Nghiên cứu chế tạo màng sinh học Hydroxyapatite(HA) bằng phương pháp Sol - Gel trong môi trường Etanol - Đỗ Ngọc Liên

T¹p chÝ Hãa häc, T. 47 (6), Tr. 725 - 728, 2009 nghiªn cøu chÕ t¹o mμng sinh häc hydroxyapatite (HA) b»ng ph−¬ng ph¸p sol-gel trong m«i tr−êng etanol §Õn Tßa so¹n 7-01-2008 §ç Ngäc Liªn, NguyÔn V¨n Sinh ViÖn C«ng nghÖ X¹ hiÕm, ViÖn N¨ng l−îng Nguyªn tö ViÖt Nam abstract The ethanol - based sol-gel method was used for synthesis of nanocrystalline hydroxyapatite. The HA coating has been prepared on alumina ceramic substrate by dipping into ethanol sol-gel suspension of Ca(NO3).4H2O and (NH4)2 HPO4. To achieve better biocompatibility and excellent mechanical performance of prostheses, HA coating is often fabricated on surface of bone substitute implant. I - Më ®Çu Nh− ®· biÕt gèm sinh häc hydroxyapatite cã tÝnh t−¬ng thÝch sinh häc tuyÖt vêi bëi v× thμnh phÇn hãa häc vμ vi cÊu tróc cña hîp chÊt nμy t−¬ng tù thμnh phÇn v« c¬ trong m« cøng cña x−¬ng. Tuy nhiªn do ®é bÒn c¬ häc cña gèm HA kÐm xa so víi x−¬ng ng−êi, ng−êi ta ph¶i sö dông c¸c vËt liÖu tr¬ vÒ sinh häc nh−ng chÞu lùc tèt nh− hîp kim titani, gèm alumina, thÐp kh«ng gØ ®Ó chÕ t¹o c¸c chi tiÕt ghÐp x−¬ng chÞu lùc. MÆt kh¸c l¹i cÇn thiÕt t¹o cho bÒ mÆt c¸c vËt liÖu tr¬ cã ®−îc tÝnh chÊt t−¬ng thÝch sinh häc. Mμng sinh häc HA ®−îc chÕ t¹o chÝnh lμ môc ®Ých ®Ó c¶i thiÖn chÊt l−îng c¸c vËt liÖu thay thÕ x−¬ng. Mμng sinh häc cã thÓ ®−îc chÕ t¹o tõ c¸c ph−¬ng ph¸p vËt lý, tuy nhiªn trong thêi gian gÇn ®©y c¸c ph−¬ng ph¸p hãa häc ®−îc sö dông phæ biÕn. Ph−¬ng ph¸p ®−îc sö dông nhiÒu lμ ph−¬ng ph¸p ®iÖn hãa [1 - 5], ph−¬ng ph¸p tiÕp theo lμ ph−¬ng ph¸p sol-gel [6 - 8]. Trong c«ng tr×nh [9], chóng t«i ®· th«ng b¸o kÕt qu¶ nghiªn cøu chÕ t¹o mμng ho¹t hãa sinh häc b»ng ph−¬ng ph¸p sol-gel trong c¸c m«i tr−êng metanol, etanol vμ xitric - etylenglycol víi c¸c tiÒn chÊt lμ Ca(NO3)2. 4H2O vμ H3PO4. Tuy nhiªn trùc tiÕp b»ng ph−¬ng ph¸p sol-gel víi 2 tiÒn chÊt trªn chóng t«i chØ thu ®−îc mμng canxi phot phat cã thμnh phÇn tõ 5 ®Õn 35% lμ HA, phÇn cßn l¹i lμ c¸c thμnh phÇn kh¸c cña phot phat canxi. §Ó ®−îc mμng sinh häc víi gÇn 100% HA, chóng t«i ph¶i thùc hiÖn phÐp chuyÓn hãa hãa häc trong 50 giê [9]. Trong c«ng tr×nh nμy chóng t«i giíi thiÖu c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu trùc tiÕp t¹o mμng HA trªn ®Õ alumina víi c¸c tiÒn chÊt lμ Ca(NO3)2. 4H2O vμ (NH4)2 HPO4 trong m«i tr−êng etanol. II - Thùc nghiÖm 1. Ph−¬ng ph¸p t¹o huyÒn phï sol-gel ChuÈn bÞ dung dÞch 0,5 M Ca(NO3)2.4H2O, 0,5 M (NH4)2 HPO4 víi dung m«i etanol tuyÖt ®èi. B×nh tæng hîp ®−îc ®Æt trªn bÕp ®iÖn tù ®éng gi÷ nhiÖt ®é t¹i 85oC, ®iÒu chØnh pH cña dung dÞch ph¶n øng ®Õn gi¸ trÞ pH = 10,5 b»ng dung dÞch Ca(OH)2. B×nh ph¶n øng cã hÖ håi l−u ng−ng tô nhê èng sinh hμn lμm nguéi b»ng n−íc, cÇn khuÊy cã khíp mÒm c¸nh khuÊy b»ng thuû tinh. Thêi gian ph¶n øng ®−îc duy tr× tõ 4- 5 giê. 725 2. T¹o gel vμ xö lý nhiÖt §Õ gèm alumina sau khi ®· xö lý bÒ mÆt ®−îc nhóng vμo huyÒn phï sol-gel. SÊy líp nhóng ë 150oC trong 20 phót, ®Ó nguéi mÉu vÒ nhiÖt ®é phßng tiÕp tôc nhóng - sÊy - lμm nguéi sau 10 lÇn lÆp l¹i. TiÕn hμnh thiªu kÕt mμng gel t¹i c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau 500oC, 700oC, 1200oC. Tèc ®é n©ng nhiÖt tõ nhiÖt ®é phßng ®Õn 400oC (giai ®o¹n I) lμ 500/giê. Tèc ®é n©ng nhiÖt ®−îc t¨ng gÊp ®«i sau giai ®o¹n I. Thêi gian gi÷ nhiÖt ë c¸c nhiÖt ®é trªn lμ 1 giê. 3. ThiÕt bÞ ®¸nh gi¸ chÊt l−îng mμng • Ph©n tÝch thμnh phÇn Ca/p b»ng ICP - MS • §¸nh gi¸ h×nh th¸i häc mμng HA b»ng chôp ¶nh SEM. • Ph©n tÝch nhiÔu x¹ tia X, c¸c mÉu bét t¹o ra tõ huyÒn phï sol-gel sau tæng hîp t¹i 85oC vμ mÉu c¸c mμng sau thiªu kÕt ë c¸c nhiÖt ®é 500oC, 700oC vμ 1200oC. III - KÕt qu¶ vμ th¶o luËn 1. CÊu tróc tinh thÓ mμng canxi photphat Quan s¸t phæ ®å mÉu (a) chóng ta cã thÓ thÊy r»ng, chØ xuÊt hiÖn 2 pic ë ®é cao kh«ng ®¸ng kÓ so víi nÒn, ®iÒu ®ã chøng tá mËt ®é tinh thÓ rÊt thÊp. Pic thø nhÊt t−¬ng øng víi mÆt 002 t¹i 2θ b»ng 260, pic thø hai t−¬ng øng víi mÆt 112 t¹i 2θ gÇn b»ng 320. C¶ hai pic ®Òu cã ®é réng kh¸ lín, cã nghÜa r»ng tinh thÓ t−¬ng øng víi 2 pic ®Òu cã kÝch th−íc rÊt nhá. Khi ¸p dông c«ng thøc gÇn ®óng cña Scherrer [10] chóng ta cã thÓ tÝnh ®−îc tinh thÓ HA cã kÝch th−íc gÇn 2 nm. V. D. Hoawen [11] còng tæng hîp ®−îc tinh thÓ cã kÝch th−íc mét vμi nm khi sö dông c¸c chÊt h÷u c¬ trî ph¸t triÓn tinh thÓ. Quan s¸t phæ ®å (b) cã thÓ nhËn thÊy r»ng trong ®iÒu kiÖn thiªu kÕt ë 500oC, bét t¹o ®−îc ®· cã c¸c tinh thÓ c¸c mÆt ph¼ng tinh thÓ kh¸c, ®é cao cña c¸c pic ch−a t¸ch khái nÒn ®¸ng kÓ, chøng tá hμm l−îng tinh thÓ cßn thÊp. §é réng cña 2 pic ®Æc tr−ng t¹i mÆt 002 vμ 112 ®Òu lín, chøng tá kÝch th−íc tinh thÓ khi ®ã vÉn cßn nhá. Tõ ®é réng cña phæ mÉu b tÝnh ®−îc kÝch th−íc tinh thÓ gÇn b»ng 5 nm. Quan s¸t phæ ®å C vμ phæ ®å mÉu bét d chóng ta thÊy r»ng, nhiÖt ®é xö lý cμng cao th× ®é réng pic cμng thu hÑp, ®iÒu ®ã cã nghÜa r»ng kÝch th−íc tinh thÓ cμng t¨ng dÇn. Tõ ®é réng cña pic t¹i mÆt 002 t−¬ng øng 2θ gÇn b»ng 260 tÝnh ®−îc kÝch th−íc tinh thÓ ®èi víi mÉu bét ®−îc xö lý t¹i 1200oC lμ 50 nm. d c b a H×nh 1: ¶nh nhiÔu x¹ tia X c¸c mÉu bét HA MÆt kh¸c còng cã nhËn xÐt r»ng hÇu nh− rÊt khã ph¸t hiÖn c¸c pic l¹ ngoμi c¸c pic ®Æc tr−ng cho tinh thÓ HA. Quan s¸t thËt tû mû thÊy pic t−¬ng øng víi hîp chÊt TCP t¹i 2θ gÇn b»ng 29oC chØ cã ®é cao nhá. §iÒu ®ã chøng tá khi xö lý nhiÖt ®Õn 1200oC, mμng sinh häc thu ®−îc vÉn chñ yÕu lμ mμng HA. 2. Ph©n tÝch tû lÖ Ca/P cña c¸c mÉu Kh«ng cã ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh thμnh phÇn hãa häc cña 4 mÉu bét, chóng t«i chØ x¸c ®Þnh tû lÖ Ca/P cña 4 mÉu bét. B¶ng 1: tû sè Ca/P cña c¸c mÉu bét ®−îc ph©n tÝch theo ph−¬ng ph¸p ICPP - MS MÉu a b c d Ca/P 1,635 1,653 1,670 1,668 Tû sè Ca/P tõ a ®Õn d t−¬ng øng víi c¸c mÉu bét ®−îc thiªu kÕt ë c¸c nhiÖt ®é 500oC, 600oC, 700oC vμ 1200oC. Tõ b¶ng 1 thÊy r»ng c¸c mÉu tõ a-c cã xu h−íng tiÕn dÇn ®Õn tû sè Ca/P = 1,67 khi nhiÖt ®é thiªu kÕt t¨ng tõ 500oC - 700oC. 726 Khi nhiÖt ®é thiªu kÕt ®¹t 1200oC mét phÇn HA bÞ chuyÓn vÒ pha TCP v× vËy tû sè Ca/P bÞ gi¶m kh«ng ®¸ng kÓ. Gi¶n ®å nhiÔu x¹ tia X cña bét xö lý t¹i 1200oC còng x¸c nhËn ®iÒu nμy. §é cao cña c¸c pic kh«ng ®Æc tr−ng cho tinh thÓ HA rÊt nhá ®iÒu ®ã chøng tá phÇn tr¨m chñ yÕu cña mμng sinh häc ®−îc thiªu kÕt t¹i nhiÖt ®é 1200oC vÉn lμ mμng HA. Theo Raynaud [12] t¹i 1200oC HA bÞ ph©n hñy mét phÇn thμnh tricanxi phèt ph¸t theo ph¶n øng sau Ca10(PO4)6(OH)2 → 2Ca3(PO4)2 + Ca4P2O9 + H2O. Tû sè Ca/P bÞ gi¶m mét phÇn khi thiªu kÕt mμng HA tæng hîp b»ng ph−¬ng ph¸p sol-gel ë nhiÖt ®é 1200oC cã thÓ gi¶i thÝch r»ng t¹i nhiÖt ®é nμy mμng HA b¾t ®Çu bÞ chuyÓn pha mét phÇn sang tricanxi phot phat. Cã mét sè tμi liÖu kh¸c [13] th«ng b¸o r»ng khi thiªu kÕt tíi 1400oC th× HA cã thÓ bÞ chuyÓn mét phÇn vÒ pha oxyapatit. 3. H×nh th¸i häc c¸c mμng thiªu kÕt ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau Quan s¸t ¶nh SEM c¸c mμng sinh häc thiªu kÕt t¹i nhiÖt ®é 500oC, 700oC vμ 1200oC t−¬ng øng c¸c h×nh 2a, 2b vμ 2c chóng ta cã nhËn xÐt r»ng ¶nh 2C cho h×nh ¶nh h×nh th¸i häc cã møc ®é hoμn thiÖn bÒ mÆt tèt nhÊt. Dï r»ng nÕu xÐt theo sù phï hîp cña tû sè Ca/P th× cã lÏ mμng ®−îc xö lý t¹i 700oC sÏ cho kÕt qu¶ tèt h¬n. Khi xem xÐt c¶ phæ ®å R¬nghen vμ quan s¸t ¶nh SEM chóng ta cã thÓ kÕt luËn r»ng mμng HA ®−îc xö lý nhiÖt 1200oC sau 1 giê sÏ cho mμng sinh häc cã chÊt l−îng tèt nhÊt. (a) (b) (c) H×nh 2: ¶nh SEM c¸c mμng sinh häc sau xö lý nhiÖt a. NhiÖt ®é thiªu kÕt t¹i 500oC, b. NhiÖt ®é thiªu kÕt t¹i 700oC, c. NhiÖt ®é thiªu kÕt t¹i 1200oC IV - KÕt luËn Chóng t«i ®· t¹o ®−îc trùc tiÕp mμng sinh häc hydroxyapatite b»ng ph−¬ng ph¸p sol-gel trong m«i tr−êng etanol víi c¸c kü thuËt ®−îc tr×nh bμy chi tiÕt trong c«ng tr×nh ë phÇn trªn. Mμng HA chÕ t¹o ®−îc cã kÝch th−íc tinh thÓ 50nm, cã thμnh phÇn gÇn nh− 100% lμ HA, c¸c h¹t tinh thÓ ph©n bè ®ång ®Òu ®ñ xèp ®Ó c¸c m« cña tÕ bμo x−¬ng cã thÓ ph¸t triÓn trªn bÒ mÆt chi tiÕt. C«ng tr×nh ®−îc thùc hiÖn b»ng kinh phÝ cña Ch−¬ng tr×nh nghiªn cøu c¬ b¶n cÊp Nhμ n−íc. Tμi liÖu tham kh¶o 1. Qiyi Zhang, Leng Yang. Biomaterials, 26, 3853 (2005). 2. Xiudong Yang et al. Mat. Sci.and Engi Engi., C27, 781 (2007). 3. Miguel Manso, Carmen Jmenez. Biomaterials, 21, 1755 (2000). 4. A. Stoch, A. Brozek, G. Kmita. J. Mol. Struct., 596, 191 (2001). 5. Xie Jing et al. Biomaterials, 23,3609 (2002). 6. W. Weng. J. Mater. Sci., Mater. Med., 9, 159 (1998). 7. H. Q. Nguyen, R. Yakubovich. Biomaterials, 25, 865 (2004). 8. K. Hwang, J. Song, J. Song. Sur. and Coat. Tech., 123, 252 (2000). 9. §ç Ngäc Liªn, TrÇn ThÞ H»ng, NguyÔn V¨n 727 Sinh. T¹p chÝ Hãa häc, T. 46 (2A), 149 (2008). 10. Y. X. Pang, X. Bao, J. Eur Cer. Soc., 23, 1697 - 1704 (2003). 11. J. A. M. Van der Houwen, G. Cressey, B. A. Cressy, E.Valsami-Jones. J. Crystal Growth, 249 572 (2003). 12. S. Raynaud, E. champion, D. Bernache - Assollant, P. Thomas. Biomaterials, 23, 1065 (2002). 13. J. Zhou, J. Chen, X. Zhang, K. De Groot. J. Mater. Sci. Mater Med., 4, 83 (1993). Liªn hÖ: §ç Ngäc Liªn ViÖn C«ng nghÖ X¹ hiÕm ViÖn N¨ng l−îng Nguyªn tö ViÖt Nam. 728