Luận văn Tổng hợp và những đặc trưng hóa lý vật liệu tổ hợp PLA/NANOHAp, định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương

Nội dung tài liệu: Luận văn Tổng hợp và những đặc trưng hóa lý vật liệu tổ hợp PLA/NANOHAp, định hướng ứng dụng trong cấy ghép xương

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- VŨ THỊ MY TỔNG HỢP VÀ NHỮNG ĐẶC TRƢNG HÓA LÝ VẬT LIỆU TỔ HỢP PLA/NANOHAp, ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẤY GHÉP XƢƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- VŨ THỊ MY TỔNG HỢP VÀ NHỮNG ĐẶC TRƢNG HÓA LÝ VẬT LIỆU TỔ HỢP PLA/NANOHAp, ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẤY GHÉP XƢƠNG Chuyên ngành: Hóa lý và Hóa lý thuyết Mã số: 60440119 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐINH THỊ MAI THANH Hà Nội – Năm 2014
3. LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, các thầy cô Viện kỹ thuật Nhiệt đới – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giảng dạy, cung cấp kiến thức khoa học, tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu trong thời gian qua. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh, chị và các bạn thuộc phòng Ăn mòn và bảo vệ kim loại – Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã tạo điều kiện về cơ sở, trang thiết bị phòng thí nghiệm và hỗ trợ về công nghệ, kỹ thuật thực nghiệm cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Đinh Thị Mai Thanh – Viện Kỹ thuật nhiệt đới, người đã không những hướng dẫn khoa học mà còn tận tình dạy bảo, truyền cho tôi niềm đam mê, sự nghiên túc trong công việc nghiên cứu khoa học và trong cuộc sống. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS. Hồ Thu Hương, ThS. Nguyễn Thu Phương, NCS. Phạm Thị Năm và các bạn học viên cao học, các bạn sinh viên đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện về vật chất, tinh thần và luôn động viên, khuyến khích tôi trong trong thời gian học tập và thực hiện luận văn này. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội,Ngày 16 tháng 12 năm 2013 Học viên Vũ Thị My
4. MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU.................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài.................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu............................................................................ 2 3. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.................................................................. 4 1.1. Hydroxyapatit.................................................................................. 4 1.1.1. Tính chất vật lý...................................................................... 4 1.1.2. Tính chất hóa học................................................................... 5 1.1.3. Tính chất sinh học.................................................................. 7 1.1.4. Các phương pháp tổng hợp HAp............................................ 8 1.1.5. Ứng dụng của HAp............................................................... 9 1.1.6. Hydroxyapatit biến tính (HAp-bt) 10 1.2. Polyaxit lactic (PLA) ........... 11 1.2.1. Tính chất 11 1.2.2. Phương pháp tổng hợp........................................................... 13 1.2.3. Ứng dụng ........ 14 1.3. Vật liệu compozit trên cơ sở PLA.................................................. 14 1.3.1. Vật liệu compozit . 14 1.3.2. Các phương pháp tổng hợp.................................................... 17 1.3.3. Ứng dụng 19 1.4. Hoạt tính sinh học của compozit PLA/nanoHAp ..... 20 CHƢƠNG 2: ĐIỀU KIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM. 23 2.1. Hóa chất và điều kiện thực nghiệm .............................................. 23
5. 2.1.1. Hóa chất.................................................................................. 23 2.1.2. Tổng hợp HAp và HAp – bt................................................... 23 2.1.3. Tổng hợp nanocompozit PLA/HAp và PLA/HAp–bt............ 25 2.1.4. Thử nghiệm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người (SBF)........................................................................................................ 26 2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu........................................................ 28 2.2.1. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) . 28 2.2.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (EM) ... 28 2.2.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X ... 29 2.2.4. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA ... 29 2.2.5. Đo độ bền kéo, modun đàn hồi .. 30 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........ 31 3.1. Biến tính HAp bằng axit lactic ....... 31 3.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ HAp/LA . 31 3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 35 3.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng . 38 3.1.4. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy .. 39 3.1.5. Ảnh hưởng của chất xúc tác SnCl2 . 42 3.2. Tổng hợp và nghiên cứu tính chất vật liệu nanocompozit PLA/HAp bằng phƣơng pháp dung dịch . 44 3.2.1. Ảnh hưởng của dung môi 44 3.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ PLA:HAp .. 45 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng . 48 3.2.4. Ảnh hưởng của chất tương hợp ... 50 3.2.5. Vật liệu nanocompozit PLA/HAp-bt .. 53 3.3. Tổng hợp vật liệu nanocompozit PLA/HAp bằng phƣơng pháp
6. nhũ tƣơng in situ . 55 3.3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ HAp và PLA . 55 3.3.2. Ảnh hưởng của dung môi ... 58 3.3.3. Ảnh hưởng của tốc độ nhỏ giọt (thời gian phản ứng) 59 3.3.4. Ảnh hưởng của chất nhũ hoá .. 61 3.4. Thử nghiệm khả năng tƣơng thích sinh học của vật liệu PLA và nanocompozit PLA/HAp trong môi trƣờng dung dịch mô phỏng dịch cơ thể ngƣời SBF 64 3.4.1. Sự biến đổi pH của dung dịch ngâm và khối lượng mẫu ... 64 3.4.2. Hình thái bề mặt của vật liệu sau khi ngâm trong dung dịch SBF . . . 66 3.4.3. Thành phần pha của mẫu D trước và sau khi ngâm trong SBF . . . 68 KẾT LUẬN .. 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
7. DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2.1: Thành phần của 1lít dung dịch SBF .............. 27 Bảng 3.1: Trị số các dao động liên kết của các nhóm chức trong phân tử HAp, LA và HAp biến tính 32 Bảng 3.2: Kích thước trung bình của HAp và HAp biến tính tổng hợp ở tỷ lệ khác nhau 33 Bảng 3.3: Mất khối lượng (%) của các mẫu biến tính ở 800oC .......... 34 Bảng 3.4: Kích thước tinh thể của HAp và HAp biến tính ở thời gian phản ứng khác nhau ........................................ 37 Bảng 3.5: Kích thước trung bình của HAp biến tính ở nhiệt độ khác nhau . 39 Bảng 3.6: Kích thước trung bình của HAp biến tính với tốc độ khuấy khác nhau ....................................................... 42 Bảng 3.7: Trị số các dao động liên kết của các nhóm chức bị dịch chuyển trong HAp, PLA và vật liệu PLA/HAp .. 46 Bảng 3.8: Tần số một số nhóm liên kết đặc trưng trong PLA/HAp và PLA/HAp/PEO ........................................... 62 Bảng 3.9. Giá trị 2θ của HAp, PLA và PLA/HAp trước và sau 21 ngày ngâm trong dung dịch SBF . 69
8. DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1: Cấu trúc của HAp ... 4 Hình 1.2: Một số hình dạng khác nhau của HAp 5 Hình 1.3: Công thức cấu tạo của phân tử HAp ... 6 Hình 1.4: Hai dạng cấu hình của axit lactic 12 Hình 1.5: Hình ảnh liên kết của HAp và PLA (nét đứt) . 16 Hình 1.6: Ảnh EM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/nano - HAp với các độ phóng đại khác nhau . 17 Hình 1.7: Ảnh EM của vi cấu trúc khung compozit PLLA/HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF . 21 Hình 1.8: Phổ tán xạ của PLLA/HAp sau 7 ngày ngâm trong SBF .. 21 Hình 2.1: Sơ đồ quy trình tổng hợp HAp bằng phương pháp kết tủa......... 24 Hình 2.2: Sơ đồ tổng hợp compozit PLA/ nano HAp (HAp-bt) bằng phương pháp dung dịch .................. 26 Hình 3.1: Phổ IR của HAp, LA và các mẫu biến tính tỷ lệ HAp:LA khác 32 nhau............................................................................................. Hình 3.2: Ảnh EM của HAp và HAp biến tính........................................ 33 Hình 3.3: Giản đồ TGA của các mẫu biến tính với tỉ lệ HAp:LA khác nhau............................................................................................ 34 Hình 3.4: Phổ X-ray của HAp và HAp biến tính với tỉ lệ HAp:LA: 100/200....................................................................................... 35 Hình 3.5: Phổ IR của các HAp mẫu biến tính với thời gian khác nhau.. ... 36 Hình 3.6: Giản đồ TGA của các mẫu biến tính với thời gian khác nhau.... 37 Hình 3.7: Ảnh EM của HAp và HAp biến tính ở những thời gian phản ứng khác nhau............................................................................. 37 Hình 3.8: Phổ IR của các mẫu HAp biến tính ở nhiệt độ khác nhau.......... 38 Hình 3.9: Hình ảnh EM của các mẫu HAp biến tính ở nhiệt độ khác nhau...... ...................................................................................... 39
9. Hình 3.10: Phổ IR của các mẫu HAp biến tính ở các tốc độ khuấy khác nhau..... ....................................................................................... 40 Hình 3.11: Giản đồ TGA của các mẫu biến tính tại các tốc độ khuấy khác nhau. ........................................................................................... 41 Hình 3.12: Hình ảnh EM của mẫu HAp biến tính ở các tốc độ khuấy khác nhau.................................................................................... 41 Hình 3.13: Phổ IR của mẫu HAp biến tính có và không có SnCl2............... 42 Hình 3.14: Giản đồ TGA của HAp, HAp biến tính có và không có SnCl2.. 43 Hình 3.15: Hình ảnh EM của mẫu HAp biến tính không có xúc tác (a) và HAp biến tính có xúc tác SnCl2 (b)............................................ 43 Hình 3.16: Ảnh EM của nanocompozit PLA/HAp ở tỷ lệ 80/20 trong các dung môi: a) Cloroform; b) Điclorometan; c) Đimetylformamide...................................................................... 44 Hình 3.17: Đồ thị độ bền kéo và modun đàn hồi của vật liệu nanocompozit PLA/HAp tổng hợp bằng các dung môi khác nhau.. ......................................................................................... 45 Hình 3.18: Phổ IR của HAp, PLA và các compozit tổng hợp ở tỉ lệ HAp/PLA khác nhau trong DCM............................................... 46 Hình 3.19: Ảnh EM của nanocompozit PLA/HAp tổng hợp ở các tỷ lệ khác nhau........... ........................................................................ 47 Hình 3.20: Đồ thị biểu diễn độ bền kéo và modun đàn hồi của các mẫu nanocompozit tổng hợp ở các tỷ lệ khác nhau............................ 48 Hình 3.21: Phổ IR của mẫu tổng hợp trong thời gian phản ứng khác 49 nhau.......... .................................................................................. Hình 3.22: Hình ảnh EM của nanocompozit PLA/HAp với thời gian phản ứng khác nhau: a) 30 phút; b) 2 giờ; c) 4 giờ.................... 50 Hình 3.23: Ảnh EM của các mẫu vật liệu với các chất tương hợp không có chất ổn định (a); PCL (b) và PEG (c) ................ 51 Hình 3.24: Đồ thị biểu diễn độ bền kéo của các mẫu vật liệu với các chất
10. tương hợp khác nhau.................................................................. 52 Hình 3.25: Độ bền kéo của vật liệu nanocompozit PLA/HAp với hàm lượng PEG khác nhau................................................................. 52 Hình 3.26: Phổ IR của mẫu PLA/nano HAp – bt với các tỷ lệ khác nhau............................................................................................ 54 Hình 3.27: Ảnh EM của mẫu PLA/HAp: 80/20 (a), PLA/HAp – bt: 70/30 (b)và PLA/HAp – bt: 60/40 (c)......................................... 54 Hình 3.28: Đồ thị biểu diễn độ bền kéo của mẫu PLA/HAp: 80/20, PLA/HAp- bt: 70/30 và PLA/HAp – bt: 60/40........................... 55 Hình 3.29: Phổ hồng ngoại của HAp, PLA và vật liệu nanocompozit PLA/HAp tổng hợp các tỷ lệ khác nhau. .... 56 Hình 3.30: Ảnh EM của vật liệu nanocompozit tổng hợp ở các tỷ lệ PLA:HAp khác nhau 80/20(a); 70/30 (b), 60/40 (c) và 50/50 (d) 57 Hình 3.31: Đồ thị biểu diễn modun đàn hồi và độ bền kéo của vật liệu ở tỷ lệ PLA:HAp khác nhau........................................................... 57 Hình 3.32: Ảnh EM của vật liệu nanocompozit PLA/HAp: 80/20 tổng hợp trong các dung môi DCM (a,b); clorofom (c,d).................. 59 Hình 3.33: Phổ hồng ngoại cuả các mẫu PLA/nano HAp tổng hợp ở tốc độ nhỏ giọt khác nhau . 60 Hình 3.34: Ảnh EM của vật liệu nanocompozit PLA/HAp :80/20 tổng hợp ở tốc độ nhỏ giọt (NH4)2HPO4 khác nhau: (a) 3ml/phút; (b) 5ml/phút; (c) 10ml/phút........................................................ 60 Hình 3.35: Phổ hồng ngoại cuả các mẫu PLA/nanoHAp với hàm lượng PEO khác nhau........................................................................... 61 Hình 3.36: Ảnh EM của vật liệu nanocompozit PLA/HAp (80/20) với hàm lượng PEO 2,5%(a), 5%(b), 10%(c), 20%(d)..................... 62 Hình 3.37: Đồ thị biểu diễn modun đàn hồi và độ bền kéo của vật liệu ở tỷ lệ PEO khác nhau................................................................... 63 Hình 3.38: Sự biến đổi pH của dung dịch SBF theo thời gian ngâm các