Tổng hợp gốm xốp hyđrôxyapatit bằng phương pháp nén ép thiêu kết

Chính vì vậy, HA có tính tƣơng thích sinh học cao với các tế bào và các mô, có tính dẫn xƣơng tốt, tạo liên kết trực tiếp với xƣơng non dẫn đến sự tái sinh xƣơng nhanh mà không bị cơ thể đào thải. 1.2. Các ứng dụng của hydroxyapatit 1.2.1. Ứng dụng của hydroxyapatit dạng bột Trong cơ thể con ngƣời, xƣơng đóng một vai trò rất quan trọng. Nó có ý nghĩa to lớn về mặt sinh học và cấu trúc. Về mặt sinh học, xƣơng là nơi tập trung canxi nhiều nhất và là nơi sản xuất các tế bào máu. Còn về mặt cấu trúc, xƣơng là khung đỡ cho các bộ phận khác, hình thành nên cấu trúc và hình dáng cơ thể [1,7,15]. Do lƣợng canxi hấp thụ thực tế từ thức ăn mỗi ngày tƣơng đối thấp nên việc bổ sung canxi cho cơ thể là rất cần thiết, đặc biệt là trẻ em và ngƣời cao tuổi. Canxi có trong thức ăn hoặc thuốc thƣờng nằm ở dạng hòa tan nên khả năng hấp thụ của cơ thể không cao. Do đó, các nhà khoa học đã đƣa ra một phƣơng pháp hữu hiệu là sử dụng HA bột kích thƣớc nano, để làm thuốc và thực phẩm chức năng bổ sung canxi dƣới dạng các hợp chất vi lƣợng. Với kích thƣớc 20 - 100 nm, HA đƣợc hấp thụ trực tiếp vào cơ thể mà không cần phải chuyển hóa thêm [1]. Canxi ở dạng ion có vai trò quan trọng trong nhiều hoạt động của cơ thể ngƣời nhƣ tham gia vào quá trình co cơ, dẫn truyền thần kinh và đông máu, quá trình điều hòa enzym khác nhau trong cơ thể Ngoài ra nó còn có khả năng khống chế một số chất béo và cholesterol trong đƣờng ruột - dạ dày, tham gia vào quá trình phát triển tế bào trứng ở phụ nữ...[1,4]. Một vấn đề khác đối với y học thế giới đó là căn bệnh loãng xƣơng. Mặc dù không gây tử vong nhƣng bệnh loãng xƣơng ảnh hƣởng rất nhiều đến chất lƣợng cuộc sống của số đông ngƣời cao tuổi, đặc biệt là phụ nữ. Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), có đến 1/3 phụ nữ và 1/5 nam 5 giới trên 50 tuổi bị bệnh loãng xƣơng [1]. Dự báo tới năm 2050, toàn thế giới sẽ có tới 6,3 triệu trƣờng hợp gãy cổ xƣơng đùi do loãng xƣơng và 51% số này sẽ ở các nƣớc châu Á, nơi mà khẩu phần ăn hằng ngày còn thiếu rất nhiều canxi, việc chuẩn đoán sớm và điều trị tích cực bệnh loãng xƣơng còn gặp rất nhiều khó khăn [4]. Hiện nay bằng công nghệ nano, ngƣời ta đã tạo ra hợp chất HA có kích thƣớc từ vài nano đến 100 nm [8,10]. Các hợp chất này khá bền với dịch và men tiêu hóa trong cơ thể ngƣời nên đƣợc cơ thể ngƣời hấp thụ rất nhanh, do vậy nó ít chịu ảnh hƣởng của dung dịch axit có trong dạ dày và đƣợc dùng làm thuốc bổ sung canxi với hiệu quả cao [4]. Hình 3: Hình ảnh của một số loại thực phẩm chức năng và thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA bột nhằm cung cấp canxi và photpho cho cơ thể ngƣời. Hình 3: Thuốc bổ sung canxi sử dụng nguyên liệu HA dạng vi tinh thể 1.2.2. Ứng dụng của hydroxyapatit dạng gốm xốp Vật liệu gốm y sinh HA có tính tƣơng thích sinh học cao, có nhiều lỗ xốp liên thông với nhau dễ dàng cho mô sợi và mạch máu xâm nhập vào, đƣợc cơ thể dung nạp tốt. Ngoài ra HA không gây độc, không gây dị ứng và có tính kháng khuẩn. Do vậy, gốm xốp HA ở các dạng đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong y sinh học nhƣ: 6 - Chế tạo răng giả và các khuyết tật của răng [12] Các nhà khoa học Nhật Bản đã chế tạo thành công một hỗn hợp gồm HA tinh thể kích thƣớc nano và polyme sinh học có khả năng phủ và bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy (tinh thể HA mới tạo thành lớp men răng mới, cứng chắc theo đúng tinh thể HA của lớp men răng tự nhiên). Quá trình tạo men răng gồm các giai đoạn: Giai đoạn 1: Lớp men HA cũ, cần thay thế trên bề mặt răng bị phân hủy bởi dung dịch H2O2 + H3PO4. Hợp chất H2O2 còn có tác dụng loại bỏ các chất bẩn tồn tại trên răng. Giai đoạn 2: Hỗn hợp tinh thể HA kích thƣớc nano và polyme sinh học ở dạng khối nhão đƣợc phủ lên bề mặt răng. Ở điều kiện này, tinh thể HA có cấu trúc giống nhƣ men răng tự nhiên sẽ bám dính trên răng theo cơ chế epitaxy để tạo thành lớp men răng mới. Hình 4: Quá trình tạo lớp men HA trên bề mặt răng - Chế tạo mắt giả [14] HA xốp chế tạo từ san hô, có cấu trúc xốp bền vững, nhẹ, có khả năng thích ứng cao với cơ thể, giúp khắc phục hiện tƣợng sụp mi do trọng lƣợng, hạn chế phản ứng của cơ thể và làm tăng thời gian sử dụng của mắt giả. 7 - Làm chất dẫn xương, làm cho đoạn xương gẫy khuyết nhanh liền [4]. Mục đích: kéo dài xƣơng ống chân, làm tăng chiều cao của ngƣời. - Chế tạo những chi tiết ghép và sửa chữa những khuyết tật của xương [4]. Hình 5: Gốm y sinh HA tổng hợp bằng các phương pháp khác nhau Phụ thuộc mục đích cấy ghép hoặc thay thế để chế tạo sản phẩm gốm HA kích thƣớc và độ xốp khác nhau. Sau đó, gia công các sản phẩm này thành các chi tiết phù hợp hoặc có thể sử dụng gốm HA ở dạng hạt để điền đầy những chỗ khuyết tật của xƣơng. 1.3. Các phƣơng pháp chế tạo hydroxyapatit Trên thế giới, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu HA ở các dạng đã đƣợc triển khai từ lâu và đã đạt đƣợc những thành tựu đáng kể. Các nghiên cứu tập trung vào tổng hợp HA ở dạng bột mịn và siêu mịn, dạng khối xốp, dạng màng bằng các phƣơng pháp khác nhau và khảo sát các đặc tính để nâng cao khả năng ứng dụng của chúng. 1.3.1. Phƣơng pháp chế tạo hydroxyapatit dạng bột [1,2,4]. Là phƣơng pháp tạo pha rắn HA từ dung dịch chứa các nguyên liệu đầu khác nhau, bao gồm: phƣơng pháp kết tủa, phƣơng pháp sol - gel… Các phƣơng pháp này đƣợc sử dùng để tổng hợp HA bột ở kích thƣớc khác nhau. Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về phƣơng pháp kết tủa. 8 Có thể chia quá trình tổng hợp HA bằng phƣơng pháp kết tủa từ các ion Ca2+ và PO43- thành 2 nhóm chính: a ) Phương pháp kết tủa từ các muối chứa ion Ca 2+và PO43 dễ tan trong nước. Sử dụng các muối: Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4, NH4H2PO4... Phƣơng trình phản ứng: 10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH3 + 2H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 (1.5) Ở pH = 10÷12, phản ứng diễn ra theo chiều thuận. b) Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca2+ ít tan hoặc không tan trong nước. Phản ứng xảy ra giữa Ca(OH)2, CaO, CaCO3… với axit H3PO4 trong môi trƣờng kiềm Ví dụ: 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 → Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O (1.6) Sơ đồ nguyên lý của phƣơng pháp kết tủa đƣợc thể hiện qua hình 6. Dung dịch điều chỉnh pH (nếu cần) Dung dịch PO43- Khuấy, gia nhiệt Dung dịch Ca2+ Kết tủa HA Ly tâm, sấy Sản phẩm Hình 6: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp kết tủa 9 Trong quá trình tổng hợp, pH = 9÷10 đƣợc điều chỉnh bằng cách thêm từ từ H3PO4 vào Ca(OH)2. H3PO4 là một axit có độ mạnh trung bình, phân ly theo 3 giai đoạn: H3PO4 H2PO4- + H+ pKa1=2,2 (1.7) H2PO4- HPO42- + H+ pKa2=7,2 (1.8) HPO42- PO43- + H+ pKa3=12,3 (1.9) Nếu thêm axit với tốc độ cao, pH của dung dịch sẽ giảm đột ngột, dẫn đến sự phân ly axit không hoàn toàn, tạo ra các ion HPO42- và H2PO4- . Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng và hình dạng của tinh thể HA gồm: nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ, môi trƣờng phản ứng, quá trình kết tinh của tinh thể HA trong suốt quá trình tổng hợp. Bản chất của phƣơng pháp kết tủa là quá trình tạo ra sản phẩm rắn (quá trình kết tủa) từ dung dịch ban đầu có chứa các ion cấu thành nên sản phẩm rắn đó. Đây là quá trình chuyển pha lỏng ↔ rắn, với sự xuất hiện của pha mới (rắn) từ trong lòng một pha lỏng. Đối với HA, đây chính là quá trình kết tinh tạo ra pha rắn có cấu trúc tinh thể. Quá trình kết tinh gồm 2 giai đoạn: giai đoạn tạo mầm tinh thể, gắn liền với điều kiện quá lạnh và giai đoạn phát triển mầm tinh thể. Tốc độ của hai giai đoạn này ảnh hƣởng đến số lƣợng và kích thƣớc tinh thể đƣợc hình thành. 1.3.2. Phƣơng pháp chế tạo hydroxyapatit dạng màng [1,4] a) Phương pháp điện hóa Lớp màng HA có chiều dày cỡ nm đƣợc chế tạo bằng các phƣơng pháp điện hóa nhƣ kết tủa catot, anot hóa... Các phƣơng pháp này sử dụng các vật liệu sinh học bằng kim loại hoặc hợp kim làm điện cực. Hệ điện cực đƣợc đƣa vào dung dịch điện giải chứa các ion Ca2+, PO43-, tỷ lệ Ca/P = 1,67 10