều nhiệt và máy khuấy cơ trong cho vật liệu tricalcium [4-7]. Kết quả này khẳng định sự suốt quá trình ngâm bột vật liệu. Nhiệt độ các mẫu ngâm thành công của phương pháp tổng hợp và quá trình xử lý được giữ ở 37oC tương tự như nhiệt độ cơ thể người. Sau nhiệt vật liệu ceramic tricalcium silicate Ca3SiO5. các khoảng thời gian ngâm (2, 5 và 10 ngày), bột vật liệu thủy tinh sau khi đã tương tác với dung dịch SBF được tách 250 ra và rửa bằng nước cất để loại bỏ các ion dư thừa, sau đó * # o Ca3SiO5 (900C) rửa lại bằng cồn nguyên chất để loại bỏ hoàn toàn các ion 200 tự do. Mẫu bột được sấy khô và đem đặc trưng lý hóa bằng Intensity (u.a) * # các phương pháp phân tích. 150 2.4. Phương pháp phân tích 100 * * Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD: Xray-Diffraction) * * * * được sử dụng để đánh giá thành phần pha. Phổ hồng ngoại 50 (FTIR: Fourier Transformed Infrared) chỉ ra các liên kết 0 chính trong cấu trúc vật liệu. Phương pháp chụp ảnh hiển 20 30 40 50 60 70 vi điện tử quét (SEM: Scanning Electron Microscope) khảo 2θ sát hình thái cấu trúc bề mặt vật liệu. Hình 3. Phổ XRD của Ca3SiO5 nung ở 900 oC (*Ca3SiO5; # CaO)
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 1 75 250 * o Ca3SiO5 (1400C) 200 Intensity (u.a) 150 * * * 100 * * * * 50 * * 0 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 2θ Hình 4. Phổ XRD của Ca3SiO5 nung ở 1400 oC (*Ca3SiO5) 3.2.2. Phân tích mạng lưới liên kết vật liệu Ca3SiO5 bằng FTIR Phổ hồng ngoại vật liệu Ca3SiO5 tổng hợp đặc trưng các liên kết đặc trưng Si-O, Si-O-Si trong mạng lưới vật liệu như chỉ ra trong Hình 5 [5-7]. Các vạch đặc trưng cho nhóm OH hay nước kết tinh (H2O (kt)) do độ ẩm của mẫu vật liệu gửi đo và không ảnh hưởng nhiều tới kiến trúc mạng tinh thể vật liệu tổng hợp tricalcium silicate. Kết quả khẳng định sự phù hợp với các phân tích XRD và cho thấy sự thành công của phương pháp tổng hợp Hình 6. Ảnh SEM vật liệu Ca3SiO5 với các độ phóng đại tricalcium silicate Ca3SiO5. khác nhau 3.3. Đánh giá hoạt tính sinh học của vật liệu 100 Vật liệu Ca3SiO5 sau khi tổng hợp được ngâm trong dung dịch giả dịch thể người SBF (Simulated Body Fluid) theo tỷ 80 lệ 1/2 (mg/mL) nhằm kiểm tra sự hình thành của lớp khoáng xương apatit mới hình thành. Lớp khoáng này chính là cầu OH nối gắn liền vật liệu xương và xương tự nhiên, qua đó xương Transmittance % 60 Ca3SiO5 hỏng hay lỗ hổng ở răng được khôi phục và làm đầy. 40 3.3.1. Phân tích thành phần pha H2O (kt) Phổ nhiễu xạ XRD của vật liệu Ca3SiO5 đặc trưng cho 20 vật liệu mạng lưới tinh thể, có kiến trúc mạng tuần hoàn, Si-O trật tự (Hình 7). 0 Si-O Si-O-Si Phổ XRD vật liệu Ca3SiO5 sau khi ngâm trong dung 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 dịch SBF 2, 5 và 10 ngày được tập hợp trong Hình 8. -1 wavenumber cm Qua so sánh, nhận thấy sự thay đổi rõ ràng hình thái và đường nét phổ vật liệu Ca3SiO5 sau khi ngâm trong dung dịch Hình 5. Phổ FTIR của vật liệu Ca3SiO5 SBF. Kết quả này khẳng định sự tương tác hóa học giữa vật 3.2.3. Phân tích bề mặt vật liệu Ca3SiO5 bằng ảnh SEM liệu Ca3SiO5 và môi trường dung dịch SBF. Có thể nhận thấy Vật liệu tổng hợp được quan sát bằng ảnh SEM với các sự mất đi và giảm cường độ của các pic đặc trưng cho vật liệu độ phóng đại khác nhau cho thấy bề mặt sần và cấu trúc Ca3SiO5 (ký hiệu *). Bên cạnh đó là sự hình thành các pic mới khe hở (Hình 6). Bề mặt sần và khe hở tạo độ xốp cho vật đặc trưng cho vật liệu Hydroxyapatite (ký hiệu #), [1-4]. Kết liệu xương nhân tạo. Độ xốp này rất quan trong vì nó tạo quả khẳng định hoạt tính sinh học của vật liệu tricalcium ra khả năng tiếp xúc và tương tác tốt giữa vật liệu và môi silicate sau khi ngâm trong dung dịch SBF qua việc hình trường cơ thể nhằm thúc đẩy quá trình gắn kết vật liệu thành nên một lớp khoáng apatite trên bề mặt. Lớp khoáng xương và xương tự nhiên. HA mới hình thành này giống với phần khoáng vô cơ trong xương người, do vậy nó chính là cầu nối giữa vật liệu ghép và xương tự nhiên trong cấy ghép chỉnh hình xương. Chúng ta cũng có thể nhận thấy sự tồn tại còn lại của các pic Ca3SiO5 (*) trên phổ XRD của vật liệu sau ngâm. Chứng tỏ lớp khoáng HA hình thành và cùng tồn tại với pha vật liệu Ca3SiO5 ban đầu.
76 Bùi Xuân Vương, Nguyễn Thị Bích Hạnh, Phạm Ngọc Hải (211) C a 3SiO 5 (002) (310) HA * # # # # 10 days * 5 days * 2 days 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 2θ Hình 9. Ảnh SEM vật liệu Ca3SiO5 sau khi ngâm trong SBF 2 ngày Hình 7. Phổ XRD của Ca3SiO5 sau khi ngâm trong dung dịch SBF(* HA ; # Ca3SiO5) 2- CO3 HA H2O (kt) 2- CO3 3- PO4 10 days PO4 3- 5 days 2 days 0 day Ca3SiO5 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 -1 Hình 10. Ảnh SEM vật liệu Ca3SiO5 sau khi ngâm trong Transmittance cm SBF 5 ngày Hình 6, 9 và 10 thể hiện hình thái bề mặt của mẫu bột Hình 8. Phổ FTIR của Ca3SiO5 sau khi ngâm trong dung dịch SBF Ca3SiO5 sau 0,2 và 5 ngày ngâm trong dung dịch SBF. Sau khi ngâm trong dung dịch SBF, bề mặt vật liệu thay đổi rõ Phổ hồng ngoại của Ca3SiO5 thay đổi mạnh sau khi nét và tạo nhiều khe hở, xốp trên bề mặt vật liệu. Kết quả ngâm 2, 5 và 10 ngày trong dung dịch SBF (Hình 8). Kết này phù hợp với sự hình thành trên bề mặt vật liệu một lớp quả này khẳng định sự tương tác hóa học giữa mạng lưới apatite đã được phân tích bởi phương pháp XRD và FTIR. cấu trúc vật liệu và dung dịch SBF. Chúng ta có thể quan sát được sự dịch chuyển của vạch Si-O-Si từ 500 cm-1 về 4. Kết luận 450 cm-1. Sự mất đi của vạch Si-O ở khoảng 1000 cm-1. Sự Chúng tôi đã tổng hợp thành công vật liệu y sinh xuất hiện của vạch mới ở 800 cm-1 đặc trưng cho liên kết Ca3SiO5. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) khẳng định cấu Si-O-Si của gel SiO2 [1-4]. Ngoài ra phổ FTIR của vật liệu trúc mạng tinh thể và tính tinh khiết của vật liệu tổng hợp. sau ngâm cũng thể hiện các vạch thể hiện cho những liên Phân tích hồng ngoại (FTIR) khẳng định các liên kết kết trong khoáng Hydroxyapatite cacbonate HAC. Các chính trong mạng lưới cấu trúc vật liệu. Quan sát bởi kính vạch này gồm: PO (560, 600 và 1042 cm-1), hiển vi điện tử (SEM) khẳng định bề mặt sần và khe xốp OH (1640cm ), CO (1470cm-1, 874cm-1) [5-8]. Kết quả -1 của vật liệu. này phù hợp với phân tích bởi phổ XRD. Vật liệu tricalcium silicate Ca3SiO5 sau khi ngâm trong dung dịch Thực nghiệm “in vitro” ngâm vật liệu trong dung dịch giả dịch thể người SBF đã hình thành một lớp khoáng SBF khẳng định hoạt tính sinh học của vật liệu qua sự hình xương apatite trên bề mặt làm cầu nối trong ghép xương. thành lớp khoáng xương Hydroxyapatite (HA) tương tự như thành phần vô cơ trong xương người. Lớp khoáng 3.3.2. Phân tích bề mặt vật liệu xương này chính là cầu nối trong ghép xương, gắn liền vật liệu nhân tạo và xương tự nhiên.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(108).2016, Quyển 1 77 Các nghiên cứu về tương tác giữa vật liệu với tế bào, characteristics versus in vivo behaviour’’, Annals of New York Academy of Science, 54 (1988), pp. 54. các thử nghiệm lâm sàng hy vọng sẽ được các nhà khoa [4] W. Zhao and J. Chang ‘‘Sol-Gel synthesis and in vitro bioactivity of học chuyên môn thực hiện nhằm đưa vật liệu vào sử dụng tricalcium silicate powders’’, Materials letters journal, 21(2004), pp. trong việc cấy ghép xương, trám răng trên cơ thể con 2350-53. người. [5] C.C. Chen, C.C. Ho, S.Y. Lin and S. J. Ding ‘‘Green synthesis of calcium silicate bioceramic powders’’, Ceramics International, 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO (2015), pp. 5445-53. [6] X. Liao, H. Zhu, G. Yin, Z. Huang, Y. Yao and X. Chen ‘‘In vitro [1] E. Dietrich, H. Oudadesse, A. Lucas-Girot and M. Mami “In vitro” bioactivity and cytocompatibility of tricalcium silicate’’, Bulletin of bioactivity of melt-derived glass 46S6 doped with magnesium’’, Materials Science, 34 (2011), pp. 1151-55. Journal of Biomedical Materials Research,88A (2008), pp. 1087-96. [7] H. Zhong, L. Wang, L. He, W. Jiang, W. Zhai, K. Lin, L. Chen and [2] T. Kokubo, H. Kushitani, S. Sakka, T. Kitsugi and T. Yamamuro J. Chang ‘‘Fabrication and characterrization of tricalcium silicates ‘‘Solutions able to reproduce in vivo surface-structure changes in bioceramics with high mechanical properties by Spark Plasma bioactive glass-ceramic A-W’’, Journal of Biomedical Materials sintering’’, International Journal of Applied Ceramic Technology, 8 Research, 24 (1990), pp. 721-34. (2011), pp. 501-10. [3] P. Decheyne and J. Lemons ‘‘Bioceramics: materials (BBT nhận bài: 15/8/2016, phản biện xong: 03/11/2014)