Luận án Nghiên cứu chế tạo các lớp phủ hydroxyapatit có khả năng tương thích sinh học trên nền vật liệu titan bằng phương pháp sol - Gel

NH4OH 1 M vào hỗn hợp dung dịch trên và khuấy đều trong 3 giờ. - Ủ hỗn hợp trong tủ sấy ở nhiệt độ 40 oC trong vòng 72 giờ tạo thành sol HA. Hình 2.1. Sơ đồ quy trình chế tạo sol HA 41 2.3.2.2. Quy trình chế tạo sol FHA Quy trình chế tạo Sol HA được thể hiện trên sơ đồ hình 2.2 theo các bước sau: - Hòa tan 0,2 mol H3PO4 vào dung dịch 100 mL C2H5OH thêm dần dần NH4F với tỉ lệ phần mol của P/F lần lượt là 12 ; 6 ; 4 ; 3 để được các sol có thành phần tương ứng với công thức lần lượt là Ca10(PO4)6(F0.5OH1.5), Ca10(PO4)6(FOH), Ca10(PO4)6(F1.5OH0.5), Ca10(PO4)6(F2) bằng cách thay thế nhóm OH của sol HA bằng nhóm F- với tỉ lệ phần mol OH/F tương ứng là 1,5/0,5; 1/1; 0,5/1,5 và 0/2 khuấy trộn bằng máy khuấy từ trong 3 giờ ở nhiệt độ phòng (dung dịch 1). - Hòa tan 0,333 mol Ca(NO3)2.4H2O vào dung dịch 100 mL C2H5OH tiếp tục khuấy bằng máy khuấy từ trong 3 giờ (dung dịch 2). - Trộn dung dịch 1 vào dung dịch 2, thu được hỗn hợp chứa các tiền chất Ca, P, F, tiếp tục khuấy trộn hỗn hợp này trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng. -Thêm từ từ dung dịch NH4OH 1 M vào hỗn hợp dung dịch trên và khuấy đều trong 3 giờ để đạt được pH mong muốn. - Ủ hỗn hợp trong tủ sấy ở nhiệt độ 40 oC trong vòng 72 giờ tạo thành sol FHA. Hình 2.2. Sơ đồ quy trình chế tạo sol FHA 42 2.3.3. Chế tạo lớp phủ HA và FHA lên nền vật liệu titan Hình 2.3. Sơ đồ chế tạo lớp phủ HA và FHA trên nền titan Sau khi chuẩn bị được sol HA và sol FHA bắt đầu tiến hành chế tạo lớp phủ HA lên nền vật liệu titan theo các bước như trên hình 2.3 bao gồm: - Tiến hành phủ sol HA lên nền vật liệu titan bằng phương pháp quét. - Quay li tâm để san phẳng bề mặt mẫu, sấy khô ở nhiệt độ 80 oC trong 1 giờ. Sau đó, để nguội ở nhiệt độ phòng trong vòng 1 giờ và phủ lặp lại nhiều lần. - Kết thúc quá trình tạo lớp phủ lên bề mặt Ti, các mẫu được tiến hành nung trong không khí với nhiệt độ từ 500 – 1000 oC. Sau khi nung, các mẫu titan phủ HA và FHA được phân tích, đánh giá các đặc trưng tính chất. 2.4. Phương pháp nghiên cứu đánh giá tính chất của lớp phủ Để nghiên cứu ứng dụng các vật liệu implant thì việc đánh giá tính chất của vật liệu là hết sức quan trọng đặc biệt là các tính chất của vật liệu khi ngâm trong môi 43 trường dịch giả người. Hiện nay, các phương pháp nghiên cứu đánh giá tính chất của lớp phủ tương thích HA trên vật liệu implant được chia làm 3 nhóm chính: + Phương pháp đánh giá các tính chất vật lý và cơ học của vật liệu bao gồm đánh giá thành pha, cấu trúc bề mặt, thành phần hóa học của lớp phủ, độ bám dính sử dụng các phương pháp như: X-ray, SEM, EDS, kéo đứt + Phương pháp đánh giá khả năng chống ăn mòn sử dụng phương pháp đo điện hóa như: phổ tổng trở và đường cong phân cực anốt. + Phương pháp đánh giá khả năng tương thích sinh học bằng các thử nghiệm in- vitro and in-vivo. 2.4.1. Phương pháp đánh giá các tính chất vật lý và cơ học 2.4.1.1. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai và nhiệt trọng lượng Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) và nhiệt trọng lượng (TGA) được sử dụng để nghiên cứu khoảng nhiệt độ phân huỷ các tiền chất, sự chuyển pha và hình thành hợp chất mới... Các phương pháp này cho biết quá trình phân huỷ là toả nhiệt hay thu nhiệt, nhiệt độ phân huỷ của các chất và sự biến đổi trọng lượng mẫu khi nhiệt độ nung thay đổi [61, 93, 94]. Trong nghiên cứu này, hỗn hợp sol được nung từ nhiệt độ phòng đến 1000 oC trong môi trường không khí với tốc độ tăng nhiệt là 10oC/phút trên thiết bị Labsys EVO (Setaram Instrumentation – Pháp) của Viện Khoa học vật liệu. 2.4.1.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X Phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc pha của lớp phủ. Những đặc trưng quan trọng nhất của các giản đồ nhiễu xạ tia X là vị trí của các vạch nhiễu xạ, cường độ vạch nhiễu xạ và đường cong phân bố của các vạch nhiễu xạ đó. Bằng việc phân tích các giản đồ nhiễu xạ ta có thể thu được các thông tin về định tính, định lượng pha tinh thể, xác định được hệ cấu trúc và các hằng số mạng tinh thể... Trong nghiên cứu vật liệu implant, phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng để đánh giá cấu trúc và thành phần pha của lớp phủ. Trên cơ sở các pic đặc trưng của ngân hàng phổ tiêu chuẩn có thể xác định được cấu trúc, thành phần pha, dạng kết tinh của pha[62, 65, 83, 85, 90, 94, 95]. 44 Giản đồ XRD của mẫu HA được ghi trên máy D8–Advance 5005–tại Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN. Điều kiện ghi: ống phát tia Rơnghen làm bằng Cu với bước sóng kα = 1,5406 Å, nhiệt độ 25 oC, góc quét 2θ tương ứng với mỗi chất, tốc độ quét 0,02 0/s. Hình 2.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của hydroxyapatite (theo tiêu chuẩn của JCPDS: 9-432) 2.4.1.3. Phương pháp đo độ nhám bề mặt (Kính hiển vi 3D) Phương pháp này được dùng để đánh giá tính chất bề mặt của vật liệu chẳng hạn như độ nhám, sự phá hủy bề mặt dựa trên sự thay đổi màu sắc của ảnh chụp. Nguyên tắc đo: Các dải ánh sáng từ thấu kính máy phát nằm rải rác trên bề mặt vật thể đang được đo. Ánh sáng phản xạ được quan sát (thấu kính thu) và độ chênh lệch độ nhấp nhô trên bề mặt vật thể làm cho các dải ánh sáng xuất hiện bị biến dạng. Hình ảnh của những biến dạng này được thực hiện bằng cách sử dụng một cảm biến CMOS, và các tính toán tự động được thực hiện để đo chiều cao nhấp nhô và vị trí tại mỗi điểm. Hình ảnh thu được là ảnh 3D theo một dải màu từ đỏ, cam, vàng, lục, lam chàm, tím và màu sắc tuy thuộc vào độ nhấp nhô của mẫu. Hình thái bề mặt mẫu được đo trên máy Keyence VR-3000, Nhật Bản. 2.4.1.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét và phổ tán sắc năng lượng tia X a. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) Phương pháp hiển vi điện tử quét đã được sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu hình thái bề mặt mẫu, nhất là với nghiên cứu mẫu màng mỏng. Nguyên lý của 45 phương pháp: chiếu một chùm tia điện tử đi qua các thấu kính điện tử hội tụ thành một điểm rất nhỏ chiếu lên bề mặt mẫu nghiên cứu. Khi chùm điện tử đập vào mẫu, trên bề mặt mẫu phát ra các chùm điện tử thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua gia tốc điện thế đi vào phần thu sẽ biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng, tín hiệu được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sáng trên màn ảnh. Độ sáng tối trên màn ảnh phụ thuộc vào lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu và phụ thuộc hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu. Ảnh SEM của các mẫu vật liệu phủ HA và FHA được chụp trên thiết bị S4800 của hãng Hitachi, Nhật Bản, Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam với độ phóng đại từ 100 đến 200.000 lần. Trong nghiên cứu lớp phủ HA trên nền titan sử dụng phương pháp SEM để nghiên cứu hình thái học, kích thước hạt và dạng kết tinh của lớp phủ HA, FHA [53, 80, 96- 98]. b. Phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray) Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X là kỹ thuật phân tích thành phần hóa học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do tương tác với các bức xạ (chủ yếu là chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử). Tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này. Trong nghiên cứu lớp phủ HA nền titan, phương pháp này được sử dụng để xác định tỉ lệ thành phần của Ca và P và các thành phần nguyên tố khác trên thiết bị S4800 của hãng Hitachi, Nhật Bản, Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam. 2.4.1.5. Phương pháp đo độ bền bám dính Trong công nghệ chế tạo lớp phủ, độ bền bám dính là một trong những đặc trưng tính chất quan trọng của lớp phủ bởi nó ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc và quyết định tuổi thọ làm việc của lớp phủ. Do đó việc đánh giá độ bền bám dính có ý nghĩa quan trọng [87, 99, 100]. Ngày nay, có nhiều phương pháp đánh giá độ bền bám dính của phủ như: phương pháp kéo, phương pháp sử dụng tia laser, phương pháp rạch, phương pháp vết lõm. Trong nghiên cứu độ bền bám dính của HA trên nền vật liệu 46 Ti, chúng tôi đã sử dụng hai phương pháp bao gồm: phương pháp kéo đứt và phương pháp rạch. a. Phương pháp kéo đứt (pull-off) Phương pháp kéo đứt được sử dụng để đánh giá các lớp phủ có độ bền bám dính không quá lớn, theo nguyên lý sử dụng lực kéo để phá vỡ liên kết giữa lớp phủ và nền kim loại sử dụng máy đo độ bền bám dính PosiTest® AT (V.5.2), Mỹ. Nguyên tắc hoạt động: sử dụng một kẹp cố định để tránh sự lệch hướng trong quá trình thử nghiệm. Dolly là bộ phận tiếp xúc với mẫu làm bằng nhôm với đường kính 20 mm được dán lên bề mặt lớp phủ bằng epoxy (Epoxy Adhesives Araldite® 2011-A/B) và áp tải trọng 2N tại nhiệt độ phòng trong 24 giờ. Trong thử nghiệm, dolly được kéo với tốc độ là 4,0 MPa/s cho đến khi lớp phủ bị phá hủy. Các kết quả lực bám dính sẽ được ghi nhận và lấy giá trị trung bình của ít nhất 3 lần thí nghiệm và được tiến hành tại Viện NIMS, Nhật Bản theo tiêu chuẩn ASTM F1044 – 99. b. Phương pháp rạch (Scratch test) Là phương pháp được sử dụng phổ biến để đánh giá độ bền bám dính của lớp phủ. Phương pháp này được đánh giá thông qua lực rạch của mũi nhọn bằng kim cương với kích thước khoảng 100-200 µm. Lực trên đầu mũi nhọn được tăng dần đều đến một giá trị nhất định. Sau đó vết rạch được quan sát trên kính hiển vi quang học để xác định vết bong tróc của lớp phủ.Trong nghiên cứu này, phương pháp rạch được sử dụng để đánh giá độ bền bám dính của lớp phủ anốt hóa nền titan. Thiết bị Scratch test ST30, Đức được sử dụng với các thông số như sau: giá trị của tải được tăng dần từ 0,1N đến 30N với tốc độ 0,1 mm/s, chiều dài di chuyển 10 mm với mũi nhọn bằng kim cương với kích thước 100 µm và được tiến hành tại Viện NIMS, Nhật Bản. 2.4.2. Phương pháp điện hóa trong đánh giá tính chất ăn mòn 2.4.2.1.Hệ đo điện hóa ba điện cực và cách chuẩn bị mẫu đo Thiết bị đo điện hóa gồm ba bộ phận: hệ điện cực, máy đo và máy tính. Hệ điện cực sử dụng cho các phép đo điện hóa gồm ba điện cực:  Điện cực làm việc (W): mẫu titan có và không có lớp phủ HA, FHA.  Điện cực so sánh (R): điện cực Ag/AgCl/Cl- bão hòa (ESHE = 0,197).  Điện cực đối (C): điện cực Pt. 47 Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống đo điện hóa Về mặt nguyên tắc, thiết bị potentiostat cho phép dòng điện đi qua điện cực làm việc và điện cực đối, thông qua dung dịch điện ly. Điện thế được đo giữa điện cực làm việc và điện cực so sánh, dòng điện được đo giữa điện cực làm việc và điện cực đối. 2.4.2.2. Phương pháp đo tổng trở Tổng trở điện hóa là phương pháp nghiên cứu không phá hủy mẫu và được sử dụng để nghiên cứu động học và cơ chế các quá trình điện hóa xảy ra trên bề mặt phân chia pha giữa kim loại/dung dịch điện ly. Nguyên lí phương pháp là áp một dao động biên độ nhỏ xoay chiều hình sin U0, tần số góc 2 f  đi qua một hệ điều hòa. Trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện đáp ứng hình sin có biên độ I0 cùng tần số góc  nhưng lệch pha một góc  so với điện thế đưa vào. Do sự lệch pha và tổng trở của hệ thống điều hòa cho phép phân tích sự đóng góp của các qúa trình khuyếch tán, động học, lớp kép, phản ứng hóa học vào quá trình điện cực. Việc sử dụng một dòng xoay chiều áp lên mẫu có thể cho ta những thông tin về trạng thái bề mặt mẫu. Bề mặt mẫu ở bất cứ một tần số nào đã cho đều thể hiện như là mạch của điện trở và tụ điện và do đó ta có thể đo đạc được và phân tích được tổng trở. Sự phản hồi của bề mặt liên quan đến tính chất ăn mòn của bề mặt và thường được sử dụng để dự đoán tính chất bề mặt và giải thích cơ chế ăn mòn của vật liệu. 48 Trong nghiên cứu này, phổ tổng trở của các mẫu đo trong dung dịch SBF có thành phần như trong bảng 2.3 và được quét với tần số từ 10 kHz đến 10 mHz, biên độ điện thế 10mV để đánh giá được khả năng chống ăn mòn của vật liệu phủ HA và FHA và cơ chế hình thành màng apatit theo thời gian ngâm mẫu. 2.4.2.3. Phương pháp đo đường cong phân cực anốt (Potentiodynamic) Phương pháp đo đường cong phân cực Potentiodynamic được dùng để xác định tốc độ hoà tan đối với một hệ kim loại- điện ly trên một khoảng điện thế nào đó. Sơ đồ đường cong phân cực anốt được minh họa trong hình 2.6. Quá trình quét bắt đầu từ điểm 1 và theo hướng điện tích dương cho đến khi chấm dứt tại điểm 2. Tại điện thế mạch hở ở điểm A, tổng tốc độ phản ứng anốt và catốt trên bề mặt điện cực bằng không. Kết quả là dòng điện đo được sẽ gần bằng không. Khi điện thế tăng lên và chuyển sang khu vực B, đó là khu vực hoạt động. Trong khu vực này, phản ứng chi phối cả quá trình là phản ứng oxy hóa kim loại. Điểm C được gọi là điện thế thụ động và áp một điện thế cao hơn điện thế này thì mật độ được xem là giảm khi điện thế tăng (vùng D) cho đến khi đạt được mật độ dòng thụ động thấp (Vùng thụ động - Vùng E). Khi điện thế đạt đến giá trị dương đủ lớn (Điểm F), dòng điện tăng nhanh (vùng G). Sự gia tăng này có thể là do một số hiện tượng, tùy thuộc vào hợp kim và môi trường. Đối với một số hợp kim, điển hình là những hợp kim có lớp oxit bảo vệ tốt, chẳng hạn như titan, dòng điện tăng đột ngột là do sự giải phóng oxy. Tốc độ ăn mòn được tính từ đường cong phân cực anốt. Đối với các phản ứng khống chế chuyển khối diễn ra với tốc độ thấp hơn nhiều so với tốc độ giới hạn thì mật độ dòng có thể được biểu thị dưới dạng hàm của quá thế η. Trong đó η = Eáp-Emạch hở như sau: η = β log i /i0 Biểu thức này được gọi là phương trình tafel, trong đó ß là độ dốc tafel, i là mật độ dòng điện áp dụng và i0 mật độ dòng trao đổi (tốc độ phản ứng tại điện thế thuận nghịch). Do đó, độ dốc tafel cho các phản ứng anốt và catốt xảy ra ở mạch hở có thể được lấy từ các vùng tuyến tính của đường cong phân cực, như được minh họa trong hình 2.6. Khi độ dốc được thiết lập, có thể ngoại suy trở lại từ cả hai khu vực anốt và catốt đến điểm mà tốc độ phản ứng anốt và catốt là tương đương. Mật độ 49 dòng tại thời điểm đó là mật độ dòng ăn mòn (icor) và điện thế là điện thế ăn mòn (Ecor). Từ đường cong phân cực anốt có thể tính được các thông số điện hóa như: điện thế ăn mòn, mật độ dòng ăn mòn [51, 73]. Hình 2.6. Đường cong phân cực anốt: a-đường cong phân cực anốt có thụ động và b-đường cong tafel [101] Để đánh giá khả năng chống ăn mòn của vật liệu có và không có lớp phủ HA ở các chế độ nung khác nhau, tiến hành đo đường cong phân cực anốt trong khoảng điện thế từ -250 mV so với điện thế mạch hở đến 1600 mV, với tốc độ quét thế 1 mV/s trong dung dịch Ringer có thành phần: NaCl 8,6 g/L; CaCl2.2H2O; 0,33 g/L; KCl 0,3 g/L [102]. Từ đường cong phân cực anốt có thể so sánh, đánh giá được khả năng chống ăn mòn của vật liệu titan phủ HA. 2.4.3. Các phương pháp đánh giá khả năng tương thích sinh học 2.4.3.1. Đánh giá thử nghiệm in-vitro Khả năng tương thích sinh học của mẫu titan phủ HA và FHA được đánh giá bằng các thử nghiệm in-vitro của vật liệu khi ngâm trong dung dịch giả cơ thể người SBF theo thời gian trong điều kiện nhiệt độ 37 oC ± 1 oC và pH khoảng 7,2 - 7,3 [103, 104]. Các mẫu titan phủ HA và FHA có kích thước ϕ15 mm x 2 mm được ngâm trong 200 mL dung dịch SBF có thành phần như trên bảng 2.3 [105]. Các chỉ tiêu được đánh giá sau khi thử nghiệm bao gồm: + Hình thái học bề mặt, thành phần hóa học, cấu trúc pha của lớp phủ 50 + pH, thành phần hóa học của dung dịch SBF + Đánh giá các quá trình lý hóa theo thời gian ngâm trong dung dịch SBF Kết quả thu được cho phép giải thích quá trình hình thành hoặc phân hủy của màng apatit và khả năng chống ăn mòn của vật liệu trong môi trường dịch giả cơ thể người. Bảng 2.3. Thành phần dung dịch SBF Hóa chất và điều kiện Nồng độ (g/L) NaCl 8,8 KCl 0,4 CaCl2 0,14 NaHCO3 0,35 MgSO4.7H2O 0,2 KH2PO4.H2O 0,1 Na2HPO4.7H2O 0,06 Glucozo 1,00 pH 7,2 Nhiệt độ 37 oC 2.4.3.2. Đánh giá thử nghiệm in- vivo trên động vật Phương pháp thử nghiệm in-vivo được tiến hành trên cơ thể động vật để đánh giá khả năng tương thích sinh học của vật liệu cấy ghép [11, 40, 50, 106]. a. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là 6 cá thể thỏ khỏe mạnh, tuổi trung bình từ 10 đến 12 tháng, cân nặng khoảng 1,8 đến 2,2 kg. Thỏ được phẫu thuật bộc lộ xương đùi và được đặt nẹp vít bằng vật liệu titan xốp có và không có lớp phủ HA. Sau phẫu thuật con vật được theo dõi trong điều kiện vô trùng tiêu chuẩn đến khi chúng tỉnh táo. Sau đó, vết thương được rửa và thay băng hàng ngày đến khi vết thương khô, không ra dịch. 51 Hình 2.7. Thử nghiệm cấy ghép trên xương đùi thỏ b. Phẫu thuật ghép nẹp vít vào xương đùi thỏ - Thỏ được gây mê bằng dung dịch thuốc mê Ketamin tiêm bắp thịt (liều 6 mg/kg và được đặt nằm nghiêng trên bàn mổ, vùng mặt ngoài của đùi sau được cạo sạch lông và sát trùng bằng dung dịch cồn 700 và Betadine 10 %. Sau đó, rạch da vùng đùi dài 5 cm, bóc tách vùng tổ chức dưới da để lộ rõ xương đùi, mở rộng vết mổ, tách cơ, màng xương để làm sạch mặt trước xương đùi (khoảng 3 cm). Tiếp theo khoan 2 lỗ (đường kính 2 mm, sâu hết vỏ xương) cách nhau 1,5 cm (tương ứng với lỗ khuyết trên nẹp vít) trên bề mặt xương đùi. - Đặt nẹp vít lên xương và bắt vít để nẹp ép chặt lên bề mặt xương đùi. - Rửa vết thương bằng dung dịch thuốc kháng sinh Gentamycin sulphate 80 mg. - Khâu vết thương theo từng lớp: lớp cân, cơ (bằng chỉ tự tiêu) tổ chức dưới da, da (bằng chỉ không tiêu). Sát trùng da (bằng dung dịch Betadin 10 %) và đóng vết mổ. Sau phẫu thuật, thỏ được chăm sóc trong điều kiện tiêu chuẩn, được theo dõi cẩn thận cho đến khi tỉnh hoàn toàn, sau đó được đưa về chuồng nuôi và được theo dõi trong suốt quá trình cấy ghép. c. Một số chỉ tiêu đánh giá - Đánh giá tình trạng tại chỗ vết mổ: quan sát, kiểm tra, đánh giá sự biến đổi về màu sắc, mức độ chảy dịch, tổ chức dưới da tại vết mổ dọc theo mặt ngoài đùi, đánh giá mức độ sưng nề của vết mổ. 52 - Các chỉ số huyết học: máu tĩnh mạch được lấy vào thời điểm lúc 8 giờ sáng (trước khi ăn sáng) từ tai thỏ bằng bơm tiêm tiệt trùng và ống nghiệm đựng máu xét nghiệm (được chống đông bằng EDTA). Sau đó, phân tích các chỉ số về hồng cầu, Hb, bạch cầu, tiểu cầu. - Hình ảnh đại thể về xương và vật liệu cấy ghép: Sau 3 tháng cấy ghép tiến hành mổ, lấy vật liệu cấy ghép titan xốp có và không có lớp phủ HA, quan sát đánh giá hình ảnh đại thể của xương đùi và vật liệu cấy ghép như: bề mặt xương và vật liệu, tổ chức xương xung quanh vùng nẹp vít. Mẫu xương được cố định trong formon và giữ ở tủ lạnh nhiệt độ từ 4 - 6 oC. Kết quả mô học được quan sát đánh giá dưới kính hiển vi, quang học Leisca độ phóng đại 50 lần. 53 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ HA bằng phương pháp sol-gel Trong nghiên cứu này, các điều kiện chế tạo lớp phủ HA trên nền vật liệu titan bằng phương pháp sol-gel như pH của sol, độ nhớt của dung dịch, chế độ phủ và chế độ nung mẫu được tập trung nghiên cứu nhằm tìm ra điều kiện tối ưu để chế tạo lớp phủ HA trên nền titan. 3.1.1. Nghiên cứu đặc tính của sol 3.1.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng giá trị pH của sol đến sự hình thành pha Trong phương pháp sol-gel chế tạo lớp phủ HA, thời gian phát triển mầm (aging time) của hỗn hợp là rất cần thiết trước khi xử lý nhiệt để có được lớp HA chất lượng tốt. Trong quá trình phát triển mầm, các tiền chất đã tham gia các phản ứng trùng hợp và keo hóa. Các kết quả công bố của tác giả Kim [12] chỉ ra rằng thời gian phát triển mầm từ 3 ngày đến 7 ngày và nhiệt độ để phát triển mầm khoảng 400C là cần thiết để tạo ra sự keo hóa của sol, hình thành liên kết [–Ca–O–P–] và thúc đẩy sự kết tinh hình thành HA của các lớp phủ sau khi xử lý nhiệt. Lớp phủ HA được chế tạo bằng phương pháp sol-gel thường tạo thành các sản phẩm phụ (canxi oxit (CaO), canxi cacbonat (CaCO3) và tricanxi phốt phát (TCP)) do tính không ổn định của sol dẫn đến sự keo hóa không hoàn toàn. Do đó, cần cải thiện quá trình keo hóa của sol để cải thiện tính chất của lớp phủ. Chẳng hạn như tính đồng nhất pha, độ ổn định cấu trúc và tính toàn vẹn cơ học. Với mục đích cải thiện độ ổn định của sol HA và lớp phủ, chúng tôi thêm vào dung dịch sol một lượng dung dịch amoni hydroxit (NH4OH) 1M để điều chỉnh pH và cải thiện độ sánh nhớt của dung dịch sol giúp cho việc chế tạo mẫu trở nên dễ dàng và hiệu quả. Trong nghiên cứu này, dung dịch sol HA được chế tạo từ hỗn hợp tiền chất chứa 0,2 mol H3PO4 và 0,334 mol Ca(NO3)2.4H2O trong dung môi etanol. Dung dịch NH4OH 1 M được thêm vào hỗn hợp sol HA để thay đổi khoảng pH từ 3 đến 9 và được đo trên máy đo pH Ohaus ST20, Canada. Ảnh hưởng của pH đến sự hình thành pha HA được nghiên cứu bằng phương pháp phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X. Hình 3.1 là giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu HA chế tạo từ các sol có giá trị pH khác 54 nhau. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, nhận thấy ở pH = 3, đã xuất hiện các pic đặc trưng của HA ở góc 2θ khoảng 270, 310, 320, 340. Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X với sự thay đổi pH của dung dịch Tuy nhiên, bên cạnh các đỉnh HA, còn xuất hiện các đỉnh đặc trưng của hợp chất α-TCP (Ca3 (PO4)2). Khi giá trị pH tăng, cường độ của các đỉnh HA tăng trong khi cường độ của các đỉnh α-TCP giảm. Điều này có thể được giải thích từ các phản ứng hình thành HA và α-TCP như sau: 10Ca(NO3)2 + 6H3PO4 + 20NH4OH ↔ Ca10(PO4)6(OH)2(HA)+ 20NH4NO3+18H2O (3.1) 3Ca(NO3)2 + 2H3PO4 ↔ Ca3(PO4)2(α-TCP)+ 6HNO3 (3.2) Theo lý thuyết về trạng thái cân bằng, ở giá trị pH cao tức là hàm lượng NH4OH cao, phản ứng sẽ dịch chuyển theo chiều tạo ra HA như xảy ra ở phản ứng (3.1) do đó, trên giản đồ nhiễu xạ tia X cường độ pic của HA tăng lên. Trong trường hợp pH của dung dịch sol bằng 3 sẽ xảy ra phản ứng (3.2) khi có mặt ion H+ của môi trường axit và tạo ra sản phẩm phụ là α-TCP. Do vậy trên giản đồ nhiễu xạ tia X cường độ xuất hiện pic đặc trưng của α-TCP tương đối lớn. 55 Sự ảnh hưởng của pH đến sự hình thành HA có thể được giải thích rõ hơn theo cơ chế như chỉ ra trên hình 3.2 [7]. Hình 3.2. Ảnh hưởng của pH đến sự hình thành HA. Như vậy, khi pH tăng thì sự hình thành pha HA tăng lên. Dung dịch NH4OH 1 M được thêm vào hỗn hợp tiền chất của sol đã cải thiện tính chất của sol. Tăng hàm lượng NH4OH làm tăng pH và tăng độ nhớt của dung dịch hỗn hợp, đặc biệt là đã ảnh hưởng đến giai đoạn phát triển mầm [12]. Sự có mặt của NH4OH giúp cải thiện sự trùng hợp, sự cô đặc (gel) của sol và dẫn đến thay đổi về cấu trúc của chúng. Sự cải thiện quá trình gel hóa đã rút ngắn thời gian phát triển mầm tinh thể cho quá trình kết tinh HA. Với các mẫu chế tạo tại các giá trị pH = 7 và pH = 9 của sol, cường độ các pic HA của các mẫu khá lớn. Tuy nhiên, cường độ các pic của HA không có sự chênh lệch nhiều giữa các giá trị pH này. 3.1.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến độ nhớt của sol Để chọn pH của sol phù hợp cho chế tạo lớp phủ HA bằng phương pháp sol- gel thì ngoài thành phần pha, độ nhớt của dung dịch sol cũng rất quan trọng. Bởi vì, nếu độ nhớt thấp thì lớp phủ khó bám dính với nền kim loại dẫn đến chúng có thể bị bật ra khỏi nền khi thực hiện quay li tâm để san phẳng bề mặt lớp phủ. Ngược lại, nếu độ nhớt quá cao, dung dịch đặc sánh, gây khó khăn cho việc phủ mẫu, cũng như khó khống chế chiều dày của lớp phủ. Do đó, chúng tôi đã khảo sát ảnh hưởng độ nhớt 56 của dung dịch sol theo pH để tìm ra dung dịch phù hợp nhất vừa đảm bảo việc phủ mẫu hiệu quả vừa có được lớp phủ chất lượng tốt. Trong nghiên cứu này, độ nhớt của các sol HA chuẩn bị tại các giá trị pH= 3, 5, 7 và 9 đã được nghiên cứu qua thông số độ nhớt tương đối ηtđ. Giá trị độ nhớt của các dung dịch sol được đo bằng phương pháp đo thời gian chảy của chất lỏng qua ống mao quản nhớt kế Ostwald và được tính theo công thức: ηtđ= tdd. ddd/ tdm.ddm Trong đó: tdd là thời gian chảy của dung dịch sol HA ( s) ddd là khối lượng riêng của HA (3,14 g/cm3) tdm là thời gian chảy của dung môi etanol (s) ddm là khối lượng riêng của dung môi (0,79 g/cm3) Bảng 3.1. Độ nhớt của dung dịch sol theo pH TT pH của sol Độ nhớt tương đối ηtđ 1 PH= 3 3,18 2 PH= 5 4,17 3 PH=7 5,13 4 PH= 9 6,49 Từ bảng 3.1, giá trị pH của dung dịch tăng thì độ nhớt tương đối của dung dịch sol HA cũng tăng lên. Độ nhớt tương đối của dung dịch đạt được cao nhất tại pH=9 với giá trị 6,49. Như vậy, khi thêm NH4OH vào hỗn hợp các tiền chất của canxi và phốt pho không những làm thay đổi pH, thành phần pha mà còn làm thay đổi độ nhớt của sol. Sự tăng độ nhớt của dung dịch sol theo hàm lượng NH4OH được giải thích theo cơ chế của quá trình hình thành sol HA diễn ra khá phức tạp theo các phản ứng hóa học sau: Đầu tiên, khi thêm dần dần dung dịch H3PO4 [công thức cấu tạo O=P(OH)3] vào dung môi etanol và khuấy trộn tạo ra dung dịch tiền chất chứa P, sẽ xảy ra phản ứng: O=P(OH)3+ x C2H5OH O=P(OC2H5)x(OH)3-x+ x H2O (3.3) S