Tóm tắt 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------------- NGÔ THỊ ÁNH TUYẾT 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 Chuyên ngành: Kim loại học Mã số: 9.44.01.29 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2019 1 Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học 1: TS. Phạm Thi San Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Nguyễn Ngọc Phong Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: . Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi giờ ..’, ngày tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam 2 MỞ ĐẦU Hiện nay, vật liệu kim loại tương thích sinh học sử dụng trong ngành phẫu thuật chỉnh hình đang là một nhu cầu bức thiết và được nhiều nước trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Sự già hóa của dân số ở các nước phát triển và mong muốn cho người bệnh có thể duy trì hoạt động và chất lượng cuộc sống cao, đồng thời những tiến bộ trong tổng hợp vật liệu, trình độ phẫu thuật đã cho phép vật liệu cấy ghép sinh học (implant) được ứng dụng theo nhiều phương thức khác nhau. Do đó, nhu cầu về các implant hiệu suất cao nhằm giải quyết những vấn đề về tim mạch, chấn thương, chỉnh hình, cột sống và nha khoa đã tăng lên đáng kể. Trong năm 2012, trên toàn thế giới, thị trường vật liệu cấy ghép sinh học đạt khoảng 94,1 tỷ USD và đến năm 2017 là khoảng 134,3 tỷ USD. Vì vậy, các nhà khoa học đang tập trung đầu tư nghiên cứu nhằm tạo ra các loại vật liệu y sinh mới có tính năng tốt để phục vụ cho nhu cầu xã hội. Các implant sử dụng trong kỹ thuật chỉnh hình thường được chế tạo bằng vật liệu kim loại do có độ cứng và độ bền cơ học cao hơn so với vật liệu hữu cơ hay vật liệu composit. Trong số những vật liệu cấy ghép sinh học thì titan là kim loại có nhiều ưu điểm nhất vì không chỉ có khả năng chống ăn mòn, mài mòn và tính chất cơ học tốt, mà mô đun đàn hồi và tỷ trọng của nó còn gần giống với xương người. Do đó, gần đây titan và hợp kim titan trở thành vật liệu kim loại y sinh hấp dẫn nhất cho các ứng dụng chỉnh hình và nha khoa. Tuy nhiên, titan lại thiếu khả năng liên kết hóa học với xương có nghĩa là thiếu hoạt tính sinh học. Để phát huy tính chất ưu việt của Ti và hợp kim Ti cũng như khắc phục 3 những nhược điểm của nó nhằm mở rộng khả năng ứng dụng trong y sinh, các nhà khoa học đã nghiên cứu phủ các lớp có khả năng tương thích sinh học lên titan và hợp kim của chúng. Trong các loại lớp phủ này, vật liệu hydroxyapatite (HA) và dẫn xuất của HA là fluorua- hydroxyapatite FHA được tập trung nghiên cứu do chúng cung cấp các điều kiện cần thiết cho việc đẩy mạnh liên kết với các mô cơ thể và ngăn chặn việc giải phóng của các ion kim loại từ hợp kim gây kích ứng tại vùng cấy ghép. Vật liệu hydroxyapatite có thành phần hóa học tương tự như thành phần của khoáng xương và có khả năng kích thích sự phát triển của các tế bào và mô xương, hỗ trợ sự mọc xương. Sự kết hợp giữa khả năng tương thích sinh học tốt của lớp phủ HA và tính chất cơ học tuyệt vời của vật liệu titan tạo ra các sản phẩm implant đáp ứng yêu cầu y tế khắt khe trong ứng dụng chỉnh hình, nha khoa. Ở nước ta, việc nghiên cứu sử dụng vật liệu HA cho mục đích y sinh cũng đang được các nhà khoa học quan tâm. Tuy nhiên, các nghiên vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế. Mỗi năm, nước ta phải nhập ngoại hàng trăm ngàn chi tiết cấy ghép các loại với giá thành rất cao và không chủ động được. Trước tình hình đó, chúng tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của 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”. Mục tiêu của luận án: Chế tạo các lớp phủ trên cơ sở HA lên nền vật liệu titan bằng phương pháp Sol-Gel có khả tương thích sinh học cao. 4 Đề tài luận án được thực hiện nhằm mục đích tìm ra điều kiện công nghệ thích hợp như pH của dung dịch, nhiệt độ nung, thời gian nung, các biện pháp xử lí bề mặt nền kim loại titan để chế tạo các lớp phủ hydroxyapatit (HA và FHA) trên nền titan bằng phương pháp sol-gel có khả năng ứng dụng y sinh. Nội dung chính của luận án: - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp lớp phủ HA bằng phương pháp Sol-Gel như: pH, nhiệt độ và thời gian nung. - Nghiên cứu đặc trưng tính chất của lớp phủ HA: Hình thái bề mặt, cấu trúc, thành phần, chiều dày, độ bám dính. - Nghiên cứu nâng cao độ bám dính của lớp phủ HA bằng cách chế tạo lớp phủ TiO2 trung gian trước khi phủ lớp HA; phủ HA lên nền titan xốp, hoặc thay thế nhóm OH- bằng F- để tạo ra lớp FHA. - Thử nghiệm in-vitro vật liệu titan phủ các lớp HA và FHA trong môi trường dịch giả cơ thể người SBF. - Nghiên cứu thử nghiệm in-vivo nẹp vít titan xốp có và không có lớp phủ HA trên cơ thể thỏ. Chương 1. TỔNG QUAN - Giới thiệu về vật liệu cấy ghép kim loại. - Trình bày một số phương pháp xử lí bề mặt titan áp dụng cho y sinh - Giới thiệu các lớp phủ tương thích sinh học canxi photphat (Ca-P) - Giới thiệu về các lớp phủ tương thích sinh học trên cơ sở HA và các phương pháp điều chế và một số kết luận chương I. Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5 2.3. Chế tạo lớp phủ HA bằng phương pháp sol-gel 2.3.1. Chuẩn bị nền titan Vật liệu titan dạng tấm tinh khiết thương mại (Commercially Pure Grade 2) được cắt với đường kính ɸ 25,4 mm (để nghiên cứu độ bền bám dính theo tiêu chuẩn ASTM F1044-99 [91]) và ɸ 15 mm cho các nghiên cứu khác. 2.3.2. Quy trình chế tạo sol HA và FHA 2.3.2.1. Quy trình chế tạo sol HA Quy trình chế tạo sol HA được thể hiện trên sơ đồ hình 2.1 theo các bước sau: - Hòa tan 0,2 mol H3PO4 vào dung dịch 100 mL C2H5OH, 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 và dung dịch 2 vào nhau, thu được hỗn hợp, tiếp tục khuấy trộn hỗn hợp này trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng. -Thêm từ từ dung dịch NH4OH 1M vào hỗn hợp dung dịch trên và khuấy đều trong 3 giờ. - Ủ hỗn hợp trong tủ sấy ở nhiệt độ 40 0C trong vòng 72 giờ tạo thành sol HA. 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: 6 - 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) , 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 1M 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 40oC trong vòng 72 giờ tạo thành sol FHA. 2.3.3. Chế tạo lớp phủ HA và FHA lên nền vật liệu titan Sau khi chuẩn bị được sol HA và sol FHA tiến hành chế tạo lớp phủ HA lên nền vật liệu titan theo các bước: - Tiến hành phủ sol HA lên nền titan bằng phương pháp quét. - Quay li tâm để san phẳng bề mặt mẫu, sấy khô ở nhiệt độ 80 0C 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 0C. 7 Sau khi nung, các mẫu titan phủ HA và FHA được phân tích, đánh giá các đặc trưng tính chất. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp đánh giá các tính chất vật lý và cơ học + 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 2.2.2. Phương pháp điện hóa trong đánh giá tính chất ăn mòn 2.2.2.1. Phương pháp đo tổng trở Phổ tổng trở của các mẫu đo trong dung dịch SBF và được quét với tần số từ 10 kHz đến 10 mHz, biên độ điện thế 10 mV 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. 2.2.2.2. Phương pháp đo đường cong phân cực anot 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. Từ đường cong phân cực anốt có thể so sánh, đánh giá được khả năng chống ăn mòn của vật liệu titan phủ HA. 2.2.3. Các phương pháp đánh giá khả năng tương thích sinh học 2.2.3.1. Đánh giá thử nghiệm in-vitro Khả năng tương thích sinh học của mẫu titan phủ HA và FHA 8 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 0C ± 1 0C và pH khoảng 7,2 - 7,3. Các mẫu titan phủ HA và FHA có kích thước ϕ15 mm x 2 mm được ngâm trong 200 mL dung dịch SBF. 2.2.3.2. Đánh giá thử nghiệm vivo Đối tượng nghiên cứu là 6 cá thể thỏ khỏe mạnh được đặt nẹp vít bằng vật liệu titan xốp có và không có lớp phủ HA vào xương đùi. Sau cấy ghép 3 tháng tiến hành đánh giá các chỉ số: - Đánh giá tình trạng tại chỗ vết mổ - Các chỉ số huyết học: phân tích các chỉ số về hồng cầu, Hb, bạch cầu, tiểu cầu. - Hình ảnh đại thể về xương và vật liệu cấy ghép. Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ HA bằng phương pháp sol-gel 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 Dung dịch NH4OH 1M được thêm vào hỗn hợp Sol HA để thay đổi khoảng pH từ 3 đến 9. Từ giản đồ nhiễu xạ tia X (Hình 3.1), nhận thấy ở pH= 3, đã xuất hiện các pic đặc trưng của HA. 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. 9 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X với sự thay đổi pH của Sol 3.1.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến độ nhớt của sol Độ nhớt của các sol HA tại các giá trị pH= 3, 5, 7 và 9 đã được nghiên cứu qua thông số độ nhớt tương đối ηtđ. 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. Sự có mặt của NH4OH góp phần cải thiện hiệu suất của phản ứng polyme hóa, làm tăng chuỗi liên kết [- Ca-O-P], và dẫn đến tăng quá trình cô đặc do vậy độ nhớt của dung dịch Sol tăng lên. Hơn nữa, sự hình thành chuỗi liên kết (-Ca-O-P-) tăng lên làm cho khối lượng phân tử của hạt keo tăng lên do đó độ nhớt của sol tăng lên. Tuy nhiên, với pH=9, dung dịch Sol có độ sánh sệt lớn, gây khó khăn cho việc phủ mẫu. Ở pH=7, độ nhớt của dung dịch Sol là 5,13. Với độ nhớt này quá trình phủ mẫu có thể tiến hành dễ dàng. 10 3.1.1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến cấu trúc bề mặt của lớp phủ Trong các nghiên cứu ban đầu về lớp phủ HA trên nền titan, các Sol HA với pH từ 3 - 9 được phủ lên kim loại nền titan và được nung tại nhiệt độ 800 0C với thời gian nung 1 giờ. Hình thái học bề mặt của các mẫu được chụp ảnh SEM (hình 3.3). Hình 3.3. Hình thái bề mặt của các lớp phủ HA với pH của sol thay đổi. Với pH=7 tính chất của sol đã được cải thiện, dễ dàng trong việc phủ mẫu và lớp phủ có độ đồng đều cao nhất. Do đó, pH của dung dịch sol bằng 7 được chọn để tiến hành chế tạo lớp phủ HA trong các nghiên cứu tiếp theo. 3.1.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến sự phân hủy của sol HA Trong khoảng nhiệt độ 536,36 0C trở lên đến 1000 0C, mẫu hầu như không có sự thay đổi khối lượng. Điều này cho thấy quá trình 11 tạo ra HA đã kết thúc hoàn toàn. Từ giản đồ DTA và TGA cho thấy nhiệt độ nung thích hợp của quá trình tạo lớp phủ HA bằng phương pháp sol - gel cần lớn hơn 500 0C. Hình 3.4. Giản đồ DTA và TGA của sol HA 3.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ chế tạo đến tính chất của lớp phủ HA trên nền vật liệu titan 3.1.2.1. Xác định chiều dày của lớp phủ HA Các mẫu titan đã được phủ với số lớp từ 5 đến 7 lớp Sol. Chiều dày thực tế của các lớp HA được đo trên ảnh SEM được so sánh với chiều dày tính toán theo lí thuyết như chỉ ra trên bảng 3.2 cho thấy sự chênh lệch giữa hai phương pháp đo là không đáng kể. Bảng 3.2. Chiều dày trung bình của lớp phủ HA theo số lớp phủ sol Số lớp phủ Chiều dày trung bình (µm) Tính toán Thực tế 5 lớp 15 14,6 6 lớp 18 19,4 7 lớp 21 21,0 12 Trong nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi cố định chiều dày từ 14 - 15 µm để thực hiện đánh giá các đặc trưng tính chất của các lớp phủ. 3.1.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nung đến tính chất của lớp phủ HA a. Ảnh hưởng của chế độ nung đến cấu trúc của lớp phủ Trên hình 3.6, hình thái bề mặt của Ti phủ HA với nhiệt độ nung thay đổi từ 500 0C – 900 0C được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét với độ phóng đại 5000 lần. Hình 3.6. Hình thái bề mặt của lớp phủ HA trên Ti theo nhiệt độ nung Trong khoảng nhiệt độ từ 500 0C đến 700 0C, trên bề mặt của lớp phủ HA vẫn tồn tại các hạt dạng hình cầu, chúng kết tụ thành từng đám tạo nên bề mặt không đồng đều, thô và xốp. Nhiệt độ nung tăng làm tăng kết dính của các hạt HA. Tại 900 0C, bề mặt mẫu 13 không còn những đám hạt kết tụ rời rạc và các hạt HA kết tinh với một hình thái khác biệt hoàn toàn so với các mẫu ở nhiệt độ nung khác. Hình 3.10 có thể quan sát thấy một cấu trúc 2 lớp được hình thành trên bề mặt nền Ti bao gồm: lớp TiO2 ở trong và lớp HA ở ngoài và được chứng minh bằng kết quả phân tích EDS như trên bảng 3.3. Hình 3.10. Ảnh SEM trên mặt cắt ngang của mẫu. Bảng 3.3. Thành phần hóa học của lớp phủ Vị trí % nguyên tố C O Ca P Ti ¤1 12,13 43,3 25,53 15,91 3,13 ¤2 6,86 34,69 0,18 0,01 58,26 Hình thái học bề mặt của các lớp phủ HA chế tạo ở nhiệt độ nung 900 0C với thời gian nung thay đổi từ 1 giờ đến 8 giờ thể hiện trên hình 3.12 cho thấy khi thời gian nung tăng lên, sự nóng chảy và sự dính kết của các hạt HA tăng lên. Tuy nhiên, trên bề mặt các mẫu 14 xuất hiện các vết nứt và kích thước của các vết nứt lớn xảy ra tại mẫu nung trong 6 giờ và 8 giờ. Hình 3.12. Ảnh vi nứt trên bề mặt của các lớp phủ HA theo thời gian nung b. Ảnh hưởng của chế độ nung đến thành phần pha của lớp phủ Hình 3.13.Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu HA theo nhiệt độ nung 15 Hình 3.14. Giản đồ nhiễu xạ tia X của lớp HA với sự thay đổi thời gian nung Như vậy, nhiệt độ nung ảnh hưởng lớn đến sự tạo thành pha HA và sự ôxy hóa nền titan. Khi tăng nhiệt độ nung đến 900 0C thì cường độ các pic HA là lớn nhất. Trong khi, kéo dài thời gian nung sẽ làm cho cường độ pic của TiO2 tăng lên. c. Ảnh hưởng của chế độ nung đến độ bền bám dính của lớp phủ Hình 3.15. Độ bền bám dính của các lớp HA với nhiệt độ nung thay đổi 16 Hình 3.16. Độ bền bám dính của các lớp HA với thời gian nung thay đổi Các mẫu được đo độ bền bám dính bằng phương pháp kéo đứt (pull-out) theo tiêu chuẩn ASTM F1044-99. Hình 3.15 chỉ ra rằng, lực bám dính của lớp phủ tăng lên rõ rệt theo nhiệt độ nung. Tại nhiệt độ nung 900 0 C và thời gian nung 4 giờ, lớp phủ HA có độ bền bám dính cao nhất. d. Ảnh hưởng của chế độ nung đến khả năng chống ăn mòn Hình 3.17. Đường cong phân cực anốt của HA/Ti trong dung dịch Ringer 17 Hình 3.18. Đường cong phân cực anốt của HA/Ti trong dung dịch Ringer Bảng 3.4. Thông số điện hóa của các mẫu với nhiệt độ nung thay đổi Kí hiệu mẫu icorr(µA/cm2) Ecorr(mV) Ti pure 9,84 319 Ti-HA 500 0C 3,93 304 Ti-HA 600 0C 3,09 288 Ti-HA 700 0C 2,39 382 Ti-HA 800 0C 2,25 402 Ti-HA 900 0C 1,09 445 Bảng 3.5. Thông số điện hóa của các mẫu với thời gian nung thay đổi Kí hiệu mẫu icorr(µA/cm2) Ecorr(mV)/ SHE HA 1h 3,93 390 HA 2h 2,27 405 HA 4h 1,09 445 HA 6h 5,35 407 18 HA 8h 6,02 365 Như vậy, lớp phủ HA đã giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn của vật liệu HA/Ti đáng kể, trong đó các mẫu nung ở khoảng nhiệt độ 900 0C và thời gian nung là 4 giờ có khả năng chống ăn mòn tốt nhất. 3.1.3. Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính của lớp phủ HA 3.1.3.1. Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính của lớp phủ HA bằng cách tạo lớp TiO2 trung gian Hình 3.26. Độ bền bám dính của lớp phủ HA trên nền titan sau khi đã anốt hóa Lớp phủ HA trên mẫu anốt hóa với điện thế 40 V có lực bám dính cao nhất, gấp hơn 2 lần so với lớp phủ khi không xử lí anốt hóa và đạt giá trị tới 17,84 MPa. 3.1.3.2. Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính bằng nền titan xốp Độ bám dính của lớp phủ HA trên titan xốp được đạt được giá trị là 28,5 MPa. Như vậy, độ bền bám dính của lớp phủ HA trên nền titan xốp tăng đến hơn 3 lần so với titan thường khi chưa xử lí bề mặt và tăng đến 1,6 lần khi phủ lên nền titan sau khi đã được anốt hóa. 19 3.1.3.3. Nghiên cứu nâng cao độ bền bám dính bằng lớp FHA So với lớp phủ HA thì các lớp phủ FHA có độ bám dính tăng lên rõ rệt. Trong đó lớp phủ FHA1 có độ bám dính tốt nhất với lực bám dính 15,72 MPa. 3.2. Đánh giá khả năng tương thích sinh học của vật liệu 3.2.1. Nghiên cứu in-vitro 3.2.1.1. Nghiên cứu sự hình thành màng apatit trong thử nghiệm in- vitro Phổ tổng trở Nyquits của các mẫu theo thời gian ngâm đều có dạng 2 cung bán nguyệt chưa hoàn chỉnh ( hình 3.38). Trong đó, một cung bán nguyệt thứ nhất với đường kính nhỏ và một cung bán nguyệt thứ 2 có đường kính tăng theo thời gian ngâm mẫu. Sự hình thành lớp apatit mới trên bề mặt lớp phủ theo thời gian ngâm mẫu được xác nhận bằng ảnh SEM (hình 3.43) và phân tích EDS. Sau 21 ngày, những hạt nhỏ li ti dày đặc được kết tinh trên bề mặt lớp phủ. Hình 3.38. Phổ tổng trở Nyquits của vật liệu phủ HA trong dung 20 dịch SBF theo thời gian. Hình 3.43. Ảnh SEM các của các HA mẫu trước và sau khi thử nghiệm in-vitro 3.2.1.2. Sự thay đổi thành phần dung dịch SBF sau thử nghiệm in- vitro Bảng 3.10. Sự thay đổi thành phần dung dịch SBF trước và sau thử nghiệm in-vitro sau 21 ngày ngâm mẫu STT Chỉ tiêu SBF (mg/L) SBF/HA (mg/L) SBF/FHA (mg/L) 1 Ca 49,5000 39,9000 38,6000 2 Cd <0,0002 <0,0002 <0,0002 3 Pb 0,0110 0,0020 0,0050 4 As 0,0030 <0,0010 <0,0010 5 Hg 0,0004 0,0002 <0,0002 6 Fe 0,1200 0,1650 0,1700 7 Ti 0,0130 0,0130 0,0130 8 PO4 25,0900 20,2500 23,5000 21 Như vậy, sau thử nghiệm in-vitro 21 ngày, trong cả hai trường hợp phủ HA và FHA đều thể hiện khả năng tương thích sinh học tốt. 3.2.1.3.Sự hao hụt khối lượng sau khi thử nghiệm in-vitro Bảng 3.11. Sự hao hụt khối lượng sau khi thử nghiệm in-vitro STT Mẫu mtr(g) ms(g) Δm=mtr- ms (g) Tốc độ hòa tan (g/ngày) 2 HA 1,6695 1,6693 2.10-4 0,95.10-3 3 FHA 1,6993 1,6992 1.10-4 0,47. 10-3 Sự hao hụt khối lượng của các mẫu sau khi thử nghiệm không đáng kể. 3.2.2. Nghiên cứu in vivo 3.2.2.1. Đánh giá tình trạng tại chỗ vết mổ Sau phẫu thuật, toàn bộ 6 cá thể thỏ đều tỉnh táo, tỷ lệ sống sót là 100%. Không có hiện tượng chảy máu, chảy dịch từ vết mổ. Mép vết mổ khít, tổ chức dưới da không bị căng phồng, tràn dịch, tràn khí. 3.2.2.2. Các chỉ số huyết học trước và sau phẫu thuật Các tế bào ở máu ngoại vi hoàn toàn bình thường ở thời điểm sau phẫu thuật 1 tháng. 3.2.2.3. Đánh giá hình ảnh đại thể vị trí ghép trên thỏ sau cấy ghép vật liệu kết xương Sau 3 tháng, vùng thân xương mật độ các tế bào xương phát triển, cốt bào vây quanh các lá xương. Vùng quanh chỗ tiếp xúc có sự xuất hiện của rất nhiều cốt bào, hình thành tế bào quanh vị trí cấy ghép. Với mẫu không phủ HA thì ở khoảng giữa của nẹp vít và ốc vít chưa có sự hiện diện của lớp tế bào xương mới. Trong khi đó với mẫu phủ 22 lớp HA, đã có sự xuất hiện của lớp xương mới ở khoảng giữa của nẹp và ốc vít và lớp xương mới mọc lên có chiều dày đến 115 µm. Hình 3.50. Ảnh hiển vi quang học qua mặt cắt ngang của các mẫu nẹp vít sau 3 tháng thử nghiệm vivo KẾT LUẬN 1. Bằng phương pháp sol-gel sử dụng tiền chất H3PO4, lớp phủ HA trên nền titan đã được nghiên cứu chế tạo và ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến tính chất của lớp phủ cũng đã được đánh giá. Một quy trình chế tạo lớp phủ HA và FHA trên nền titan có khả năng tương thích sinh học cao đã được đề xuất với các thông số cơ bản như sau: pH của sol bằng 7, số lớp quét là 5 lớp, nhiệt độ nung 900 0C, thời gian nung 4 giờ. 2. Độ bền bám dính của lớp phủ HA đã được tiến hành nghiên cứu cải thiện bằng cách xử lý bề mặt nền titan và sử dụng titan xốp. Với nền titan được xử lý anốt hóa điện hóa tạo lớp phủ TiO2 trung gian, độ bền bám dính của lớp phủ HA tăng đến 2 lần trong khi với nền titan xốp độ bền bám dính của lớp phủ tăng đến 3 lần. 3. Một kỹ thuật khác để cải thiện tính chất của lớp phủ HA bằng cách thay đổi thành phần hóa học tạo ra lớp phủ FHA cũng đã được nghiên cứu sử dụng. Kết quả chỉ ra độ bền bám dính của lớp 23 phủ FHA tăng gần 2 lần so với lớp phủ HA trong khi vẫn đảm bảo được độ ổn định hóa học và khả năng tương thích sinh học cao. 4. Trong các thử nghiệm đánh giá khả năng tương thích sinh học, các thử nghiệm in-vitro cho thấy lớp phủ HA có khả năng chống ăn mòn và khả năng tương thích sinh học tốt trong môi trường dịch giả cơ thể người SBF trong khi các thử nghiệm in-vivo cho thấy, lớp phủ HA kích thích sự mọc xương và không gây ra viêm nhiễm hoặc xơ hóa mô cơ và mô xương. 5. Các nghiên cứu và thử nghiệm cho thấy lớp phủ HA được chế tạo bằng phương pháp sol-gel có khả năng tương thích sinh học cao và mở ra khả năng phát triển để áp dụng thực tiễn trong kỹ thuật chỉnh hình tại Việt Nam. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN  Về khoa học:  Mối quan hệ của các thông số công nghệ và tính năng của vật liệu đã được nghiên cứu tỷ mỉ, từ đó làm sáng tỏ các kết quả nghiên cứu và đưa ra quy trình chế tạo HA và FHA với các thông số cơ bản.  Đã nghiên cứu nâng cao chất lượng lớp phủ bằng cách chế tạo lớp phủ TiO2 trung gian, Ti xốp và lớp FHA.  Thử nghiệm in-vivo, in-vitro có kết quả tốt là bước đầu thuận lợi cho việc nghiên cứu ứng dụng thực tiễn sau này.  Về mặt ứng dụng: Đã xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ HA, FHA bằng phương pháp sol-gel trên nền titan có khả năng tương thích sinh học cao bằng các thử nghiệm in-vitro và in-vivo. 24 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 1.Ngo Thi Anh Tuyet, Nguyen Ngoc Phong, Pham Thy San, Doan Dinh Phuong. Study on anodization process of titanium substrate for improvement of biocompatible hydroxyapatite coating properties, Tạp chí Khoa học và công nghệ 53,1A, 2015, 1-9 2.Ngo Thi Anh Tuyet, Nguyen Ngoc Phong, Pham Thy San, Do Chi Linh, Fabrication and characterization of biocompatible hydroxyapatite (HA) coating on Titanium substrate by sol-gel method. Tạp chí Hóa học ISSN 0866-714, Tập 55, số 5e12, 2017, 410-414. 3.Ngo Thi Anh Tuyet, Nguyen Ngoc Phong, Pham Thy San, Do Chi Linh. Characterization of fluoridated hydroxyapatite (FHA) sol-gel coating on titanium substrate. Tạp chí Khoa học và công nghệ 55, 5B, 2017, 40-46. 4.Ngo Thi Anh Tuyet, Tran Viet Quan, Nguyen Ngoc Phong, Do Chi Linh. Preparation of biocompatible Hydroxyapatite (HA) coating on Titanium substrate by Sol-gel method, proceeding of The 7th International Workshop on advanced materials science and nanotechnology 2014. 5.Ngo Thi Anh Tuyet, Doan Dinh Phuong, Nguyen Van Luan, Nguyen Ngoc Phong, Pham Thy San. Evaluation of biocompatible of Hydroxyapatite Coatings on Porous Titanium substrate prepared by Sol-Gel method. Proceeding of The 5th Asian materials data symposium, 2016, 205-215