MỤC LỤC
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN ...................................................................... 0
BÁO CÁO TỔNG KẾT ....................................................................................................... 1
MỤC LỤC ........................................................................................................................... 2
TÓM TẮT ............................................................................................................................ 4
ABSTRACT ......................................................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. 7
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... 8
PHẦN I: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ LUẬN GIẢI VIỆC ĐẶT RA
MỤC TIÊU, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU........................................................................... 9
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU Y SINH ................................................................................................... 9
1.1. Những yêu cầu cơ bản của vật liệu y sinh dùng trong cơ thể sống ........................................................................ 9
1.2. Các loại vật liệu cấy ghép trong cơ thể .................................................................................................................. 9
CHƯƠNG 2: HYDROXYAPATITE .......................................................................................................................... 14
2.1. Thành phần và cấu tạo .......................................................................................................................................... 14
2.2. Cấu trúc tinh thể HA ............................................................................................................................................ 14
2.3. Sự thay thế các ion trong cấu trúc HA ................................................................................................................. 16
2.4.Tính chất cơ học .................................................................................................................................................... 18
2.5. Độ hòa tan ............................................................................................................................................................ 18
2.6.Tương tác giữa bề mặt vật liệu cấy HA trong môi trường sinh học ...................................................................... 19
2.7.Các phương pháp tổng hợp hydroxyapatite ........................................................................................................... 20
2.8. Nung kết khối HA ................................................................................................................................................ 22
2.9. Ép nóng ................................................................................................................................................................ 22
2.10. Tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................................................................................... 22
2.11.Luận giải về việc đặt ra mục tiêu và những nội dung cần nghiên cứu ................................................................ 23
2.12. Cập nhật một số thông tin về nghiên cứu HA .................................................................................................... 23
Nội dung đăng ký ........................................................................................................................................................ 25

PHẦN II: BÁO CÁO KẾT QUẢ .................................................................................... 26
2

CHƯƠNG 3: TẠO BỘT HA ...................................................................................................................................... 26
3.1.Chọn nguyên liệu và kiểm tra nguyên liệu ............................................................................................................ 26
3.2. Khảo sát và lựa chọn phương pháp điều chế HA ................................................................................................. 27
3.3. Điều chế bột HA, kiểm tra: SEM, X-Ray, FT-IR ................................................................................................. 27
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ LỊ CĨ NHIỆT ĐỘ 1450 OC CĨ BỘ PHẬN ÉP NÓNG ................................................... 31
CHƯƠNG 5: KẾT KHỐI HA ..................................................................................................................................... 32
5.1.Khảo sát thời gian lưu nhiệt: ................................................................................................................................. 32
5.2. Khảo sát tính chất của mẫu theo nhiệt độ nung nhiệt độ nung 1000 – 1450 OC:.................................................. 33
CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ VÀ KếT LUậN Về KHả NĂNG Sử DụNG LÀM VậT LIệU .......................................... 40
6.1 Thí nghiệm in vitro kiểm tra hoạt tính sinh học HA trong SBF ............................................................................ 40
6.2. Thí nghiệm invitro kiểm tra tính tương thích sinh học ......................................................................................... 44

3


TĨM TẮT
Hydroxyapatite (HA) là vật liệu y sinh có hoạt tính sinh học phổ biến nhất. Có thể nghiên
cứu ứng dụng HA dạng bột hoặc dạng vật liệu nung kết khối. Trong đề tài này, chúng tôi đã tổng
hợp được bột HA có độ tinh khiết cao, kích thước hạt siêu mịn 20 - 60 nm. Bột HA sau đó được
nung ép nóng từ 900 – 13500C. Vật liệu nung kết khối có mật độ cao (xấp xỉ 98% mật độ lý
thuyết), các tiêu chí thỏa mãn ASTM 1185. Các tính chất cấu trúc của HA được kiểm tra bằng các
phương pháp hiện đại XRD, IR, SEM, TEM cho thấy sự tương đương với các vật liệu HA thương
mại của Nhật.
Hoạt tính sinh học của bột HA và HA kết khối bằng phương pháp ép nóng được kiểm tra
trong dung dịch SBF (solution body fluid). Các mẫu HA còn được thử độc tính với tế bào gốc của
mỡ người. Kết quả cho thấy bột HA và mẫu HA kết khối có hoạt tính sinh học tốt, có thể coi là
tương đương với mẫu thương mại của Nhật thử nghiệm trong cùng điều kiện.
Đề tài cũng tạo điều kiện thực hiện một luận văn tiến sĩ, một luận văn thạc sĩ và một số

luận văn kỹ sư ngành công nghệ vật liệu. Trên cơ sở các nghiên cứu này, một số bài báo đã được
cơng bố trong các Tạp chí và Hội nghị khoa học trong và ngoài nước.

4


ABSTRACT
Hydroxyapatite (HA) is a biomedical material with biological activity most popular. HA
can be used in form of powder or sintered material at high temperature. In this topic, we have
synthesized HA powder with high purity, ultra-fine particle size about 20 – 60 nm. Powder HA is
formed into cylinder and hot pressed at high temperature from 900 –13500C. Sintered materials
have high density (approximately 98% theoretical density), satisfying the criteria of ASTM 1185.
The structural properties of HA was examined by modern methods such as XRD, IR, SEM, TEM.
The results shows that the equivalent of the commercial materials HA made in Japanese.
The biological activity of HA powderand sintered HA (by hot pressing method) was tested
in SBF solution (solution body fluid). The HA samples also tested toxicity of human fat stem
cells. The results showed that HA powder and sintered HA samples have good biological activity,
can be considered the equivalent of Japan's commercial samples tested under the same conditions.
During the work done also facilitates implementing a doctoral dissertation, a master thesis
and somedissertation engineer materials technology. On the basis of these studies, a number of
articles have been published in magazines and scientific conferences at home and abroad.

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Một số tính chất của vật liệu cấy ghép kim loại [2] ........................................................ 10
Bảng1.2. Những ứng dụng y khoa của chất dẻo [2] ........................................................................ 10
Bảng 1.3. Cơ tính của chất dẻo sử dụng làm vật liệu y sinh [2]...................................................... 10
Bảng 1.4. Ứng dụng của ceramic trong lĩnh vực y sinh [2] ............................................................ 11

Bảng 1.5. Các vật liệu trên cơ sở calcium-phosphate [2] ................................................................ 12
Bảng 1.6. Tóm tắt tính chất vật lý một số calcium phosphate dùng làm vật liệu y sinh [3] ........... 13
Bảng 1.7. Độ hòa tan và pH ổn định của một số calcium phosphate dùng làm vật liệu y sinh [3] . 14
Bảng 2.1. Hằng số mạng của các khoáng apatite tự nhiên, y sinh, tổng hợp [4] ............................ 17
Bảng 2.2. Ảnh hưởng của một số ion thay thế các ion Ca2+, PO43-, OH- đến chất tinh thể và thông
số mạng apatite [4] .......................................................................................................................... 17
Bảng 2.3. Tính chất cơ học của ceramic HA và men răng [7] ........................................................ 18
Bảng 2.4. Các tiêu chuẩn của HA dùng trong cấy ghép [16] .......................................................... 21
Bảng 3.1.Kết quả phân tích các nguyên tố vi lượng trong nguyên liệu .......................................... 26
Bảng 3.2.Tham khảo thành phần nguyên tố cho phép của HA thương mại hãng Sigma Aldrich .. 26
Bảng 3.3. Ưu, nhược điểm của một số phương pháp tổng hợp HAp .............................................. 27
Bảng 3.4. Kiểm tra mẫu nước trước và sau hấp thủy nhiệt ............................................................. 28
Bảng 5.1. Kết quả phân tích hàm lượng kim loại nặng trong mẫu HA tổng hợp ........................... 35
Bảng 5.2. Hàm lượng % tinh thể HA tính theo phương pháp phân giải peak................................. 36

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2.2. Cấu trúc tinh thể của hydroxyapatite (HA) ..................................................................... 15
Hình 2.3. Phổ nhiễu xạ X-ray của HA ............................................................................................ 15
Hình 2.5. Thống kê số bài báo về HA và phương pháp tổng hợp HA từ 1999 – 2011 [28] ........... 24
Hình 3.1. Ảnh SEM bột HA tổng hợp bằng (a) phương pháp hấp thủy nhiệt, (b) phương pháp kết
tủa, (c) phương pháp sol-gel............................................................................................................ 27
Hình 3.2. Sơ đồ tổng hợp bột HA ................................................................................................... 28
Hình 3.3. Phổ chồng X-Ray mẫu bột HA trước và sau khi hấp thủy nhiệt ..................................... 29
Hình 3.5. Ảnh SEM và TEM của mẫu bột HA sau khi tổng hợp.................................................... 30
Hình 4.1. Mơ hình ép nóng HA ....................................................................................................... 31
Hình 5.1. Mẫu mộc sau khi ép ........................................................................................................ 32
Hình 5.2. Mẫu HA sau khi ép nóng 12000C với lực ép trên trục là 1 và 1,5Mpa ........................... 32

Hình 5.3. Sự thay đổi của khối lượng thể tích theo thời gian nung tại nhiệt độ 1000 OC ............... 33
Hình 5.4. Kết quả mật độ thể tích của các mẫu ép nóng từ 1000-13500C ...................................... 33
Hình 5.8. Phổ XRD mẫu nung ở 1000, 1100, 1150, 1200, 1250, 1300, 1350 0C. .......................... 35
Hình 5.9. Phân giải peak của mẫu HA nung 13500 ......................................................................... 36
Hình 5.10. Phổ FTIR mẫu nung ở 1000, 1100, 1150, 1200, 1250, 1300, 1350oC .......................... 37
Hình 5.11. Ảnh SEM mẫu HA kết khối các nhiệt độ 1100, 1200, 1250, 1300 và 1350 0C ........... 38
Hình 5.12. Phổ XRD của mẫu HA trước nung, HA nung và mẫu chuẩn HA sigma Aldrich. ........ 39
Hình5.13. Phổ FTIR của mẫu HA trước nung, HA nung và mẫu chuẩn HA sigma Aldrich. ......... 39
Hình 6.1. Phổ chồng XRD của HAbk và HANhật trước và sau khi ngâm BSF ................................. 40
Hình 6.2. Phổ chồng FT-IR của HABk và HANhật trước và sau khi ngâm SBF ............................... 41
Hình 6.6. Ảnh SEM bề mặt mẫu viên HABk ép nóng trước sau khi ngâm dung dịch ................... 43
Hình 6.7. Đường cong tăng trưởng của ADSC. .............................................................................. 45

7


LỜI CẢM ƠN
Trong q trình thực hiện đề tài, tơi đã nhận được rất nhiều giúp đỡ từ Quý cơ quan,
đơn vị cũng như các thành viên tham gia và các sinh viên .
Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ kinh phí, quản lý của Đại Học Quốc
Gia TPHCM, Trường ĐH Bách Khoa thuộc khuôn khổ đề tài mãsố B2012-20-09TĐđã
giúp nhóm hồn thành nội dung nghiên cứu này.
Xin cảm ơn Bộ mơn Silicat, phịng KHCN&DA, các thành viên và sinh viên tham gia
đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng tôi thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn:
-

TS Trần Xuân Vĩnh, Khoa Răng – Hàm - Mặt Trường ĐH Y Dược Tp HCM,

-


TS Phạm Văn Phúc, Phịng thí nghiệm tế bào gốc Trường ĐH Khoa học tự
nhiên,

-

GS.TS Kunio Ishakawa, Trường ĐH Kyushu, Nhật bản.

đã phối hợp, hỗ trợ tôi trong việc thử nghiệm,đo các tính chất mẫu cũng như những thử
nghiệm trong thực tế.
Một lần nữa, chân thành cảm ơn!

PGS.TS. Đỗ Quang Minh

8


PHẦN I: TổNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CứU VÀ LUậN GIảI VIệC ĐặT RA
MụC TIÊU, NộI DUNG NGHIÊN CứU
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU Y SINH
Vật liệu y sinh (biomaterial) là vật liệu nhân tạo được dùng chữa bệnh, thay thế và tái tạo
các bộ phận hư hỏng, khiếm khuyết trong cơ thể. Từ rất xa xưa, con người đã biết dùng các vật
liệu nhân tạo như xương động vật, ngà voi thay thế và làm đẹp răng, bọc răng bằng kim loại quí
như vàng. Trong cuộc sống hiện đại, vật liệu y sinh đã trở nên phổ biến. Có thể dùng kỹ thuật vật
liệu y sinh thay thế, sửa chữa hầu hết các bộ phận cứng trong cơ thể. Nghiên cứu, phát triển vật
liệu y sinh luôn là nhu cầu của cuộc sống hiện đại. Xu hướng kết hợp vật liệu y sinh với công nghệ
sinh học và kỹ thuật gen được xem như hướng phát triển mới.
1.1. Những yêu cầu cơ bản của vật liệu y sinh dùng trong cơ thể sống
Khi có vật lạ lọt vào một cơ quan của cơ thể, cơ thể sẽ có phản ứng chống lại sự tồn tại của
vật lạ. Những phản ứng như vậy gọi là phản ứng thải loại. Phản ứng thải loại có thể làm bộ phận

cơ thể bị viêm, sưng tấy… Nặng hơn, có thể dẫn tới rối loạn các cơ quan chức năng khác, sinh
bệnh tật nguy hiểm. Khi thay thế một phần cơ quan bị hư hỏng, cũng không tránh được phản ứng
thải loại. Trong y khoa, để thay thế các bộ phận hư hỏng, tốt nhất dùng một bộ phận khác trong cơ
thể của chính bệnh nhân thay thế để tránh phản ứng thải loại. Việc dùng các vật liệu nhân tạo luôn
là giải pháp khi không thể dùng giải pháp nêu trên[1] .Mặc dù vậy, cho tới nay, rất nhiều bộ phận
trong cơ thể người đã có thể dùng các vật liệu nhân tạo thay thế, nâng cao chất lượng cuộc sống.
1.1.1. Về mặt cơ lý
-

Độ bền cơ đủ lớn, tương ứng với yêu cầu sử dụng.

-

Mođun đàn hồi của vật liệu xấp xỉ mođun đàn hồi của vật liệu được thay thế.

-

Tính chất của vật liệu khơng biến đổi trong q trình sử dụng.

-

Bền trong mơi trường ăn mịn sinh hóa.

-

Kết cấu đơn giản cho q trình thay vào và lấy ra.

-

Khơng tích điện và khơng tích nhiệt.


1.1.2. Về mặt sinh học
Vật liệu y sinh cần chịu được những phản ứng thải loại của cơ thể. Khi có vật lạ lọt vào, cơ
thể sinh phản ứng chống lại. Nếu đó khơng phải là các vật liệu tương thích sinh học, sẽ xảy ra sự
viêm nhiễm, sưng tấy ở bộ phận có vật lạ lọt vào. Theo quan hệ với các tế bào sống trong cơ thể,
có thể phân vật cấy ghép thành ba nhóm như sau:
1- Vật liệu cơ thể phải chấp nhận: các kim loại, chất dẻo.
2- Vật liệu trơ sinh học: các vật liệu ceramic như α-Al2O3, TiO2, ZrO2, thủy tinh cacbon
thuộc về loại vật liệu này. Các vật liệu này trơ, khơng có phản ưng hóa học với các tế bào
sống, có thể trực tiếp tiếp xúc với mơ, xương. Các vật liệu trơ với độ xốp nhất định cũng có
tác dụng tạo khơng gian phát triển cho các tế bào sống phát triển, nhưng chỉ mang tính chất
cơ học.
3- Vật liệu hoạt tính sinh học: có phản ứng với tế bào sống của cơ thể và kích thích sự tạo
thành của các tế bào xương mới ở vùng tiếp xúc. Nhờ vậy, chúng không bị phản ứng thải
loại của cơ thể. Các vật liệu trên cơ sở calcium-phosphates, hydroxylapaptite, gốm thủy tinh
trên cơ sở apatit-wolastonhit là các chất có hoạt tính sinh học.
1.2. Các loại vật liệu cấy ghép trong cơ thể
Theo thành phần hóa, có thể chia các vật cấy ghép thành 2 nhóm: kim loại và phi kim.
1.2.1. Các vật liệu cấy ghép kim loại
9


- Platin (Pt), vàng (Au), bạc (Ag), tốt nhất là hợp kim Pt-Au, (5 – 10% Au) có độ dẫn nhiệt và
điện rất tốt, đủ độ bền cơ , tiệt trùng tốt.
- Các loại thép không rỉ như hợp kim Cr – Ni – Mo, Co – Cr – Mo, hoặc Co – Cr – Ni – W
có những tính năng tương tự, tương đối rẻ nhưng kém bền hóa.
- Titan (Ti) có độ bền hóa rất cao nhưng khó gia công.
- Hợp kim Ti – Au hoặc Ti – V có những tính năng ưu việt hơn các loai thép không rỉ.
Cho tới nay không tồn tại vật liệu kim loại hoặc hợp kim nào hoàn toàn trơ về mặt hóa học
trong cơ thể con người, vấn đề ăn mịn kim loại là khơng thể giải quyết. Hệ số giãn nở nhiệt khơng

thể tương thích cũng như giá cả cao cũng là những yếu điểm khi so với vật liệu phi kim.
Bảng 1.1. Một số tính chất của vật liệu cấy ghép kim loại [2]
Mođun
đàn Giới hạn chảy, Giới hạn bền kéo, Giới hạn mỏi,
hồi, E (GPa)
σγ (MPa)
σUTS(MPa)
σend (MPa)

Vật liệu
Thép không rỉ

190

221-1213

586-1351

241-820

Hợp kim Co-Cr
Ti
Ti-6Al-4V

210-253
110
116

448-1606
485

896-1034

655-1896
760
965-1103

207-950
300
620

Xương tự nhiên

15-30

30-70

70-150

-

1.2.2.Các vật liệu cấy ghép phi kim
1.2.2.1.Chất dẻo
Chất dẻo là các chất polymer hoặc cao phân tử được sử dụng như những vật liệu cơ thể phải
chấp nhận do khơng có hoạt tính sinh học. Các chất dẻo thường sử dụng trong y học như:
polyetylen (PE), Teflon (PTFE), polyester (PET), polymethyl – metakrylat (PMMA)…
Các chất dẻo có ưu điểm dễ tạo hình, giá khơng cao nhưng có những khuyết điểm như ln
chứa các phụ gia làm bền, phụ gia hóa dẻo… những chất này khơng bền trong mơi trường sinh
hóa, khi hịa tan gây độc hại cho cơ thể, hạn chế khả năng ứng dụng của chúng. Vật liệu polymer
cịn dễ lão hóa trong môi trường sử dụng, không chịu được nhiệt độ cao, khi hấp thụ nhiệt có thể
giải phóng độc tố ethylen oxyt và dễ bị phân hủy khi chiếu xạ nên phải cẩn thận khi khử trùng

bằng các phương pháp xử lý ở nhiệt độ cao, chiếu xạ khử trùng…
Bảng1.2. Những ứng dụng y khoa của chất dẻo [2]
Ứng dụng

Chất dẻo

Ghép tim

Polyethylen, polyvinylchloride (PVC), polyester, silicon rubber,
polyethylene terephthalate, polytetraflouroethylene

Chấn thương chỉnh hình

Ultra high molcular weight polyethylene
polylmethyl methacrylate (PMMA)

Nhả thuốc

Polylactide-co-glycolide

Kỹ thuật ghép mơ

Polylactic acid, polyglycolic acid, polylactide-co- glycolide

Bảng 1.3. Cơ tính của chất dẻo sử dụng làm vật liệu y sinh [2]
10

(UHMWPE),



Chất dẻo
Polymethylacrylate (PMMA)
Nylon 6/6
Polyethylene terephtalate
Poly lactic acid
Polypropylene
Polytetraflouroethylene
Silicone rubber
Ultra-high-molecular-weight
polyethylene (UHMWPE)

Giới hạn bền kéo, Mođun đàn hồi, Độ dãn dài
σUTS(MPa)
E (GPa)
%
30
2.2
1.4
76
2.8
90
53
2.14
300
28-50
1.2-3
2-6
28-36
1.1-1.55
400-900

17-28
0.5
120-350
2.8
Lên đến 10
160
≥ 35

4-12

≥300

1.2.2.2. Vật liệu ceramic
So với vật liệu kim loại và polymer, vật liệu ceramic có ưu điểm hơn hẳn trong các ứng
dụng y sinh nhờ tính tương thích sinh học. Cho tới nay, chỉ các vật liệu ceramic có tính tương
thích sinh học. Ngồi ra, mật độ thấp, độ bền hóa cao, khả năng chống bào mịn, khơng dễ bị ăn
mịn trong mơi trường sinh học, khơng giải phóng các sản phẩm độc hại như polyme (từ phụ gia
và các sản phẩm trung gian trong q trình gia cơng…) cũng là những tính chất mà các vật liệu
ceramic thể hiện ưu thế trước các nhóm vật liệu kim loại hay polyme.
Bảng 1.4. Ứng dụng của ceramic trong lĩnh vực y sinh [2]
Ceramic
Cơng thức hóa học
Đề xuất phân loại
Alumina
Al2O3
Trơ sinh học
Zircona
ZrO2
Trơ sinh học
Pyrolytic carbon

Trơ sinh học
Bioglass
Na2O-CaO-P2O3-SiO2
Hoạt tính sinh học
Hydroxyapatite (kết khối ở
Ca10(PO4)6(OH)2
Hoạt tính sinh học
nhiệt độ cao)
Hydroxyapatite (kết khối ở
Ca10(PO4)6(OH)2
Hoạt tính sinh học
nhiệt độ thấp)
Tricalcium phosphate
Ca3(PO4)2
Phân hủy sinh học
Vật liệu ceramic ứng dụng làm vật liệu y sinh có thể ở dạng vật liệu trơ như các vật liệu từ
oxit nung kết khối -Al2O3, ZrO2 ổn định…hay dạng hoạt tính sinh học như nhóm vật liệu trên cơ
sở calcium phosphates, gốm thủy tinh trên cơ sở apptite-wolastonite… Khó gia cơng tạo hình và
độ bền cơ của vật liệu là những hạn chế khi sử dụng vật liệu ceramic.
1.2.2.3.Corund (α-Al2O3)
Vật liệu ceramic làm vật liệu cấy ghép rất phổ biến là corund (α-Al2O3). Vật liệu cấy ghép là
Al2O3 tinh khiết kết khối, có độ bền hóa rất cao, độ bền cơ bảo đảm, khơng tích điện. Khuyết điểm
của loại vật liệu này là q cứng, khó tạo hình và độ bền uốn không cao.
Các vật liệu cấy ghép trơ về mặt sinh học, tuy nhiên với các vật liệu xốp người ta ghi nhận
sự phát triển của các tế bào vào sâu trong không gian lỗ xốp, tạo liên kết (cơ học) tương đối bền.
Liên kết loại này cải thiện tính chất cơ học của bật liệu. Al2O3 dùng làm nguyên liệu sản xuất vật
cấy ghép phải rất tinh khiết, đặc biệt khơng chứa các oxit kiềm làm giảm các tính chất quý của vật
liệu. Các tính chất của Al2O3 tinh khiết nung kết khối rất nhạy với sự có mặt của các oxit kiềm.
Nhiệt độ nung kết khối Al2O3 trong khoảng 1400 – 1700oC, thường dùng MgO (0.1 – 0.2%) làm
chất phụ gia hạn chế kích thước hạt vật liệu, nhờ vậy tăng độ bền cơ, trước hết là bền uốn. Để tạo

hoạt tính sinh học, có thể dùng kỹ thuật plasma đưa lớp chất hoạt tính sinh học như hydroxyl
apatite lên bề mặt vật liệu corund.
1.2.2.4.Oxit zircon kết khối
11


Vật liệu oxit zircon kết khối dạng cấu trúc tinh thể lập phương là vật liệu oxit có độ bền cơ,
bền hóa rất cao, được dùng như vật liệu trơ sinh học.Để ổn định dạng cấu trúc tinh thể lập phương
ở nhiệt độ thường, người ta phải dùng các phụ gia CaO (khoảng 10%), MgO (5 – 10%), Y2O3 (2 –
3%) làm bền (vì vậy, những vật liệu loại này cịn có tên là vật liệu oxit zircon được làm bền). Hiện
nay, oxit zircon kết khối đang thay thế dần vai trò của vật liệu corund (α-Al2O3), nhất là trong các
ứng dụng nha khoa, hệ răng toàn sứ.
1.2.2.5. Gốm thủy tinh với cấu trúc apatite
Gốm thủy tinh (glassceramic) cấu trúc apatite là vật liệu hoạt tính sinh học. Các tế bào
xương có thể phát triển trên bề mặt vật cấy ghép. Ta biết khó khăn lớn nhất trong việc sử dụng
HAp là rất khó tạo hình, bột HAp rất khó nung kết khối, khi nung dễ bị phân hủy biến đổi thành
phần. Dùng kỹ thuật nấu thủy tinh rồi cho kết tinh lại (tạo gốm thủy tinh) kết hợp được ưu thế của
kỹ thuật tạo hình thủy tinh và tạo cấu trúc vi tinh thể, có thể khắc phục được nhược điểm của
phương pháp bột, tạo được vật liệu định hình với độ bền cơ cao. Hiện nay, gốm thủy tinh với cấu
trúc apatite đang là vật liệu cấy ghép đáng chú ý, có thể tạo nên những tiến bộ mới trong lĩnh vực
vật liệu cấy ghép.
1.2.2.6.Một số loại vật liệu khác
Những vật liệu y sinh khác từ các chất vơ cơ, chúng khơng bao gồm những vật liệu có thể
phục hồi thu được từ nguồn gốc tự nhiên chẳng hạn như sợi thực vật, da, gân, xương, ngà và
những chất khác.
Composite cacbon là vật liệu mới để thay thế xương, đó là mảnh ghép cacbon có thể bịt kín
được các khuyết xương vịm sọ mà khơng cần phẫu thuật để lấy xương tự thân, giảm bớt đau đớn
cho bệnh nhân. Sepcarb, biocarb và cerasept là những vật liệu cấy ghép làm từ thủy tinh cacbon.
Cấu trúc bề mặt rất bền là ưu thế lớn nhất của vật liệu này. Vật liệu làm mảnh ghép này là tổ hợp
cacbon hay composite cacbon, một loại polyme được trộn lẫn với sợi cacbon theo tỷ lệ nhất định.

Vật liệu có độ bền cơ, độ xốp, độ dẫn nhiệt và độ dày gần giống với xương sọ.
1.2.2.7.Vật liệu trên cơ sở calcium-phosphate
Năm 1920, Albee công bố các ứng dụng thành công đầu tiên của ceramic y sinh từ calcium
phosphate.Năm 1975, nhóm nghiên cứu của Nery thử nghiệm thành cơng trên một số lồi thú. Kể từ
đó đến nay, chỉ trong một khoảng thời gian ngắn ngành công nghệ ceramic y sinh đã tiến rất xa với
nhiều ứng dụng như làm vật thay thế hông, mũi, răng, dây chằng, tái tạo hàm mặt, phẫu thuật xương
sống… Ceramic cịn có thể thay thế cho các bộ phận của hệ tuần hoàn, đặc biệt là van tim.
Thành phần pha của bioceramic rất đa dạng, có thể là đơn tinh thể (saphire), đa tinh thể
(alumina hoặc hydroxyapatite), thủy tinh (bioglass), apatite-wollastonite glass-ceramic (A/W glassceramic), composite (polyethylene-hydroxylapatite), được ứng dụng phụ thuộc vào đặc tính và chức
năng yêu cầu. Chẳng hạn như đơn tinh thể saphire được dùng như vật cấy nha khoa vì độ bền cao,
A/W glass-ceramic được dùng thay thế xương cột sống vì độ bền cao và liên kết được với xương,
thủy tinh hoạt tính sinh học có độ bền thấp nhưng liên kết nhanh với xương nên được dùng trám
xương… Ceramic ứng dụng rộng trong nha khoa như là vật liệu phục hồi chức năng, răng sứ bọc
vàng, xi măng... (những vật liệu như vậy được gọi là ceramic nha khoa).
Do có thành phần hóa và cấu trúc tương tự với các khống trong xương người, nên nhóm vật
liệu trên cơ sở calcium phosphates có khả năng tương thích sinh học, một thời cịn gọi là những vật
liệu phỏng sinh học. Tuy nhiên thuộc tính cơ học và khả năng chống lại sự phát triển vết nứt kém
(do nhóm vật liệu này nung kết khối rất khó), những vật liệu này chỉ dùng ở dạng bột hoặc trong các
ứng dụng không mang tải. Để dùng trong điều kiện chịu tải, người ta dùng các kỹ thuật phủ lớp hoạt
tính sinh học lên các vật liệu khác hoặc dùng các vật liệu dạng composite như ALCAP (aluminum
calcium phosphate ceramics), ZCAP (zinc calcium phosphate oxide ceramics), ZSCAP (zinc
sulphate calcium phosphate oxide ceramics), FECAP (ferric calcium phosphate oxide ceramics)...
Tên

Bảng 1.5. Các vật liệu trên cơ sở calcium-phosphate [2]
Cơng thức & tên khống Hệ tinh thể
12

Tỷ lệ Ca/P



Calciumphosphate
Dicalciumphosphate

Tricalciumphosphate

Tetracalciumphosphate-monoxide
Pentacalcium-hydroxyphosphate

[Ca(PO)3]2
β- Ca2P2O7
α- Ca2P2O7
Ca3(PO4)2
β- Witlokit
α- Ca3(PO4)2
α- Witlokit
Ca4(PO4)2O
Hilgenstokit
Ca10(PO4)6(OH)2
Hydroxyapatite

Một phương
Bốn phương
Thoi

0.5
1.0
1.5

Thoi

1.5
Một phương
Một phương

2.0

Sáu phương

1.67

Xương người được xem là một loại composite tự nhiên của nano-HAp với các sợi collagen.
Thành phần của xương gồm collagen (20 w%), calcium phosphate (69 w%), nước (9 w%), và
những chất hữu cơ khác với hàm lượng thấp như proteins, polysaccharides, lipids,… HAp và ACP
vơ định hình (amorphous calcium phosphate-canxi photphat) tạo nên độ bền vững cho xương. Tùy
theo mục đích sử dụng mà chúng có thể là vật liệu hấp thụ sinh học hay vật liệu hoạt tính sinh học.
Trong nhóm calcium phosphates, người ta đặc biệt quan tâm đến tricalcium phosphate (Ca3(PO4)2,
(TCP) và hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2, (HAp) do độ tương thích sinh học nổi bật của chúng
trong mơi trường cơ thể con người.
Các vật liệu trên cơ sở tricalcium-phosphate, tetracalcium-phosphate và hydroxy apatite
khác nhau về thành phần hóa và cấu trúc vật lý. Trong đó ceramic hydroxyapatite
Ca10(PO4)6(OH)2 có cấu trúc giống với xương người, mật độ tinh thể cao nên rất bền, khơng bị hịa
tan. Các chất trên cơ sở CaO-P2O5 cũng có cấu trúc tương tự xương nên khơng bị phản ứng thải
loại, có khả năng tạo liên kết với các tế bào xương, chúng là các chất hoạt tính sinh học.
Bảng 1.6. Tóm tắt tính chất vật lý một số calcium phosphate dùng làm vật liệu y sinh [3]
Mật độ
Pha
Cơng thức hóa
Cấu trúc tinh thể
(g/cm3)
Hydroxyapatite (HAp)


Ca10(PO4)6(OH)2

-tricalcium phosphate
(-TCP)

Ca3(PO4)2

-tricalcium phosphate
(-TCP)

Ca3(PO4)2

Tetracalcium phosphate
(TTCP)

Ca4P2O9

Hexagonal, a=b=9,42 Ao, c= 6,88Ao
Monoclinic, a=12,887 Ao, b = 27,280
Ao, c = 15,219 Ao,  = 126,20o.
Hexagonal, rhombohedral, a=b=10,439
Ao, c = 37,375 Ao,  =  = 90o,
 = 120o .
Monoclinic, a = 7,023 Ao, b = 11,986
Ao, c = 9,473 Ao,  = 90,90o.

3,16
2,86
3,07

3,05

Bên cạnh khả năng tương thích sinh học cao, nhóm vật liệu y sinh từ calcium phosphate
khơng bị hịa tan, có thể chống lại sự tấn công của vi khuẩn, sự thay đổi pH... Chúng tồn tại ở
nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất riêng phần của hơi nước, và sự hiện diện
của các tạp chất khác.HAp, -TCP, -TCP, biphasic calcium phosphate (BCP), monocalcium
phosphate monohydrate (MCPM), bột HA không nung kết khối (AP unsintered apatite) là những
dạng calcium phosphate và là những vật liệu y sinh thường dùng có giá trị thương mại cao. Trong
đó, HAp được đánh giá là pha lý tưởng khi ứng dụng bên trong cơ thể con người do có độ ổn định
tuyệt vời ở pH lớn hơn 4,3 (pH của máu người khoảng 7,3). Một số tính chất cơ bản của vật liệu y
sinh trên cơ sở calcium phosphate có thể tham khảo dưới đây.
Như vậy, vật liệu ceramic y sinh có khả năng tương thích sinh học, nhưng có giới hạn ở độ
bền cơ học ở các ứng dụng mang tải. Những nghiên cứu tạo vật liệu có độ bền cơ khác nhau,
tương ứng với vị trí ứng dụng sẽ góp phấn phát triển loại vật liệu này. Những tiến bộ đột phá trong
tương lai, mà đặc biệt là HA và TCP như môi trường phát triển gen, được dự báo sẽ tạo ra một

13


cuộc cách mạng mới trong cơng nghệ chăm sóc sức khỏe hiện đại và nâng cao chất lượng cuộc
sống con người.
Bảng 1.7. Độ hòa tan và pH ổn định của một số calcium phosphate dùng làm vật liệu y sinh [3]
Pha
-log(Ksp) ở 250C
pH ổn định trong nước
Hydroxyapatite (HAp)
116,8
9,5 – 12
-tricalcium phosphate (-TCP)


28,9

Không kết tủa từ dd nước

-tricalciumphosphate

25,5

Không kết tủa từ dd nước

Tetracalcium phosphate (TTCP)

38 – 44

Không kết tủa từ dd nước

Dicalcium phosphate dihydrate (DCPD)

6,59

2,0 -6,0

Dicalcium phosphate anhydrate (DCPA)

6,9

Ổn định ở T>1000C

(-TCP)


Amorphous calcium phosphate (ACP)
Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA)

Khơng thể đo chính xác
85,1

Khơng ổn định
6,5 – 9,5

CHƯƠNG 2: HYDROXYAPATITE
2.1. Thành phần và cấu tạo
Hydroxyapatite (HA) có dạng hệ tinh thể lục giác, đơn vị cấu trúc cơ bản là Ca5(PO4)3(OH)
nhưng trên thực tế gồm 2 phân tử và có cơng thức hóa học tỷ lượng là Ca10(PO4)6(OH)2. Tuy
nhiên, HA có thể tồn tại dưới dạng các cơng thức hóa học khơng tỷ lượng Ca10-x(HPO4)x(PO4)6x(OH)2-x(0≤ x≤2). Trong xương, HA cũng tồn tại dưới dạng không tỷ lượng hơn là dạng tỷ lượng.
HA tinh khiết có thành phần khối lượng lý thuyết là 39.68% Ca; 18.45% P; tỷ lệ Ca/P về
khối lượng là 2.151; tỷ lệ mol của Ca/P là 1.667. Dựa vào tỉ lệ Ca/P, có thể đánh giá được độ tinh
khiết của HA. Nếu tỉ lệ Ca/P thấp hơn 1.667 thì trong HA có thể có β-TCP, TTCP hoặc các pha
khác của canxi phosphate (hình thành trong quá trình nung kết khối phụ thuộc vào điều kiện và
nhiệt độ nung). Nếu tỉ lệ Ca/P cao hơn 1.667 thì trong HA có thể có sự hiện diện của CaO. Ngồi
ra, cịn có một số nguyên tố khác với hàm lượng nhỏ do tiền chất phản ứng mang vào.

Hình 2.1. Cấu trúc phân tử hydroxyapatite
Một số vật liệu HA thương mại (hoặc không thương mại) chứa đến 10% β-TCP về khối
lượng. Độ tinh khiết, thành phần, kích thước hạt của bột apatite trước khi nung, nhiệt độ nung
cùng các điều kiện khác (áp suất hơi nước riêng phần…) cũng ảnh hưởng đến sự tạo thành và hàm
lượng loại pha calcium phosphate (hoặc hợp chất calcium) trong sản phẩm ceramic HA kết khối.
Mối tương quan của các nhân tố trên được deGroot mô tả trong giản đồ pha hệ CaO-P2O5 ở phạm
vi nhiệt độ từ 950-1500oC.
Đối với các apatite tổng hợp trong dung dịch kiềm tính cao, ở điều kiện khí quyển thường
chứa CO32- trong thành phần, và khi nung trên 900oC thường tạo thành CaO cùng với HA. Hợp

chất calcium phosphate khác cũng thường hình thành cùng HA khi nung bột apatite ở trên 900oC
là CaHPO4, DCP (dicalcium phosphate anhydrous). Tuy nhiên, DCP không ổn định ở nhiệt đô này
mà biến đổi thành β-TCP và Ca2P2O7 (calcium pyrophosphate). Nếu nung trong môi trường áp
suất 500mmHg thì sự tạo thành các pha CaO-P2O5 rất hạn chế, và chỉ có pha HA là ổn định.
2.2. Cấu trúc tinh thể HA
14


Thuật ngữ apatite được dùng để mô tả họ các chất có cấu trúc tương tự. HA, đặc biệt là
calcium HA. Beevers, Maintyre, Kay[4]đã mô tả cấu trúc tinh thể của calcium hydroxyapatite,
trong đó HA có cấu trúc 6 phương với nhóm khơng gian P63/m, nhóm khơng gian này được đặc
trưng bởi 1 trục c bậc 6 vng góc với 3 trục a tương đương nhau (a1, a2, a3) mà mỗi trục hợp với
nhau một góc 120o. Mỗi đơn vị ô mạng cơ sở của tinh thể apatite gồm các nhóm ngun tử Ca2+,
PO43-, OH- xếp chặt với nhau.

Hình 2.2. Cấu trúc tinh thể của hydroxyapatite (HA)
Mười nguyên tử calcium được chia làm hai nhóm Ca(1) và Ca(2) phụ thuộc vào mơi trường
hình thành. Bốn ngun tử Ca chiếm vị trí Ca(1), trong đó hai ở vị trí z = 0 và hai ở vị trí z = 0.5.
Sáu nguyên tử Ca cịn lại chiếm vị trí Ca(2), trong đó một nhóm ba ngun tử Ca hình thành nên
một tam giác tại vị trí z = 0.25 cịn ba nhóm ngun tử cịn lại sẽ hình thành nên một tam giác tại
vị trí z = 0.75. Mỗi nhóm ba ngun tử trên bao quanh một nhóm OH tại vị trí góc của ơ mạng cơ
sở (tại z = 0.25 và z = 0.75). Sáu nhóm tetraphosphate (PO4) sắp xếp theo kiểu helical-xoắn ốc từ
vị trí z = 0.25 đến z = 0.75, kiểu mạng lưới của PO4 đưa ra một cấu trúc khung tạo cho cấu trúc
apatite sự bền vững. Những nguyên tử O của nhóm phosphate được gọi là O(1), O(2) và hai
nguyên tử O(3). Nếu ta thay thế nhóm OH bằng F hay Cl thì ta được Ca10(PO4)6F2 (flour apatite)
và Ca10(PO4)6Cl2 (chlor apatite) với cùng kiểu cấu trúc.
Phổ hồng ngoại IR thể hiện khả năng hấp thụ của các liên kết O-H, O-P, mô tả sự dao động
của các nhóm OH-, PO43- trong tinh thể HA.Theo nghiên cứu của Dacusi [4] thì tinh thể HA khi
nung ở 950oC có mạng sáu phương và cấu trúc mạng đầy khuyết tật so với cấu trúc tinh thể HA
kết khối ở 1250oC.Theo quan điểm hóa học tinh thể, vật liệu có cấu trúc mạng tinh thể khơng hồn

chỉnh hoặc vơ định hình có hoạt tính cao hơn. Như vậy, hoạt tính của HA kết tinh từ dung dịch,
HA kết khối ở nhiệt độ thấp sẽ cao hơn HA kết khối ở nhiệt độ cao. Thuộc tính tinh thể hay mức
độ hồn chỉnh cấu trúc có thể tăng hoặc giảm khi có sự thay thế các ion trong cấu trúc.

Hình 2.3. Phổ nhiễu xạ X-ray của HA

15


Hình 2.4. Phổ hồng ngoại FTIR của HA
2.3.Sự thay thế các ion trong cấu trúc HA
Hydroxyapatite là một trong nhóm khống apatite. Nhóm OH- rất dễ bị thế bởi F- hoặc Cltrong cấu trúc tạo dung dịch rắn. Khi có sự thay thế các ion khác trong cấu trúc, công thức chung
của apatite có thể viết theo các nhóm ion thế, ví dụ như Ca5(PO4)3(OH, F, Cl), gọi là nhóm “triple
calcium phosphate”. Các loại apatite còn phân biệt bởi thành phần các ion OH-, F- và Cl- thế trong
tinh thể, viết riêng từng loại hydroxylapatite Ca5(PO4)3(OH), floroapatite Ca5(PO4)3F và
chloroapatite Ca5(PO4)3Cl.
Ngoài OH- cịn có sự thay thế các nhóm Ca2+, PO43-, OH- trong cấu trúc apatite. Các nhóm
thế làm thay đổi thơng số mạng, độ hịa tan, độ bền sốc nhiệt, thậm chí chuyển dạng tinh thể thành
vơ định hình. Sự thay đổi thuộc tính diễn ra mà khơng làm thay đổi dạng mạng sáu phương.
Eliot và Young cho rằng khi Clo thay thế sẽ làm mất tính đối xứng và tạo ra cấu trúc đối
xứng một phương, bởi sự thay đổi vị trí của nguyên tử Clo và sự tăng kích thước của ơ mạng cơ sở
theo hướng a. Sự thay thế F- cho OH- gây ra sự co theo trục a mà không thay đổi trục c, làm cấu
trúc xếp chặt hơn, tinh thể ổn định hơn, do đó Flour apatite khó hịa tan hơn. Nhóm CO32- có thể
thay thế cho nhóm OH- hoặc PO43- lần lượt được gọi là nhóm thay thế A hoặc B. Hai loại nhóm
thay thế này có hiệu ứng trái ngược nhau ở cùng thơng số mạng.
Trong trường hợp nhóm A, sự thay thế của một nhóm CO32- cho một nhóm OH- làm biến
đổi cấu trúc nhiều. Sự thay thế này làm tăng kích thước trục a và giảm kích thước trục c. Trường
hợp nhóm B, khi thay thế nhóm CO32-cho một nhóm PO43-có cấu trúc tứ diện lớn hơn sẽ làm giảm
kích thước trục a và tăng kích thước trục c so với cấu trúc apatite và CO32- tự do. Sự khác biệt đã
được chứng minh bằng các phổ hồng ngoại.

Legeros mô tả các sự thay thế các cặp CO32- cho PO43- và Na+ cho Ca2+ làm thay đổi hình dạng
cũng như kích thước của tinh thể, từ tinh thể hình kim đến các tinh thể hình trụ và tinh thể đẳng
trục mà trong đó sự thay đổi diễn ra với sự tăng thành phần cacbonate. Khi có nhóm CO32- thay
thế trong cấu trúc thì apatite trở nên dễ hịa tan hơn apatite khơng có nhóm CO32-.
Ngồi sự thay thế của những cặp nguyên tố được coi là quen thuộc như F- hay Cl- cho OH-,
hay CO32-cho PO43- được đề cập ở trên, một số ion khác có thể thay thế calcium trong cấu trúc
apatite như strontium (Sr), magnesium (Mg), barium (Ba), chì (Pb); cịn vanadate, borates,
manganates có thể thay thế cho nhóm phosphate.
Những khác biệt về thông số mạng giữa các HA thay thế và khơng đươc thay thế phản ánh
kích thước và số lượng của các ion thay thế. Các cặp thay thế của các nguyên tử khác cũng ảnh
hưởng đến tính chất của apatite như khả năng kết tinh, độ bền nhiệt hay độ hòa tan. Khi hiện diện
cùng một lúc, các chất thay thế trong cấu trúc apatite có thể có những hiệu ứng bổ sung cho nhau
hoặc triệt tiêu lẫn nhau. Ví dụ, magnesium và cacbonate có hiệu ứng bổ trợ cho nhau về tính tinh
thể và độ hòa tan trong apatite tổng hợp. Magnesium và flouride, hay cacbonate và flouride có
hiệu ứng trái ngược nhau, trong đó, ảnh hưởng của flouride chiếm ưu thế.
16


Bảng 2.1. Hằng số mạng của các khoáng apatite tự nhiên, y sinh, tổng hợp [4]
Loại apatite
Chất thay thế chính
a (Ao)
b (Ao)
Tự nhiên
OH-apatite
9.442
6.880
F-apatite
F
9.375

6.880
Dahlite
CO3
9.38
6.885
Staffelite
F, CO3
9.345
6.880
Marine phosphorite
F, CO3
9.322
6.882
Tổng hợp (khơng có nước)
OH-apatite
9.441
6.882
F-apatite
F
9.375
6.880
Cl-apatite
Cl
9.646
6.771
CO3-apatite
CO3
9.544
6.859
Tổng hợp (có nước)

OH-apatite (thiếu Ca)
HPO4
9.438
6.882
F-apatite
F
9.382
6.880
(Cl,OH)-apatite
Cl
9.515
6.858
CO3-OH-apatite
CO3
9.298
6.924
CO3-F-apatite
CO3,F
9.368
6.924
Sr-apatite
Sr
9.739
6.913
Pb-apatite
Pb
9.894
7.422
Ba-apatite
Ba

10.6162
7.722
Sinh học
CO3-OH-apatite (ngà răng)
HPO4, Cl, CO3, Mg
9.441
6.882
F-apatite
F, CO3, HPO4
9.382
6.880
Việc nắm vững các đặc tính của chất thay thế vào cấu trúc của apatite rất quan trọng trong
việc phát triển vật liệu trên cơ sở HA dùng làm vật liệu y sinh, có thể giúp ta hiểu rõ hơn về những
phản ứng giữa các khống có trong xương.Hiện nay, khoáng HA được dùng ở dạng bột cho chữa
trị xương. Với các chi tiết chịu tải, có thể dùng kỹ thuật như điện phân, phun phủ plazma… để phủ
lên bề mặt kim loại hoặc ceramic trong việc cấy ghép chỉnh hình, nha khoa.
Bảng 2.2. Ảnh hưởng của một số ion thay thế các ion Ca2+, PO43-, OH- đến chất tinh thể và
thông số mạng apatite [4]
Chất thay thế cho ion Bán kính ion (Ao)
a (Ao)
c (Ao)
Tính tinh thể
2+
Ca
0.99
9.438
6.882
Sr2+
1.12
+

+
K
2+
Ba
1.34
+
+
Pb2+
1.20
+
+
K+
1.33
K
K
K
+
Na
0.97
K
K
K
Li+
0.68
K
K
K
2+
Mg
0.66

Cd2+
0.97
2+
Mn
0.80
Zn2+
0.74
+
+
3+
Al
0.51
+
+
Cho ion OHF1.36
K
+
Cl1.81
+
K
3Cho ion PO4
CO32+
2HPO4
+
K
K
Ghi chú : (+): tăng; (-) giảm; K: không thay đổi

17



2.4.Tính chất cơ học
Tinh thể HA trong xương tự nhiên có dạng tấm hoặc dạng kim, dài 40-60nm, rộng 20nm,
dày 1.5-5nm [5]. Trong thực tế rất khó tổng hợp các tinh thể có kích thước như trên.Thơng
thường, các sản phẩm kết tủa từ dung dịch có kích thước lớn hơn nhiều (khoảng vài chục đến hơn
100μm). Các nghiên cứu hiện đại có xu hướng tạo hạt HA kích thước nano trước hết thuận lợi cho
quá trình phát triển các tế bào do tăng diện tích bề mặt riêng.
Với vật liệu HA hình thành do nung kết khối, kích thước hạt đóng vai trị rất quan trọng đến
chất lượng sản phẩm ceramic sau khi nung, đặc biệt độ bền cơ. Để tăng cường đồng thời thuộc
tính cơ học lẫn sinh học cần điều khiển các đặc trưng cơ bản của bột như hình dạng và kích thước
hạt, sự phân bố và kết tụ hạt. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, bột HA nano giúp cải thiện khả năng
nung kết khối và mật độ của sản phẩm do có diện tích bề mặt lớn, qua đó cải thiện được độ bền
uốn cùng các thuộc tính cơ học khác. Bên cạnh đó, chúng còn cải thiện giới hạn chảy dẻo nhờ các
pha ở biên giới hạt.
Theo nhóm nghiên cứu của Karch [5] với kích thước hạt nano một vật liệu ceramic giịn có
thể có giá trị biến dạng dẻo lên đến 100%. Sản phẩm ceramic nung kết khối từ bột nano cho phép
kết khối ở nhiệt độ thấp hơn (khoảng 900oC), do đó những vấn đề khó khăn liên quan đến những
phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao cũng được loại trừ. Ngồi ra, bột HA nano (chưa nung) có hoạt
tính sinh học cao hơn bột có kích thước lớn (μm); ceramic HA kết khối ở nhiệt độ thấp thể hiện
hoạt tính sinh học tốt hơn kết khối ở nhiệt độ cao.
Các tính chất của bột HA ban đầu cùng q trình tạo hình và chế độ nung kết khối ảnh
hưởng rất lớn đến cơ tính của sản phẩm HA. Khi trong vật liệu có nhiều lỗ xốp (lớn hay nhỏ) thì
cơ tính sẽ giảm. Mật độ, kích thước hạt, các giá trị độ bền cơ: bền uốn, bền nén, bền xoắn, và
mođun đàn hồi nén, uốn tăng khi nhiệt độ nung trong khoảng 1150-1350oC [6]. Độ bền uốn của
ceramic HA cũng tăng trong khoảng 1100-1150oC nhưng tăng không nhiều lắm so với khoảng
nhiệt độ 1150-1250 oC. Ở nhiệt độ cao hơn 1250oC độ bền uốn lại giảm, thậm chí cịn thấp hơn
HA khi nung ở 1100 oC. Thêm vào đó, sự có mặt của pha β-TCP cũng là nguyên nhân làm giảm
độ bền uốn. Ngồi ra, cơ tính của ceramic cịn phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp HA ban đầu.
Phương pháp tổng hợp khác nhau thì thành phần và kích thước hạt của bột ban đầu cũng khác
nhau (cỡ hạt nhỏ thì độ bền uốn tăng).

Bảng 2.3. Tính chất cơ học của ceramic HA và men răng [7]
Thuộc tính
HA (1)
HA (2)
Màu sắc
Xanh
Trắng
Độ bền nén (MPa)
410 ± 75
430 ± 95
Độ bền kéo (MPa)
39 ± 4
38 ± 4
Độ cứng Vickers (MPa)
4500
4500
Mật độ
97%
99.99%
Bột ban đầu
Thương mại
Đi từ kết tủa
Quá trình ceramic
Ép và nung
Ép và nung
Mođun đàn hồi (MPa)
(1.1÷1.3)*104
(1.1÷1.3)*104
Độ bền va đập (MPa)
0.18

0.16
Moment uốn (MPa)
2.8 ± 0.2
3.1 ± 0.3

Men răng
270
70
3400
80%
1.4*104

Theo De Groot[8], độ bền uốn của HA trong môi trường ướt cao hơn trong mơi trường
khơ.Đối với vật liệu cấy ghép có chịu tải, khả năng chống mỏi cũng là một nhân tố rất quan trọng,
được đánh giá bằng hệ số Weibull(n). Những vật liệu có n = 50 – 100 sẽ có khả năng chống mỏi
tốt, n = 10 – 20 thì khơng đủ bền, và có thể bị hỏng sau vài tháng sử dụng. Với HAp thông thường,
n = 50 trong môi trường khô, và n = 12 trong môi trường sinh lý (dưới mức độ cho phép). Đặc tính
này làm ceramic HA không thể bền vững trong những ứng dụng mang tải mặc dù khả năng tương
thích sinh học rất tốt [7].
2.5. Độ hòa tan
18


Độ hòa tan của HA phụ thuộc vào chủng loại và nồng độ của các dung dịch đệm và không
đệm, pH của dung dịch, mức độ bão hòa của dung dịch, tỉ lệ pha rắn khác trong dung dịch, thành
phần và tính tinh thể của HA (kích thước tinh thể và sức căng bề mặt). Đối với ceramic HA, phụ
thuộc vào mức độ lỗ xốp vi mô và vĩ mô, vào cấu trúc, chủng loại và hàm lượng của các pha khác
có trong vật liệu. Khả năng hịa tan HA trong dung dịch đệm acid lactic thấp hơn trong dung dịch
đệm acid acetic. Khi ceramic chứa các pha khác thì độ hòa tan giảm dần theo thứ tự sau [8]:
TTCP ≫ α-TCP ≫ β-TCP ≫ HA

2.6.Tương tác giữa bề mặt vật liệu cấy HA trong môi trường sinh học
Độ hoạt động bề mặt của ceramic HA phụ thuộc vào thành phần của ceramic, thành phần và
pH của dung dịch (hay môi trường). Trong môi trường acid, bề mặt giàu các ion Ca2+, H2PO4-,
HPO42-, PO43, H+, OH- sẽ bị hòa tan dần. Các ion CaH2PO4+, Ca OH+ có thể tạo một lớp hydrate.
Các apatite y sinh có khả năng tạo một lớp hydrate với các ion có trong thành phần khống của
xương và trong dung dịch đệm sinh học. Các chất điện phân trong dung dịch sinh học cũng tham
gia vào các q trình hóa học tại bề mặt làm tăng điện tích bề mặt vật liệu cấy ghép HA [8].Điện
tích bề mặt sẽ làm ảnh hưởng đến các quá trình tương tác của các tế bào với bề mặt vật liệu cấy
ghép.
Theo nhóm nghiên cứu Ducheyne [9], giá trị tuyệt đối của thế zeta đo được trên apatite chưa
nung và apatite thiếu canxi cao hơn đối với HA đầy đủ và ceramic HA kết khối. Thêm vào đó,
protein hấp thụ lên bề mặt HA đã biến đổi, hiện tượng này đưa đến khả năng sử dụng HA trong
các cột sắc ký, có mối liên quan đặc biệt của các nhóm chức acid amin đến việc tạo thành apatite y
sinh, và kết quả là khống hóa mạnh các q trình tương tác giữa các khoáng với nền hữu cơ[10].
Sự tạo thành tinh thể cacbonate-apatite trên bề mặt HA do các quá trình hịa tan/ngưng tụ là
dấu hiệu quan trọng về khả năng tương thích sinh học của vật liệu HA. Bằng thiết bị kính hiển vi
điện tử xuyên (TEM), người ta đã xác định các tinh thể kích thước cỡ micro trên bề mặt ceramic
HA sau khi cấy ghép cho xường cũng có cấu trúc apatite. Kết quả tương tự cũng được ghi nhận
trên bề mặt HA với các thí nghiệm tạo huyền phù HA trong môi trường dịch tế bào, trong huyết
thanh và cả trên các thử nghiệm cấy ghép ở các vị trí có xương hoặc khơng có xương.Có một số
trường hợp các tinh thể này còn mọc kép trên bề mặt tinh thể ceramic HA.Bên cạnh đó, các kết
quả phổ hồng ngoại đã chứng minh các tinh thể này là carbonate-apatite, liên kết bền chặt với nền
hữu cơ.
Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, tinh thể apatite trong xương, cũng như các tinh thể apatite y
sinh khác, chính là carbonate apatite [11][12]. Sự tạo thành các vi tinh thể carbonate-apatite, giải
thích bằng các q trình hịa tan hoặc ngưng tụ [13].
Q trình hịa tan: Do kết quả hoạt động của tế bào mà ceramic HA bị hòa tan từng phần,
đồng thời giải phóng các ion như Ca2+, HPO42-, PO43- dẫn đến sự q bão hịa của mơi trường cấp
độ vi mơ, từ đó kết tinh ra các hợp chất calcium phosphate phụ thuộc vào pH môi trường như:
CaHPO4.2H2O, DCPD, Ca8H2(PO4).5H2O, OCP (octacalcium phosphate). Các hợp chất trên thủy

phân trong mơi trường sinh học vốn có sẵn ion CO32- dẫn đến hình thành CO3-apatite. Mặt khác,
CO3-apatite cũng có thể được hình thành trực tiếp tại pH mơi trường sinh lý bằng cách kết hợp
trực tiếp các ion canxi và phosphate từ dung dịch quá bão hòa các ion CO32- và Mg2+ (kết quả điện
phân của các hợp chất trong dung dịch sinh học).
Q trình ngưng tụ: ceramic HA có thể hấp thụ các ion calcium CO32- có trong huyết thanh
lên bề mặt, hình thành mầm tinh thể CO3-apatite và phát triển ngay trên bề mặt vật ghép.
Phản ứng mô: Bề mặt HA tạo thành có khả năng tương thích sinh học với một vài loại tế
bào như đại thực bào, các nguyên bào sợi, tế bào tủy xương, nguyên bào xương… Các tế bào trên
gây ra phản ứng có lợi như liên kết với tế bào và phát triển tế bào mới đối với vật ghép HA. Tinh
thể ceramic HA có thể bị hịa tan hồn tồn bên trong tế bào bởi các đại thực bào hoặc hòa tan
từng phần tử bên ngồi tế bào bởi mơi trường sinh lý. Các nguyên bào sợi, nguyên bào xương và
các tế bào xương khác có thể phát triển mạnh trên bề mặt HA, dường như khơng có sự phân biệt
giữa bề mặt xương và HA.
19


Bề mặt liên kết giữa xương và HA (mối ghép): Nhiều nghiên cứu chỉ ra lớp tiếp xúc giữa
xương và HA có độ bền cao hơn so với bề mặt trung gian của các loại vật liệu y sinh trơ khác như
titanium, zircona, alumina. Riêng đối với loại vật liệu hoạt tính sinh học như HA, sự phá hủy xảy
ra hoặc tại vật liệu hoặc trên xương nhưng không xảy ra tại bề mặt tiếp xúc [10]. Ảnh hiển vi
quang học và hiển vi điện tử quét mô tả liên kết bền chặt của xương và vật ghép HA tại bề mặt.
Các phân tích từ kính hiển vi đầu dị điện tử cho thấy khơng có sự khác biệt đáng kể về nồng độ
canxi và phosphorous khi quét từ vật ghép đến lớp trung gian rồi đến xương.
Tóm lại, nhờ sự tạo lớp tiếp xúc bền giữa xương và vật ghép nên HA có tính tương thích
sinh học.Sự hình thành lớp tiếp xúc bền là kết quả của các quá trình như sau:
-

Q trình axit hóa mơi trường vi mơ do sự hoạt động của các tế bào trên bề vật liệu hoạt
tính sinh học.
Q trình hịa tan/ngưng tụ dẫn đến sự tạo thành các CO3-apatite liên kết bền chặt với nền

hữu cơ, có cấu trúc tương tự apatite xương.
Việc sản sinh ra các protein có tính kết dính cao và các sợi collagen.
Sự khống hóa các sợi collagen đồng thời kết hợp với các tinh thể CO3-apatite trong quá
trình tổ chức lại xương mới.

- Sự đan xen các sợi collagen khống hóa giữa xương chủ và bề mặt ceramic HA.
2.7.Các phương pháp tổng hợp hydroxyapatite
2.7.1.Phương pháp kết tinh
Đây là phương pháp cơ bản nhất tổng hợp HA. Phản ứng cơ bản như sau:
10 Ca (OH ) 2  6 H 3 PO4  Ca10 ( PO4 ) 6 (OH ) 2   18 H 2 O
Hydroxy apatite ( HA )

Trên cơ sở phản ứng này, thay đổi tác nhân và điều kiện phản ứng , có thể chi làm nhiều
phương pháp khác nhau điều chế bột HA. Có thể tóm tắt như sau:
2.7.1.1.Kết tinh từ muối nitrat canxi trong dung dịch amoni (Thí nghiệm của Hayek và
Stadlman )
10Ca(NO3)2.4H2O + 6(NH4)2HPO4 + 8NH4OH = Ca10(PO4)6(OH)2↓ + 20NH4NO3 + 46 H2O
Kết tinh trực tiếp từ dung dịch loãng, tiền chất có thể là calcium chloride, sodium phosphate,
kết tủa hóa học từ dung dịch nước của calcium chloride, ammonium hydrogen phosphate.
2.7.1.2.Kết tinh trong sóng siêu âm
Cho dung dịch H3PO4 phản ứng với dung dịchCa(OH)2 dạng sữa trong bể siêu âm ở nhiệt độ
70 C, khuấy 200 v/ph trong 2h. Trong suốt quá trình đo độ pH của phản ứng ở 70oC. Sản phẩm
phản ứng được đem đi lọc và rửa 2 lần, mỗi lần với 50ml nước nhằm loại bỏ hoàn tồn ion PO43và Ca2+. Bột được sấy khơ ở 90oC sau đó gia nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau trong lị luyện với tốc
độ nâng nhiệt là 5oC/ph. Sóng siêu âm có tác dụng khuấy trộn các hạt kích thước nhỏ, cỡ nm, làm
hiệu suất phản ứng tăng. Phương pháp kiểm tra sản phẩm thu được: TG-DSC, XRD, IR, FESEM.
o

2.7.2.Phương pháp tổng hợp ướt
Trộn Ca(OH)2 và Ca(H2PO4)2.H2O theo tỉ lệ 1.62 – 1.72 thêm 60% nước vào để tạo rồi
nghiền khoảng 30ph. Sấy ở 50oC rồi nung ở 600oC trong 1h, tốc độ gia nhiệt là 10oC/ph tại áp suất

khí quyển.
2.7.2.1.Phương pháp thủy nhiệt
Nhỏ dung dịch H3PO4 vào dung dịchCa(OH)2 dạng sữa, hấp ở 70oC trong 2h. Sản phẩm
phản ứng được đem đi lọc và rửa 2 lần, mỗi lần với 50ml nước nhằm loại bỏ hoàn toàn ion PO43
và Ca2+. Bột được sấy ở 90oC trước khi đem đi gia nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau trong lò với tốc
độ nâng nhiệt là 5oC/ph.
Tổng hợp HA trong hệ thống thủy nhiệt tại nhiệt độ 275oC, dưới áp suất hơi nước 12000psi.
Ngoài ra, β – TCP Ca3(PO4)2 và tetracalcium phosphate (TTCP), Ca4P2O9 hay Ca4(PO4)2O có thể
20


dễ dàng biến đổi thành HA bằng phương pháp thủy nhiệt ở cùng điều kiện như trên. Do vậy, bột
HA thu được có độ tinh khiết rất cao. Calcium cacbonate (CaCO3) khi phản ứng với một lượng
thích hợp CaHPO4, hay (NH4)2HPO4 cũng tạo thành HA
4CaCO3 + 6 CaHPO4 → Ca10(PO4)6(OH)2 + 6H2O + 4CO2
10CaCO3 + 10(NH4)2HPO4 → Ca10(PO4)6(OH)2 + H2O + CO2
2.7.2.2.Phương pháp thủy phân
Điều chế HA bằng cách thủy phân acid calcium phosphates (ví dụ: CaHPO4.2H2O, DCPD –
dicalcium phosphates dihydrate; Ca8(H2PO4)6.5H2O, OCP – octacalcium phosphate hay monetite,
CaHPO4, DCP – dicalcium phosphate anhydrous trong dd NH4OH, NaOH hoặc KOH; hoặc cũng
có thể thủy phân trong các dung dịch chứa cacbonate, floride, chloride tùy theo yêu cầu về thành
phần hóa của apatite mong muốn. Calcium cacbonate CaCO3 cũng có thể bị thủy phân tạo apatite
trong dd amonium phosphate, sodium phosphate. Ngoài ra các hợp chất đặc biệt như α- hoặc βTCP, tetracalcium phosphate (TTCP), calcium phosphate vơ định hình (ACP) cũng dễ dàng thủy
phân tạo calcium apatite. Thủy phân dicalcium phosphate dihydrate CaHPO4.2H2O, DCPD) và
CaCO3 trong dung dịchNaOH 2,5M cũng là phương pháp mới.
2.7.2.3.Phương pháp sol-gel
Thí nghiệm của C.G.Vázquez, C.P.Barba, N.Munguía trên cơ sở phản ứng
10Ca(NO3)2.4H2O + 6 (C2H5O)3P(O) + 20CH3O(CH2)2OH = Ca10(PO4)6(OH)2 ↓
Trong huyền phù xảy ra quá trình biến đổi sol – gel khi gia nhiệt tạo HA kích thước hạt nhỏ,
mịn. Ngồi ra, có thể tổng hợp bột HA bằng phương pháp sol – gel với các tiền chất là calcium

nitrat, ammonium hydrogen phosphate, hoặc dung dịch đương lượng mol của Ca(NO3)2.4H2O,
(NH4)2HPO4 hịa tan trong dung mơi ethanol, hoặc nung để chuyển hóa sol – gel từ sol của
calcium nitrat, ammonium hydrogen phosphate và dung dịch axit nitric.
2.7.3.Phương pháp tổng hợp khơ
HA hình thành trên cơ sở các phản ứng pha rắn khi trộn bột Ca(OH)2 và Ca(H2PO4)2.H2O
theo tỷ lệ 1,62 – 1.72, khuấy 800 v/ph ở 150C trong 1h, sau đó nung ở 5000C trong 1h, tốc độ tăng
nhiệt độ 100C/ph trong áp suất khí quyển [12].
Có thể tạo HA ở 9500C trên cơ sở phản ứng pha rắn:

6CaHPO4  4Ca(OH ) 2  Ca10 ( PO4 ) 2 .H 2O 6H 2O
Monetite

HA

3Ca3 ( PO4 ) 2  Ca(OH ) 2  Ca10 ( PO4 ) 2 .H 2O 6H 2O
 TCP

HA

Tạo bột HA kích thước nano:Trong những năm gần đây, kỹ thuật nano phát triển mạnh,
xâm nhập vào mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Việc điều chế bột HA kích thước nano cũng được
quan tâm.Đơi khi, đây chưa phải vấn đề mới về nguyên lý, mà chỉ là vấn đề quan tâm kích thước
hạt bột từ những phương pháp tổng hợp kể trên.
Một số công bố mới như: Tổng hợp HA nano (~20nm) từ tiền chất calcium nitrat,
ammonium phosphate bằng phương pháp sấy phun dung dịch, hay tổng hợp nano-HAp (50 nm) từ
calcium nitrat tetra hydrate, diamonium hydrogen phosphate trong môi trường sinh lý nhân tạo
bằng kỹ thuật kết tủa hóa học [14], tổng hợp HAp-nano và nanocomposite HAp/chitosan[15], tổng
hợp hóa cơ bột nano–HAp và TCP với tiền chất là calcium hydrogen phosphate (CaHPO4.2H2O)
và calcium oxyt CaO.
Bảng 2.4. Các tiêu chuẩn của HA dùng trong cấy ghép [16]

Nguyên tố
Nồng độ cho phép trong HA, [ppm]
As
3
Cd
5
Hg
5
21


Pb
Tiêu chuẩn
2.8.Nung kết khối HA

30
ASTM F1185-03

HA có thể sử dụng trực tiếp ở dạng bột hoặc dạng khối. HA dạng bột có cơ tính rất thấp nên
khơng phù hợp với các ứng dụng chịu tải trong phẫu thuật chỉnh hình. Do đó, nâng cao cơ tính vật
liệu HA kết khối là nhu cầu cần thiết. HA dạng cấu trúc đặc dễ hình thành liên kết với xương của
chủ thể được cấy ghép. Tuy nhiên, khi nung kết khối cần nhiệt độ nung rất cao (1400 – 15000C).
Ở nhiệt độ cao, HA có thể bị phân hủy tạo β-TCP. Sự phân hủy làm hoạt tính sinh học thay đổi và
có thể làm giảm độ bền cơ sản phẩm.
Ở nhiệt độ 8000C, HA mất nước liên kết tạo oxyhydroxyapatite Ca10(PO4)6(OH)2-2xOx. Nhiệt
độ cao hơn (1050 – 11500C) có thể sẽ xảy ra quá trình phân hủy tiếp, tạo β-TCP. Sau đó, β-TCP
chuyển thành dạng thù hình nhiệt độ cao β-TCP. Phản ứng phân hủy như sau:
0

800 C

Ca10 ( PO4 ) 6 (OH ) 2 T

 2  Ca3 ( PO4 ) 2  Ca4 P2 O9  H 2 O 
Hydroxy apatite

beta tricanxiphosphate

Hoặc:
0

800 C
Ca10 ( PO4 ) 6 (OH ) 2 T

 3  Ca3 ( PO4 ) 2  CaO  H 2O 
Hydroxy apatite

beta tricanxiphosphate

Đây là các phản ứng phân hủy tạo pha hơi. Vì vậy, khi áp suất tăng (ép nóng), phản ứng sẽ
thuận lợi theo chiều phải qua trái.
2.9. Ép nóng
Ép nóng là phương pháp làm vật liệu kết khối dưới tác dụng đồng thời của nhiệt độ và áp
suất cao. Đây là phương pháp phức tạp, thiết bị cần yêu cầu kỹ thuật cao, thường chỉ áp dụng với
những vật liệu khó kết khối hoặc có những yêu cầu đặc biệt khi kết khối (một số vật liệu carbid
hoặc nitrid kim loại chỉ có thể hình thành bằng phương pháp ép nóng). Trong các thiết bị hiện đại,
áp suất nén thường trong khoảng 20 – 40 MPa, nhiệt độ nung kết khối có thể tới 2000 – 25000C.
Áp suất thường tạo bằng các máy ép thủy lực hoặc vít tải. Nhiệt độ có thể tạo thành nhờ kỹ thuật
cuốn dây điện trở quanh khuôn (với khuôn kim loại), hoặc đặt khn trong lị nung trong mơi
trường khí đặc biệt, đảm bảo khuôn làm việc ở nhiệt độ cao. Dưới tác dụng của áp lực ngoài, lực
sức căng bề mặt được bổ sung, động lực quá trình kết khối tăng. Hơn nữa, do bị nén ép và ở nhiệt

độ cao, biến dạng của vật liệu tăng, diện tích tiếp xúc giữa các hạt vật liệu, mật độ phối liệu cũng
tăng làm tăng tốc độ khuếch tán… Ảnh hưởng của áp lực tới mức kết khối tính theo Kenvin:
ln

2 Vm
p

po
rRT

p–áp suất hơi trên mặt cong bán kính r
 - sức căng bề mặt
Vm–thể tích mol của hai chất rắn.
Khó khăn lớn nhất của phương pháp ép nóng là lựa chọn khuôn ép ở nhiệt độ cao. Thông
thường, người ta dùng khuôn bằng vật liệu kim loại bền ở nhiệt độ cao như W, Mo hoặc khuôn từ
grafite. Vấn đề cần thiết nữa là cần tránh phản ứng hóa học giữa vật nung và khuôn.Với vật liệu
HA, nhiệt độ nung kết khối khơng q cao, có thể dùng khn từ vật liệu samot.
2.10. Tình hình nghiên cứu trong nước
Theo xu hướng chung trên thế giới, vật liệu y sinh đang được quan tâm nghiên cứu ở Việt
Nam. Viện Công nghệ Xạ hiếm (Bộ Khoa học và Cơng nghệ), Khoa Hố (Đại học Bách khoa Hà
Nội) [17] đã có những nghiên cứu và công bố kết quả sơ bộ về phương pháp tổng hợp HA bột.
Năm 2005 lần đầu tiên Viện Công nghệ Xạ hiếm đã triển khai đề tài chế thử gốm xốp HA theo
công nghệ của Italia và đã thử nghiệm thành công trên động vật. Công nghệ này dựa trên phương
pháp nhúng tẩm khung xốp hữu cơ xenlulô vào huyền phù HA, sau đó thiêu kết ở nhiệt độ cao
22


[18].Đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước năm 2007 về gốm thủy tinh chứa P2O5 được thực hiện tại
ĐHBK Hà nội.
Đặc biệt, từ năm 2005 đến nay, nhóm tác giả Viện Hố học (Viện Khoa học và Cơng nghệ

Việt Nam) đã công bố một số kết quả nghiên cứu chế tạo HA bột và HA xốp [19,20,21,22], trong
đó HA xốp được chế tạo bằng phương pháp nén ép thiêu kết với các chất tạo xốp chitosan,
xenlulo, và phương pháp phản ứng pha rắn giữa Ca(OH)2 và Ca3(PO4)2. Việc chế tạo gốm HA từ
khung xốp tự nhiên của san hô, mai mực, vỏ trứng, vỏ sò… bằng phản ứng thuỷ nhiệt cũng đang
được tiến hành.Tuy nhiên, trong các bài báo trong nước, chưa có các kết quả nghiên cứu về tính
tương thích y sinh của vật liệu.
Vật liệu y sinh cũng là một hướng nghiên cứu ưu tiên tại Bộ môn silicat, trường ĐHBK Tp
HCM. Trong những năm qua, chúng tôi đã nghiên cứu và có một số kết quả cơng bố về việc dùng
oxit nhôm xốp làm vật liệu cấy ghép [23], các nghiên cứu về răng sứ cũng có những kết quả ban
đầu [24,25,26].
Về nhóm vật liệu hoạt tính sinh học từ HA, chúng tôi đã thực hiện tổng hợp HA theo một số
phương pháp như kết tinh từ dung dịch Ca(OH)2 và H3PO4, phương pháp thủy nhiệt… Khi nung
cho HA phân hủy ở 8600C, thu được các tinh thể β-TCP có thể dùng làm vật liệu y sinh với kích
thước bột siêu mịn và kết khối có độ bền cơ cao. Đề tài đang được cán bộ của Bộ môn làm luận
văn nghiên cứu bậc tiến sĩ ở Đại học Tổng hợp Kyushu (Nhật) [27]. Một số kết quả sơ bộ nung
HA kết khối dưới áp lực cũng cho thấy HA không bị phân hủy thành β-TCP (tới 12000C).Các kết
quả cần được khẳng định và nghiên cứu sâu hơn về các tính chất như bền cơ, tính tương thích sinh
học, cũng như nghiên cứu ỏ nhiệt độ cao hơn (1450 – 15000C).Nếu ở nhiệt độ cao hơn, HA kết
khối bền vững mà không bị phân hủy sẽ là đóng góp đáng kể trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu y
sinh.
2.11.Luận giải về việc đặt ra mục tiêu và những nội dung cần nghiên cứu
Bột HA là vật liệu có giá trị kinh tế cao (600 – 800 USD/kg tại thị trường Nhật), có giá trị
thực tiễn và nghiên cứu khoa học.Đây là vật liệu trong nước chưa chế tạo được ở mức thương
mại.Trên thế giới cũng như ở Việt Nam, các vật liệu trên cơ sở HA vẫn ln là đối tượng nghiên
cứu cả từ góc độ tổng hợp bột lẫn ứng dụng trong y khoa [28].
Trong y học, HA có thể được sử dụng ở dạng bột trực tiếp hoặc dạng kết khối (ceramic). Khi
nung kết khối HA lại vấp phải một khó khăn lớn do phải nung kết khối bột HA ở nhiệt độ cao,
nhưng ở nhiệt độ cao trong điều kiện nung bình thường, HA sẽ bị phân hủy tạo thành β-TCP là
dạng có hoạt tính sinh học khác với HA và khơng đảm bảo độ bền cơ. Để tạo vật liệu có hoạt tính
sinh học tốt đồng thời độ bền cơ cao, người ta phải ứng dụng rất kỹ thuật phủ HA lên bề mặt kim

loại như titan hoặc ceramic như oxit nhôm, hoặc tạo composite với polymer.
Để tạo được HA dạng khối có những hình dạng và độ bền cơ phù hợp mục đích sử dụng,
chúng tơi sẽ tổng hợp bột HA, sau đó dùng kỹ thuật nung kết khối HA (sintered HA) ở nhiệt độ
cao đồng thời với áp lực cao để vật liệu HA kết khối không bị phân hủy, nhằm nâng cao khả năng
chịu lực khi ứng dụng HA trong các bộ phận chịu tải mà vẫn giữ được hoạt tính sinh học cao. Đây
là kỹ thuật chưa thấy trong các tài liệu mà chúng tôi tham khảo.
2.12. Cập nhật một số thông tin về nghiên cứu HA
HA là thành phần khống chính trong răng và xương động vật có xương sống. Hơn một thập
kỷ qua, nhu cầu về HA nano ứng dụng trong thực tế không ngừng tăng, không chỉ trong nghiên
cứu khoa học, mà cịn ở góc độ kinh tế, thể hiện số bài báo nghiên cứu về HA không ngừng tăng
trong thời gian gần đây (1999 – 2011) [18].

23


Hình 2.5. Thống kê số bài báo về HA và phương pháp tổng hợp HA từ 1999 – 2011 [28]
Hiệu quả ứng dụng HAtrong cơ thểsốngphụ thuộc vàotính ổn định củacấu trúc, vào cácđiều
kiệnchuẩn bịbộttiền chất vàphương pháp chế tạocác vật liệucấy ghép. Nếucác điều kiện chế tạo
không phù hợp, dẫn đếndehydroxylationvà phân hủy củaHAp trong quá trình nung kết khối làm
thay đổi tính chất hóa lýcủa vật liệu cấy ghép.
Trong các báo cáo đã đưa ra việc chế tạo vật liệu HA bằnghai phương pháp ép nóngvà
khơng ép nóng trongkhoảng nhiệt độ từ1150-13000C.Các vật liệuđược nghiên cứubằng
FTIRvànhiễu xạ tia Xđểxác định q trìnhdehydroxylationvàphân hủycó thểcủa HAtrong q
trìnhxử lý nhiệt. Tính hữu ích củacả hai phương pháptrong việc xác địnhsự ổn địnhnhiệt
củaHAđược xác nhận [29]. Vật liệu HA được nung kết khối bằng phương pháp ép nóng đẳng tĩnh,
đạt độ cứng và mật độ xấp xỉ lý thuyết (98%) trong khoảng nhiệt độ 900 – 12000C [30]. Để tăng
hiệu suất tạo bột HA kích thước nano bằng tổng hợp sol – gel dùng máy ly tâm tốc độ rất cao 200
– 7000 vòng/phút [31][32].
Trong các ứng dụng HA, đặc biệt dùng làm chất phân phối thuốc. Các vật liệu y sinh làm
chất phân phối thuốc, đặc biệt trong tác dụng chữa trị ung thư do phát hiện HAp cản trở sự phát

triển của nhiều loại tế bào ung thư [33,34]. Trong ứng dụng này, các loại thuốc nằm trong lỗ xốp
của vật liệu tách dần ra dưới tác động của từ trường. Khó khăn lớn nhất là cài thuốc vào lỗ xốp do
ceramic HA hình thành ở nhiệt độ cao. Việc tổng hợp, cài thuốc ở nhiệt độ thấp bằng sol – gel, tạo
hình ép nóng nhằm, giảm nhiệt độ nung tạo hình và khơng làm thuốc phân hủy[35].

Trong các phương pháp thử độ bền cơ các mẫu vật liệu y sinh, thử độ bển các mẫu
thuốc có dạng trụ dẹt, kích thước tương đối nhỏ, thường xác định bền cơ bằng phương pháp
nén hướng tâm (diametral tensile strength – DST)[36].
Giá trị độ bền nén của vật liệu HA khác nhau rất nhiều theo các nguồn tài liệu tham khảo.
Theo L.L. Hench, độ bền nén tới 410±75 MPa (An Introduction to Bioceramic, World Scientific,
ISBN 9810214006, 158 – 165). Theo một số tài liệu thực nghiệm, độ bền nén của HA chỉ trong
khoảng 20 – 40 MPa (Oleg Prokopiev, Igor Sevostianov, “Dependence of the mechanical
properties of sintered hydroxyapatite on the sintering temperature”, Material Science and
Engineering, Vol 431, 2006, 218 – 227).Các kết quả trong đề tài được điều chỉnh, so sánh với
những số liệu này.

24


Nội dung đăng ký
Các nội dung, công việc chủ yếu cần được
thực hiện
2

Kết quả cần đạt
3

Chương 3 (nội dung 1): Tạo bột HA
1-Lựa chọn và kiểm tra nguyên liệu


Tìm nguyên liệu đạt tiêu
chuẩn

2-Khảo sát và lựa chọn phương pháp điều chế
HA

PP lựa chọn được coi là
phù hợp

3-Điều chế bột HA
Kiểm tra: SEM, TEM, X-Ray, IR

Đơn pha, cỡ hạt cỡ 2050nm bằng phương pháp
thủy nhiệt

Chương 4 (nội dung 2): Cải tiến nâng cấp lị
nung hiện có
Đạt nhiệt độ 14500C có bộ
phận ép nóng

Thiết kế
Sửa chữa, cải tiến lị cũ theo thiết kế mới
Chương 5 (nội dung 3): Kết khối HA
1-Khảo sát nhiệt độ nung kết khối ở áp lực và
nhiệt độ khác nhau (trong khoảng 900-14500C)

Xác định các thông số tối
ưu

2-Kiểm tra tính chất sản phẩm kết khối: mật độ,

độ bền cơ, thành phần hóa, SEM, X-Ray, IR, độ
cứng…
3-Ảnh hưởng của HA trong dung dịch SBF
(simulated body fluid, dung dịch có thành phần
tương tự chất lỏng mô tế bào cơ thể)

Khẳng định hoạt tính sinh
học invitro

Chương 6 (nội dung 4):Đánh giá và kết luận
về khả năng sử dụng làm vật liệu y sinh
1-So sánh HA tổng hợp với HA thương mại
trong dung dịch SBF
2- So sánh độc tính HA tổng hợp và HA thương
mại lên dịng tế bào gốc trung mơ mỡ người

25

So sánh kết luận khả năng
ứng dụng


PHẦN II:BÁO CÁO KẾT QUẢ
CHƯƠNG 3: TẠO BỘT HA
3.1.Chọn nguyên liệu và kiểm tra nguyên liệu
Nguyên liệu tổng hợp HA là Ca(OH)2 và (NH4)2HPO4 (hãng Merck, Đức) với độ tinh khiết
lần lượt là ≥ 96% và 99%.
Bảng 3.1.Kết quả phân tích các nguyên tố vi lượng trong nguyên liệu
Hàm lượng %


Ca(OH)2

(NH4)2HPO4

Mn

0.0089

0.0016

Fe

0.0168

0.00016

Co

0.0049

─

Ni

─

0.0022

As


0.0003

0.0003

Sr

0.0048

0.006

Ag

0.0245

0.026

Sn

0.0107

0.0142

Hg

0.0004

0.0002

Pb


0.0005

0.0003

Bảng 3.2.Tham khảo thành phần nguyên tố cho phép của HA thương mại hãng Sigma Aldrich
Nguyên tố

Nồng độ cho phép [ppm]

Al

600

Cu
Fe
Ge
Mg
Mn
Na
Si
Ti

1
1000
100
2000
300
3000
500
30


Pb

4

***Với 1ppm tương đương với 10-4%
Nhận xét: So sánhkết qủa phân tích các nguyên tố vi lượng trong nguyên liệu
tổng hợp HA với thành phần nguyên tố cho phép của HA thương mại, ta nhận thấy các
nguyên liệu này thỏa mãn chỉ tiêu của HA thương mại. Vì vậy, có thể sử dụng nguyên
liệu để tổng hợp HA theo đúng yêu cầu.

26