Tổng hợp vật liệu thủy tinh hoạt tính sinh học 50S bằng phương pháp sol-Gel. Nghiên cứu thực nghiệm ‘‘in vitro’’ - Bùi Xuân Vương

Tạp chí Hóa học, 55(1): 106-110, 2017 DOI: 10.15625/0866-7144.2017-00426 106 Tổng hợp vật liệu thủy tinh hoạt tính sinh học 50S bằng phương pháp sol-gel. Nghiên cứu thực nghiệm ‘‘in vitro’’ Bùi Xuân Vương1,2 1Trường Cao đẳng Công thương Thành phố Hồ Chí Minh 2Trường Đại học Tôn Đức Thắng Đến Tòa soạn 31-10-2016; Chấp nhận đăng 06-02-2017 Abstract A bioactive glass with composition 50SiO2 - 35CaO -15P2O5 (wt%) (noted 50S) was elaborated by the sol-gel method. ‘‘In vitro’’ bioactivity of this glass was evaluated by soaking of glass-powder samples in a simulated body fluid (SBF). XRD and SEM methods were used to evaluate the phisico-chemical properties of material before and after the ‘‘in vitro’’ test. Obtained rerults showed the bioactivity of this glass by the formation of a bioactive hydroxyapatite (HA) layer on its surface. This apatite layer has a similar chemical composition with the mineral phase of human bone. It allows a chemical bonding between bio-implant and natural bone. Consequently, the bone architecture is repaired and restored. Keywords. Bioactive glass, bioactivity, hydroxyapatite, ‘‘in vitro’’, sol-gel. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay các vật liệu y sinh đã trở nên thân thuộc trong đời sống của con ngƣời nhƣ: da nhân tạo, van tim nhân tạo, các loại chỉ khâu trong y học, răng giả, chân tay giả, mạch máu nhân tạo, các vật liệu trám răng, các vật liệu xƣơng nhân tạo dùng trong phẫu thuật chỉnh hình. Chúng ta có thể hiểu ‘‘Vật liệu y sinh là loại vật liệu có nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo, sử dụng để thay thế hoặc thực hiện một chức năng sống của cơ thể con ngƣời’’ [1]. Nhà bác học L. L. Hench là một trong những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu về vật liệu y sinh. Ông chia vật liệu y sinh thành hai loại chính là vật liệu hoạt tính sinh học và vật liệu trơ sinh học [2]. Vật liệu hoạt tính sinh học là loại vật liệu khi cấy ghép trong cơ thể con ngƣời sẽ xảy ra các tƣơng tác hóa học giữa vật liệu với môi trƣờng sống. Vật liệu trơ sinh học là vật liệu khi đƣa vào cơ thể con ngƣời chúng không có bất cứ một tƣơng tác hóa học nào. Có rất nhiều loại vật liệu y sinh khác nhau, riêng nhóm vật liệu y sinh sử dụng nhƣ vật liệu xƣơng nhân tạo có thể kể đến nhƣ: các vật liệu canxi phosphate (tricalcium phosphate Ca3(PO4)3; hydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2 hay biphasic canxi phosphate), các vật liệu thủy tinh hoạt tính sinh học (CaO-SiO -Na2O-P2O5..), các xi măng y sinh, các kim loại trơ nhƣ Ti, Ni. Trong các vật liệu y sinh dùng để cấy ghép xƣơng, thủy tinh hoạt tính sinh học đƣợc khám phá đầu tiên bởi L. L. Hench năm 1969 [3]. Thành phần chính của các thủy tinh này gồm các oxit CaO, SiO2, P2O5, Na2O. Tuy vậy các oxit này không tồn tại độc lập trong cấu trúc thủy tinh mà liên kết không trật tự với nhau tạo thành mạng cấu trúc vô định hình của vật liệu. Hoạt tính sinh học của các vật liệu thủy tinh này chính là khả năng hình thành một lớp khoáng Hydroxyapatite (HA) mới trên bề mặt khi chúng đƣợc ngâm trong dung dịch sinh lý ngƣời SBF hoặc cấy ghép trực tiếp trong cơ thể. Lớp khoáng HA giống với thành phần vô cơ của xƣơng ngƣời, do vậy nó chính là cầu nối gắn kết giữa miếng ghép từ vật liệu thủy tinh và xƣơng tự nhiên, qua đó xƣơng hỏng đƣợc tu sửa và làm đầy [2,3]. Thủy tinh hoạt tính sinh học có thể tổng hợp bằng hai phƣơng pháp chính. Phƣơng pháp thứ nhất là nấu nóng chảy các tiền chất nhƣ CaSiO3, Na2SiO3, Na3PO4 ở nhiệt độ cao khoảng 1300 oC sau đó làm nguội thủy tinh trong không khí hay trong nƣớc. Thủy tinh dạng khối đƣợc nghiền theo các kích thƣớc hạt khác nhau tùy theo mục đích sử dụng. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể tổng hợp đƣợc chính xác thủy tinh với thành phần mong muốn, sản phẩm thu đƣợc có độ tinh khiết cao, thời gian nhanh và có thể làm chủ đƣợc các tham số kỹ thuật trong quá trình tổng hợp. Phƣơng pháp thứ 2 để tổng hợp các thủy tinh hoạt tính sinh học là phƣơng pháp sol- gel. Phƣơng pháp này không trải qua quá trình nấu TCHH, 55(1) 2017 Bùi Xuân Vương 107 nóng chảy thủy tinh mà đƣợc thực hiện bằng một chuỗi các phản ứng hóa học trong dung dịch để thủy phân các tiền chất thành các hạt sol sau đó để ngƣng tụ sang trạng thái gel. Gel đƣợc sử lý nhiệt để tạo thành thủy tinh ở dạng bột. Phƣơng pháp sol-gel có ƣu điểm là tổng hợp vật liệu ở nhiệt độ thấp, vật liệu có độ tinh khiết cao và dễ tạo mẫu theo các hình dáng khác nhau phù hợp với chi tiết ghép mà không cần sử dụng thêm chất bổ trợ. Trong nghiên cứu này, một hệ thủy tinh mới có thành phần 50SiO2-35CaO- 15P2O5 (% khối lƣợng) (50S) đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp sol-gel. Thực nghiệm ‘‘in vitro’’ đƣợc tiến hành bằng cách ngâm bột vật liệu trong dung dịch giả dịch thể ngƣời SBF (Simulated Body Fluid) nhằm đánh giá hoạt tính sinh học của vật liệu, tức là kiểm tra khả năng hình thành một lớp khoáng xƣơng apatite mới trên bề mặt vật liệu sau ngâm. Lớp khoáng xƣơng mới này chính là cầu nối gắn kết vật liệu ghép và xƣơng tự nhiên. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 2.1. Nguyên liệu và hóa chất Các hóa chất có độ tinh khiết trên 99 % đƣợc mua từ hãng Sigma-Aldrich: (C2H5OH)4Si (TEOS), HNO3, Ca(NO3)2.4H2O, (C2H5O)3PO (TEP), (NH4)2HPO4, K2HPO4.3H2O, Na2SO4, MgCl2.6H2O, HNO3, HCl, NaCl, KCl, NaHCO3, CaCl2. 2.2. Quy trình thực nghiệm Để tổng hợp thủy tinh hoạt tính sinh học 50S bằng phƣơng pháp sol-gel, trƣớc tiên ta lấy 150 (ml) nƣớc cất cho vào bình phản ứng. Sau đó nhỏ tiếp 5 (ml) HNO3 vào bình phản ứng làm chất xúc tác cho quá trình thủy phân TEOS và TEP. Khuấy hỗn hợp phản ứng bằng cá từ trong suốt quá trình tổng hợp. Tiếp theo lấy 18,6 (ml) dung dịch TEOS cho vào bình phản ứng và để trong 45 phút. Lần lƣợt cách nhau 45 phút, cho tiếp 3,6 (ml) TEP và 14,78 (g) Ca(NO3)2.4H2O vào hỗn hợp phản ứng. Sau khi các tác chất hòa tan hoàn toàn vào nhau, thu đƣợc một dung dịch sol trắng sáng đồng nhất. Sol đƣợc để trong 5 ngày ở nhiệt độ 70 oC để ngƣng tụ thành gel nhƣ hình 1a. Đem gel thu đƣợc sấy ở nhiệt độ 150 oC trong 24 giờ để loại bỏ hoàn toàn dung môi, thu đƣợc sản phẩm dạng bột. Sản phẩm bột này đem nung ở nhiệt độ 700 oC trong 3 giờ nhằm phân hủy muối Ca(NO3)2.4H2O thành CaO. Các cation Ca 2+ từ các oxit CaO đóng vai trò bẻ gãy các liên kết Si-O- Si tạo mạng cấu trúc vô định hình của thủy tinh. Sản phẩm sau sử lý nhiệt là bột thủy tinh hoạt tính sinh học 50SiO2-35CaO-15P2O5 (hình 1b). Hình 1: Gel và bột thủy tinh: a-gel thủy tinh thu đƣợc từ dung dịch sol sau 5 ngày ngƣng tụ; b-bột thủy tinh tổng hợp 2.3. Thực nghiệm “In vitro” Bột thủy tinh tổng hợp bằng phƣơng pháp sol- gel đƣợc tiến hành thực nghiệm ‘‘in vitro’’ để kiểm tra xem có đạt yêu cầu của một vật liệu y sinh trƣớc khi dùng cấy ghép trong cơ thể sống ‘‘in vivo’’. Đây là một thực nghiệm nhanh và đơn giản, nhằm thực hiện quá trình hoặc một phản ứng trong ống nghiệm, trong đĩa nuôi cấy ở bên ngoài cơ thể sống. Thực nghiệm ‘‘in vitro’’ đƣợc tiến hành bằng cách ngâm bột vật liệu trong dung dịch mô phỏng dịch thể ngƣời SBF (Simulated Body Fluid) để khảo sát khả năng hình thành khoáng xƣơng mới sau ngâm. Dung dịch SBF là dung dịch có thành phần các ion tƣơng tự nhƣ máu trong cơ thể ngƣời (bảng 1). Bảng 1: Nồng độ các ion trong dd SBF (10-3 mol/l) Io n s Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl- HCO3 - HPO4 2- S B F 142 5 2,5 1,5 149 4,2 1 P la sm a 142 5 2,5 1,5 103 27 1 Để điều chế dung dịch SBF, đã điều chế hai dung dịch riêng rẽ, gọi là Ca-SBF và P-SBF. Ƣu điểm phƣơng pháp này là dung dịch có thể đƣợc lƣu trữ một vài tuần trong tủ lạnh [4, 5]. Đối với mỗi dung dịch Ca-SBF hoặc P-SBF, đong 990 ml nƣớc cất, gia nhiệt trong 1 bể điều nhiệt và giữ ổn định ở 37°C (Body Temperature) trong suốt quá trình tổng hợp. Thêm các chất hóa học theo hàm lƣợng có trong bảng dƣới, mỗi chất cách nhau 30 phút. Sử dụng cá từ để khuấy trộn dung dịch. Cả hai dung dịch Ca-SBF và P-SBF đều đƣợc điều chỉnh pH = 7,4 (môi trƣờng dịch thể ngƣời), bằng cách sử dụng dung dịch HCl 6 N. Sau đó thêm nƣớc vào các bình để làm tròn thể tích 1000 ml. Khi cần dùng SBF, trộn hai dung dịch có thể tích bằng nhau Ca-SBF và TCHH, 55(1) 2017 Tổng hợp vật liệu thủy tinh hoạt tính 108 P-SBF thu đƣợc dung dịch SBF. Bảng 2: Các hóa chất dùng tổng hợp dung dịch SBF Ca-SBF m (g) P-SBF m (g) (*)C4H11NO3 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. 2.4. Phương pháp lý hóa đặc trưng vật liệu Bột thủy tinh hoạt tính sinh học trƣớc và sau thực nghiệm ‘‘in vitro’’ đƣợc xác định đặc trƣng lý hóa bằng các phƣơng pháp phân tích hiện đại. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction XRD) để xác định thành phần cấu trúc pha của vật liệu. Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (Scaning Electron Microscope SEM) sử dụng để quan sát hình thái và cấu trúc bề mặt. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phân tích XRD Hình 2 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của Thủy tinh 50SiO2-35CaO-15P2O5 tổng hợp bằng phƣơng pháp sol - gel (2.a), thủy tinh sau 5 ngày ngâm trong SBF (2.b). Nhiễu xạ đồ của HA chuẩn (2.HAch) (hãng Sigma-Aldrich) đƣợc sử dụng nhằm phân tích và đối chiếu sự hình thành của lớp khoáng apatite mới trên bề mặt thủy tinh sau thực nghiệm ‘‘in vitro’’. Nhiễu xạ đồ của thủy tinh (2.a) đặc trƣng hoàn toàn cho một vật liệu cấu trúc vô định hình. Chúng ta không thu đƣợc các pic sắc nét đặc trƣng cho vật liệu cấu trúc mạng tinh thể mà thu đƣợc một quầng nhiễu xạ đặc có tâm ở 31,2o (2 ). Quầng nhiễu xạ này đặc trƣng cho một vật liệu cấu trúc vô định hình. Theo lý thuyết nhiễu xạ, chỉ những vật liệu có cấu trúc sắp xếp trật tự tuần hoàn nhƣ vật liệu cấu trúc mạng tinh thể mới có thể gây nên sự giao thoa các tia X phản xạ tạo nên sự tăng cƣờng về cƣờng độ tia, tức là tạo nên các vạch sắc nét trên giản đồ nhiễu xạ. Những vật liệu vô định hình không có cấu trúc trật tự tuần hoàn nên hiện tƣợng giao thoa tia X phản xạ không xảy ra, không thu đƣợc các pic sắc nét mà thu đƣợc một quầng nhiễu xạ. Kết quả chụp nhiễu xạ tia X khẳng định sự thành công về mặt cấu trúc của vật liệu thủy tinh hoạt tính sinh học tổng hợp bằng phƣơng pháp sol-gel. Vật liệu thủy tinh sau 5 ngày thực nghiệm ‘‘In vitro’’ trong dung dịch SBF đƣợc chụp nhiễu xạ tia X và trình bày nhƣ trong hình 2b. Sau khi ngâm đã nhận thấy sự thay đổi rõ ràng trên nhiễu xạ đồ của vật liệu so với trƣớc khi ngâm qua sự xuất hiện các pic rõ nét đặc trƣng cho một vật liệu cấu trúc mạng tinh thể. Các pic đó đƣợc xác định là các pic đặc trƣng cho vật liệu Hydroxyapatite (HA) qua phổ chuẩn của nó. Các pic lần lƣợt là 26o; 32o; 40o; 46,5o; 49,5o; 53,2o và 64o (2 ). Chúng tƣơng ứng với các mặt phẳng miller (002); (211); (310); (222); (213); (004) và (304) trong mạng tinh thể HA [6, 7]. Kết quả này khẳng định hoạt tính sinh học của vật liệu thủy tinh. Sau 5 ngày ngâm trong SBF, từ một vật liệu có cấu trúc vô định hình, đã hình thành nên một lớp khoáng HA mới trên bề mặt. Lớp khoáng HA mới hình thành này giống với phần khoáng vô cơ trong xƣơng ngƣời, do vậy nó chính là cầu nối giữa vật liệu ghép và xƣơng tự nhiên trong cấy ghép chỉnh hình xƣơng. 20 40 60 In te ns ity ( a. u) (b) HA ch (304) (004) (213) (222) (310) (211) (002) (a) Hình 2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của thủy tinh trƣớc và sau thực nghiệm ‘‘in vitro’’ 3.2. Phân tích ảnh SEM Hình 3 tập hợp các ảnh SEM của vật liệu thủy tinh tổng hợp bằng phƣơng pháp sol-gel. Bề mặt vật liệu khá sần sùi bởi các hạt với kích thƣớc không đồng đều. Sau 5 ngày ngâm trong dung dịch SBF, bề mặt thủy tinh thể hiện sự thay đổi rõ nét nhƣ quan sát trong tập hợp các ảnh SEM (hình 4). Các tinh thể li ti bao phủ toàn bộ bề mặt thủy tinh. Chúng ta có thể quan sát rõ lớp tinh thể này trên ảnh SEM có độ phóng đại lớn (X.1000). Kết hợp với các phân tích bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ở trên, lớp tinh thể mới đƣợc hình thành này chính là lớp khoáng Hydroxyapatite (HA) hình thành trên bề mặt thủy tinh sau 5 ngày thực nghiệm ‘‘in vitro’’ ngâm trong dung dịch SBF. Các kết quả SEM kết hợp với các TCHH, 55(1) 2017 Bùi Xuân Vương 109 phân tích pha bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X khẳng định hoạt tính sinh học của vật liệu thủy tinh qua việc hình thành một lớp khoáng xƣơng mới. Vật liệu thủy tinh này hoàn toàn có thể sử dụng trong các nghiên cứu tiếp theo để sử dụng nhƣ một vật liệu xƣơng nhân tạo cho con ngƣời. Cơ chế tƣơng tác giữa vật liệu thủy tinh hoạt tính sinh học và dung dịch SBF để hình thành một lớp khoáng xƣơng apatite có thể đƣợc giải thích qua các giai đoạn nhƣ sau [2-3, 7-9]. Giai đoạn 1: các proton H3O + trong dung dịch SBF trao đổi nhanh với các cation Ca2+ trong mạng cấu trúc thủy tinh để tạo nên các nhóm silanol Si- OH trên bề mặt. Giai đoạn 2: sự giải phóng các axit silicic Si(OH)4 ra môi trƣờng bởi sự gẫy các liên kết Si-O-Si. Giai đoạn 3: khi các axit silicic Si(OH)4 giải phóng ra môi trƣờng đạt tới trạng thái bão hòa, chúng bị polyme hóa để hình thành một lớp gel silica SiO2 trên bề mặt thủy tinh. Giai đoạn 4: sự di chuyển các ion Ca2+ và PO4 3- trong mạng lƣới cấu trúc thủy tinh cũng nhƣ sự di chuyển của chúng từ trong môi trƣờng dung dịch SBF về bề mặt lớp gel SiO2 tạo nên một lớp giàu Ca và P. Giai đoạn 5: Các ion Ca2+ và PO4 3 kết hợp với các ion OH- phản ứng theo thời gian để tạo nên lớp khoáng Hydroxyapatite (HA) giống với thành phần vô cơ của xƣơng ngƣời. Nhờ lớp khoáng này mà xƣơng hỏng, xƣơng khuyết đƣợc tu sửa và lấp đầy. 4. KẾT LUẬN Đã tổng hợp thành công vật liệu thủy tinh hoạt tính sinh học 50SiO2 - 35CaO -15P2O5 bằng phƣơng pháp sol - gel. Vật liệu tổng hợp có cấu trúc vô định hình đặc trƣng cho thủy tinh. Thử nghiệm ‘‘in vitro’’ khẳng định hoạt tính sinh học của vật liệu qua việc hình thành một lớp khoáng xƣơng mới trên bề mặt vật liệu cũ, lớp khoáng xƣơng mới này là cầu nối ghép vật liệu nhân tạo và xƣơng tự nhiên. Các nghiên cứu với tế bào xƣơng và ‘‘In vivo’’ trên động vật sẽ đƣợc thực hiện nhằm sử dụng thủy tinh này nhƣ một vật liệu xƣơng nhân tạo. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. D. F. Williams. Definitions in Biomaterials, Hình 4: Ảnh SEM của thủy tinh sau 5 ngày ngâm trong dung dịch SBF Hình 3: Ảnh SEM của thủy tinh tổng hợp bằng phƣơng pháp sol-gel TCHH, 55(1) 2017 Tổng hợp vật liệu thủy tinh hoạt tính 110 Consensus Conference for the European Society for Biomaterials, Chester, UK (1986). 2. L. L. Hench. Bioceramics: From Concept to Clinic, Journal of the American Ceramic Society, 74, 1487- 1510 (1991). 3. L. L. Hench. The story of Bioglass®, Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 17, 967- 978 (2006). 4. T. Kokubo, H. Kushitani, S. Sakka, T. Kitsugi and T. Yamamuro. Solutions able to reproduce in vivo surface-structure changes in bioactive glass-ceramic A-W, Journal of Biomedical Materials Research, 24, 721-734 (1990). 5. T. Kokubo and H. Takadama. How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity, Biomaterials, 27, 2907-2915 (2006). 6. Fiche JCPDF 09-432. 7. E. Dietrich, H. Oudadesse, A. Lucas-Girot and M. Mami. “In vitro” bioactivity of melt-derived glass 46S6 doped with magnesium, Journal of Biomedical Materials Research, 88(A), 1087-1096 (2008). 8. L. L. Hench. Bioactive ceramics, in Bioceramics: materials characteristics versus in vivo behaviour, Ed. P. Ducheyne & J. Lemons Annals of NY Academy of science (1988). 9. L. L. Hench, R. J. Splinter, W. C. Allen and T. K. Jr. Greenlee. Bonding Mechanisms at the Interface of Ceramic Prosthetic Materials, Journal of Biomedical Materials Research, 2, 117-141 (1972). Liên hệ: Bùi Xuân Vương Nhóm nghiên cứu Demasted, Đại học Tôn Đức Thắng Phòng QLKHCN&HTQT, Cao đẳng Công thƣơng Thành phố Hồ Chí Minh E-mail: buixuanvuong@tdt.edu.vn; Điện thoại: 01276517788.