tổng hợp và đặc trưng màng hydroxyapatit pha tạp một số nguyên tố vi lượng trên nền thép không gỉ 316L định hướng ứng dụng làm nẹp vít xương

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ

CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

VÕ THỊ HẠNH

TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƢNG MÀNG HYDROXYAPATIT PHA

TẠP MỘT SỐ NGUYÊN TỐ VI LƢỢNG TRÊN NỀN THÉP KHÔNG

GỈ 316L ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG LÀM NẸP VÍT XƢƠNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2018

ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ

CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

VÕ THỊ HẠNH

TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƢNG MÀNG HYDROXYAPATIT PHA TẠP

MỘT SỐ NGUYÊN TỐ VI LƢỢNG TRÊN NỀN THÉP KHÔNG GỈ

316L ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG LÀM NẸP VÍT XƢƠNG

LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÓA HỌC

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết & Hóa lý

Mã số: 62440119

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Đinh Thị Mai Thanh

iii

Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,

kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được tác giả nào công bố trong

bất kỳ một công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.

iv

LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa

học và Công nghệ Việt Nam. Trong quá trình nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã nhận

được nhiều sự giúp đỡ quý báu của các thầy cô, những nhà khoa học trong và ngoài

nước cũng như các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và kính trọng nhất tới PGS.TS Đinh Thị

Mai Thanh, người thầy đã tận tâm hướng dẫn khoa học, khích lệ, động viên và tạo

mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian tôi làm luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Kỹ thuật nhiệt đới cùng tập thể

cán bộ của Viện, đặc biệt là các cán bộ Phòng Ăn mòn và Bảo vệ kim loại đã quan

tâm giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và

nghiên cứu tại Viện.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới nhóm nghiên cứu của TS. Cấn Văn

Mão (Học viện Quân Y 103) đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành các

nghiên cứu về thử nghiệm tế bào, thử nghiện invivo.

Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS. Ghislaine Bertrand, TS.Christophe Drouet

và nhóm nghiên cứu BBP của trung tâm CIRIMAT – Đại học Toulouse Pháp

đã tận tình giúp đỡ, chia sẻ kiến thức chuyên môn và hướng dẫn tôi sử dụng các

thiết bị nghiên cứu hiện đại trong 2 tháng thực tập đầy ý nghĩa và bổ ích tại đây.

Nhân dịp này, tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo và đồng nghiệp

của tôi tại Bộ môn Hóa học – Khoa Khoa học cơ bản, tới Phòng Tổ chức cán bộ và

Ban Giám hiệu Trường Đại học Mỏ – Địa chất đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi

cho tôi trong suốt thời gian làm luận án.

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới Gia

đình, bố mẹ hai bên nội ngoại, các anh chị, đặc biệt là chồng và hai con đã luôn ở

bên quan tâm, khích lệ, động viên và chia sẻ tôi trong suốt quá trình làm luận án.

Xin chân thành cảm ơn!

Nghiên cứu sinh

Võ Thị Hạnh

v

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC BẢNG xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xv

MỞ ĐẦU 1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1. Tính chất của HAp 4

1.1.1. Tính chất vật lý 4

1.1.2. Tính chất hóa học 5

1.1.3. Tính chất sinh học 6

1.2. Các phương pháp tổng hợp HAp 6

1.2.1. Dạng bột 6

1.2.2. Dạng xốp và gốm xốp 7

1.2.3. Dạng compozit 7

1.2.4. Dạng màng 7

1.3. Tính chất và các phương pháp tổng hợp HAp pha tạp 9

1.3.1. Pha tạp natri 9

1.3.2. Pha tạp magiê 9

1.3.3. Pha tạp stronti 10

1.3.4. Pha tạp flo 11

1.3.5. Pha tạp đồng 12

1.3.6. Pha tạp bạc 12

1.3.7. Pha tạp kẽm 12

1.4. Thử nghiệm hoạt tính sinh học của HAp 13

1.4.1. Thử nghiệm in vitro 13

1.4.1.1. Trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người 14

1.4.1.2. Trong dung dịch Ringer và dung dịch muối sinh lý 14

1.4.1.3. Thử nghiệm tế bào 15

vi

1.4.2. Thử nghiệm in vivo 15

1.5. Ứng dụng của HAp và HAp pha tạp 16

1.5.1. Làm thuốc bổ sung canxi 17

1.5.2. Làm các bộ phận để cấy ghép vào cơ thể 17

1.5.2.1. Làm răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng 17

1.5.2.2. Làm mắt giả 18

1.5.2.3. Làm vật liệu thay thế và sửa chữa những khuyết tật của xương 18

1.6. Tình hình nghiên cứu HAp ở trong nước 19

CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1. Hóa chất và điều kiện thực nghiệm 22

2.1.1. Hóa chất 22

2.1.2. Vật liệu nền 22

2.1.3. Tổng hợp màng HAp pha tạp bằng phương pháp điện hóa 22

2.1.3.1. Hệ điện hóa 22

2.1.3.2. Tổng hợp màng HAp pha tạp natri 22

2.1.3.3. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp magiê, stronti hoặc flo 23

2.1.3.4. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp magiê, stronti và flo 23

2.1.4. Pha tạp một số nguyên tố vào màng NaHAp bằng phương pháp trao đổi ion 24

2.1.4.1. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp nguyên tố đồng, bạc hoặc kẽm 24

2.1.4.2. Tổng hợp màng NaHAp pha tạp nguyên tố đồng, bạc và kẽm 24

2.1.5. Tổng hợp màng HAp pha tạp 7 nguyên tố magiê, stronti, flo, natri, đồng,

bạc và kẽm 24

2.2. Các phương pháp nghiên cứu 25

2.2.1. Các phương pháp điện hóa 25

2.2.1.1. Phương pháp quét thế động 25

2.2.1.2. Đo điện thế mạch hở theo thời gian 25

2.2.1.2. Tổng trở điện hóa 25

vii

2.2.2. Phương pháp trao đổi ion 26

2.2.3. Các phương pháp xác định thành phần và cấu trúc 26

2.2.3.1. Phổ hồng ngoại 26

2.2.3.2. Nhiễu xạ tia X 26

2.2.3.3. Hiển vi điện tử quét 27

2.2.3.4. Hiển vi lực nguyên tử 27

2.2.3.5. Tán xạ năng lượng tia X 27

2.2.3.6. Quang phổ hấp thụ nguyên tử 28

2.2.3.7. Phổ khối lượng plasma cảm ứng 28

2.2.3.8. Phương pháp UV-VIS 28

2.2.4. Các phương pháp xác định tính chất cơ lý 28

2.2.4.1. Xác định khối lượng màng HAp 28

2.2.4.2. Xác định độ bám dính 29

2.2.4.3. Xác định chiều dày màng 29

2.2.4.4. Xác định nồng độ Ca2+ hòa tan 29

2.2.4.5. Xác định tổng nồng độ sắt hòa tan 29

2.2.5. Phương pháp thử nghiệm in vitro và in vivo 29

2.2.5.1. Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người 29

2.2.5.2. Thử nghiệm tế bào 30

2.2.5.3. Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn 31

2.2.5.4. Thử nghiệm in vivo 32

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

3.1. Tổng hợp và đặc trưng của màng HAp pha tạp 34

3.1.1. Tổng hợp màng HAp pha tạp bằng phương pháp điện hóa 34

3.1.1.1. Màng HAp pha tạp natri 34

3.1.1.2. Màng NaHAp pha tạp magiê, stronti hoặc flo 44

3.1.1.3. Màng NaHAp pha tạp magiê, stronti và flo 53

viii

3.1.2. Pha tạp một số nguyên tố vào màng NaHAp bằng phương pháp trao đổi ion 63

3.1.2.1. Màng NaHAp pha tạp đồng, bạc hoặc kẽm 63

3.1.2.2. Màng NaHAp pha tạp đồng, bạc và kẽm 69

3.1.3. Màng HAp pha tạp 7 nguyên tố magiê, sronti, flo, natri, đồng, bạc và kẽm 71

3.1.3.1. Thành phần 71

3.1.3.2. Phổ hồng ngoại 73

3.1.3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X 73

3.1.3.4. Hình ảnh SEM 74

3.1.3.5. Độ hòa tan 74

3.2. Thử nghiệm in vitro và in vivo 76

3.2.1. Thử nghiệm in vitro 76

3.2.1.1. Trong dung dịch mô phỏng dịch thể người 76

3.2.1.2. Thử nghiệm tế bào 82

3.2.1.3. Thử nghiệm khả năng kháng khuẩn 84

3.2.2. Thử nghiệm in vivo trên chó 85

3.2.2.1. Kết quả cấy vật liệu vào tổ chức cơ 85

3.2.2.2. Kết quả về ghép vật liệu vào xương 90

KẾT LUẬN CHUNG 99

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 101

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

a, b, c Giá trị hằng số mạng, [Ǻ]

AgNaHAp Hydroxyapatit pha tạp bạc và natri

AZ31 Hợp kim của Magiê

B Độ rộng của pic tại nửa chiều cao của pic đặc trưng

trong giản đồ Xray, [rad]

BK Bán kính vòng ức chế vi sinh vật, [mm]

CuAgZnNaHAp Hydroxyapatit pha tạp đồng thời natri, đồng, bạc và kẽm

C Nồng độ, [mol/L]

Co Nồng độ ban đầu, [mol/L]

CuFHAp Hydroxyapatit pha tạp đồng và flo

CuNaHAp Hydroxyapatit pha tạp đồng và natri

D Kích thước tinh thể tính theo phương trình Scherrer, nm

d Khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể, [Ǻ]

dE/dt Sự biến đổi điện thế theo thời gian

DF Dung dịch để tổng hợp màng FHAp

ĐNaHAp Natri hydroxyapatit pha tạp magiê hoặc stronti hoặc flo

DMg Dung dịch để tổng hợp màng MgHAp

DMgSrFNa Dung dịch để tổng hợp màng MgSrFNaHAp

DNa Dung dịch để tổng hợp màng NaHAp

DSr Dung dịch để tổng hợp màng SrHAp

Ecorr Điện thế ăn mòn, [V]

EDHA Màng hydroxyapatit tổng hợp bằng phương pháp điện

hóa

Eocp, Eo Điện thế mạch hở, [V]

FA0Mg, FA5Mg và

FA10Mg

Hydroxyapatit pha tạp flo và magiê, (Ca10-xMgx(PO4)6F2

tương với x có giá trị lần lượt là 0; 0,5 và 1

FA0Mg/TKG316L,

FA10Mg/TKG316L

Vật liệu hydroxyapatit pha tạp flo và magiê (Ca10-

xMgx(PO4)6F2 tương với x có giá trị lần lượt là 0 và 1)

phủ trên nền thép không gỉ 316L

x

FNaHAp Hydroxyapatit pha tạp flo và natri

HAp Hydroxyapatit

HAp/AZ31 Vật liệu màng hydroxyapatit phủ trên nền hợp kim của

magiê

HApđt Hydroxyapatit pha tạo đồng thời 7 nguyên tố: magiê,

stronti, flo, natri, đồng, bạc và kẽm

HApđt/TKG316L Màng hydroxyapaptit pha tạp 7 nguyên tố (magiê,

stronti, flo, natri, đồng, bạc, kẽm) phủ trên nền thép

không gỉ 316L

h Hiệu quả bảo vệ cho nền [%]

icorr Mật độ dòng ăn mòn, [µA/cm2

]

icorr,vln Mật độ dòng ăn mòn của vật liệu nền

LK Đường kính lỗ khoan thạch, [mm]

M Nguyên tố đồng/bạc/kẽm

m Khối lượng màng, [g]

MC3T3-E1 Tế bào tạo xương

MgFHAp Hydroxyapatit pha tạp magiê và flo

MgNaHAp Hydroxyapatit pha tạp magiê và natri

MgSrFNaHAp Hydroxyapatit pha tạp đồng thời magiê, stronti, flo và

natri

MgSrFNaHAp/TKG316L Hydroxyapatit pha tạp đồng thời magiê, stronti, flo,

natri phủ trên nền thép không gỉ 316L

MNaHAp Natri hydroxyapatit pha tạp đồng hoặc bạc hoặc kẽm

n số nguyên tử

NaHAp Hydroxyapatit pha tạp natri

NaHAp/TKG316L Màng natri hydroxyapaptit phủ trên nền thép không gỉ

316L

PLA/HAp Compozit của polyaxit lactic và hydroxyapaptit

PSHA Màng hydroxyapatit tổng hợp bằng phương pháp phun

Plasma

q Dung lượng trao đổi ion, [mmol/g]

xi

Ra Thông số độ nhám bề mặt, [nm]

SrFHAp Hydroxyapatit pha tạp stronti và flo

SrNaHAp Hydroxyapatit pha tạp stronti và natri

V Thể tích dung dịch, [L]

V/SCE Đơn vị điện thế so với điện cực calomen

VK Đường kính vòng vô khuẩn, [mm]

ǀZǀ Mođun tổng trở, [kΩ.cm2]

ZnFHAp Hydroxyapatit pha tạp kẽm và flo

ZnNaHAp Hydroxyapatit pha tạp kẽm và natri

Chữ viết tắt

AAS Phương pháp hấp thụ nguyên tử (Atomic Absorption

Spectrophotometric)

AFM Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope)

ASTM Hiệp hội Thí nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (American

Society for Testing and Materials)

DCPD Đicanxi photphat đi hydrat, CaHPO4.2H2O

EDX Tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray

spectroscopy)

ICP-MS Phổ khối lượng plasma cảm ứng (Inductively-Coupled

Plasma - Mass Spectrometry)

IR Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy)

MTT 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium

bromide

LB Lysogeny Broth, là môi trường nuôi cấy vi sinh

PVA Poly vinyl ancol

OCP Octacanxi photphat, Ca8(PO4)4(HPO4)2.5H2O

OD Mật độ quang học (Optical Density)

RE Điện cực so sánh (Reference Electrode)

SBF Dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (Simulated

Body Fluid)

xii

SCE Điện cực calomen bão hòa (Saturated Calomen

Electrode)

SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron

Microscope)

TCP Tricanxi photphat, Ca3(PO4)2

TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission

Electron Microscope)

TKG316L Thép không gỉ 316L

TMB 3,3’,5,5’ – tetramethylbenzidine

XRD Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction)

xiii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Thành phần dung dịch tổng hợp màng ĐNaHAp 23

Bảng 2.2. Nồng độ ban đầu M(NO3)n được khảo sát 24

Bảng 2.3. Thành phần của dung dịch SBF 30

Bảng 3.1. Kết quả AAS của NaHAp tổng hợp khi thay đổi nồng độ NaNO3 35

Bảng 3.2. Giá trị khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể và các hằng số

mạng của màng NaHAp so với HAp [107]

37

Bảng 3.3. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, độ bám dính và chiều dày của

màng NaHAp tổng hợp trong dung dịch DNa2 ở khoảng quét thế

khác nhau

38

Bảng 3.4. Sự biến đổi khối lượng và chiều dày màng NaHAp khi thay đổi pH 41

Bảng 3.5. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, độ bám dính và chiều dày của

màng khi thay đổi số lần quét

42

Bảng 3.6. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, độ bám dính và chiều dày của

màng NaHAp tổng hợp với tốc độ quét thế khác nhau

44

Bảng 3.7. Hàm lượng % của các nguyên tố trong màng ĐNaHAp tạo ra trong

các dung dịch khác nhau

46

Bảng 3.8. Tỉ lệ nguyên tử X/Ca, Y/P và công thức phân tử của màng ĐNaHAp 47

Bảng 3.9. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của

màng ĐNaHAp tổng hợp ở các khoảng quét thế khác nhau

48

Bảng 3.10. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của

màng ĐNaHAp tổng hợp với các số lần quét thế khác nhau

49

Bảng 3.11 Giá trị khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể d(002), d(211) và

hằng số mạng của màng ĐNaHAp so với HAp và màng NaHAp

51

Bảng 3.12 Sự biến đổi điện lượng, chiều dày và khối lượng màng

MgSrFNaHAp khi thay đổi khoảng quét thế

54

Bảng 3.13. Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của

màng MgSrFNaHAp tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau

56

Bảng 3.14 Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của

màng MgSrFNaHAp tổng hợp khi thay đổi số lần quét thế

57

Bảng 3.15 Sự biến đổi điện lượng, khối lượng, chiều dày và độ bám dính của 59