CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I. Tæng quan vÒ vËt liÖu thay thÕ x¬ng. Sù ra ®êi cña gèm y sinh ®· ®îc loµi ngêi ghi nhËn nh lµ mét cuéc c¸ch m¹ng trong lÜnh vùc khoa häc vËt liÖu. Thµnh c«ng nµy ®· gãp phÇn thiÕt thùc vµo viÖc n©ng cao chÊt lîng cuéc sèng cña con ngêi.
C¸c phÉu thuËt ghÐp x¬ng, chØnh h×nh x¬ng ®· ®¹t ®Õn giíi h¹n cña sù hoµn thiÖn nhê øng dông c¸c lo¹i chi tiÕt ghÐp lµ gèm y sinh, ®Æc biÖt lµ gèm y sinh hä HA. Cã thÓ nãi ®îc ®iÒu nµy bëi v× gèm HA lµ lo¹i vËt liÖu cã ho¹t tÝnh sinh häc, cã tÝnh t¬ng thÝch sinh häc tèt nhÊt so víi tÊt c¶ c¸c vËt liÖu y sinh mµ c¸c nhµ y häc ®· sö dông cho ghÐp x¬ng vµ ch÷a x¬ng. VËt liÖu y sinh ®îc sö dông trong phÉu thuËt x¬ng vµ chØnh h×nh gåm c¸c lo¹i sau: - C¸c vËt liÖu tr¬ víi ph¶n øng c¬ thÓ ®îc sö dông nh c¸c chi tÕt cè ®Þnh x¬ng. Thuéc lo¹i nµy bao gåm c¸c hîp kim nh thÐp kh«ng gØ 316L, hîp kim Co-Cr, fib cacbon, gèm «-xÝt nh«m, hîp kim titan Ti6Al4V.
- C¸c lo¹i vËt liÖu cã tÝnh t¬ng thÝch sinh häc trong chõng mùc nhÊt ®Þnh nh: Polyme y sinh, thñy tinh y sinh, gèm thñy tinh y sinh. - C¸c lo¹i vËt liÖu cã ho¹t tÝnh sinh häc cao, cã thµnh phÇn vµ h×nh th¸i cÊu tróc gÇn víi thµnh phÇn kho¸ng cña x¬ng vµ vi cÊu tróc x¬ng ngêi. C¸c lo¹i vËt liÖu nµy lµ gèm HA vµ gèm dÉn xuÊt cña HA, gèm trªn c¬ së β-TCP sö dông cho môc ®Ých t¸i sinh x¬ng. Trªn thÕ giíi vËt liÖu y sinh cã tÝnh t¬ng thÝch sinh häc ®· dîc sö dông tõ l©u.
N¨m 1265, mét nhµ phÉu thuËt ngêi Ai cËp ®· dïng x¬ng c¸ ®Ó ghÐp nèi vµo chç khuyÕt tËt cña x¬ng ngêi. N¨m 1668 mét nhµ phÉu thuËt ch©u ¢u cã tªn lµ Myth Meekeren ®· dïng x¬ng chã ®Ó ghÐp cho mét chç khuyÕt tËt x¬ng cña mét tÝn ®å thiªn chóa gi¸o. Ca phÉu thuËt ®· thµnh c«ng tèt ®Ñp, vÕt th¬ng ®· lµnh nhng tÝn ®å nµy ®· bÞ cÊm vµo nhµ thê bëi ®· mang trong c¬ thÓ mét “dÞ vËt lµ x¬ng chã”. V× kh«ng muèn ®o¹n tuyÖt víi NguyÔn thÞ Lan Anh Ngµnh C«ng nghÖ Hãa häc §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi 3 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc tÝn ngìng cña m×nh, bÖnh nh©n ®µnh lµm phÉu thuËt ngîc lµ trë l¹i chÊn th¬ng, vøt bá c¸i dÞ vËt ®· gióp m×nh lµnh lÆn.
N¨m 1887 Bircher dïng ngµ voi, n¨m 1955 S.Peer dïng sõng bß vµ n¨m 1988 Auchincloss dïng x¬ng bß lµm chi tiÕt ghÐp cho x¬ng ngêi. §ã lµ c¸c ca ghÐp x¬ng ngêi b»ng x¬ng ®éng vËt, ngay c¶ nhiÒu ca ghÐp x¬ng ®îc thùc hiÖn nhê dïng x¬ng ®ång lo¹i. Ngoµi ra c¸c vËt liÖu y sinh kh¸c nh hîp kim, kim lo¹i, polyme y sinh, thñy tinh sinh häc còng ®îc c¸c nhµ y häc trªn thÕ giíi sö dông tõ l©u vµ rÊt phong phó. Trong c¸c vËt liÖu trªn vËt liÖu y sinh gèm HA vµ gèm dÉn xuÊt cña HA cã tÝnh chÊt u viÖt ®Æc biÖt.
Tuy nhiªn cã lÏ do gi¸ c¸c vËt liÖu nµy cßn qu¸ cao nªn mÆc dï ®©y lµ vËt liÖu tèt nhÊt nhng cha ®îc c¸c nhµ phÉu thuËt ViÖt Nam sö dông trong ®iÒu trÞ. Víi nhu cÇu kh«ng ngõng n©ng cao chÊt lîng cuéc sèng, ®· ®Õn lóc x· héi yªu cÇu c¸c nhµ y häc, c¸c nhµ khoa häc ph¶i nhanh chãng ®a lo¹i vËt liÖu y häc gèm HA vµo sö dông ë níc ta. Trong luËn v¨n nµy chóng t«i nghiªn cøu tæng hîp bét HA, t¹o gèm HA, bíc ®Çu tæng hîp vËt liÖu thay thÕ x¬ng tõ c¸c muèi chøa Ca, P. Các apatite caxiphotphat là hợp chất bền hoá, có thành phần tương tự các chất khoáng trong xương.
Canxiphosphat tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, tùy thuộc vào tỷ lệ Ca/P mà ta có các pha khác nhau. Một số pha của canxi phôtphat được chỉ ra trong bảng I.1 Sự hình thành các pha phụ thuộc và các yếu tố như: tỷ lệ Ca/P, pH, sự hiện diện của nước, nhiệt độ và độ tinh khiết của sản phẩm. Điều chỉnh các yếu tố trên ta sẽ thu được các pha như mong muốn. Canxiphosphat có chứa các ion thường thấy trong môi trường sinh lí.
Điều này đã tạo sự tương thích sinh học cao của vật liệu. Ngoài ra, vật liệu loại này có khả năng chống lại sự tấn công của vi khuẩn, sự thay đổi pH và điều kiện dung môi. Tuy nhiên, nhóm vật liệu canxiphotphat có tính bền cơ thấp, diện tích bề mặt riêng nhỏ (2 - 5 m2/g) và liên kết giữa các tinh thể bền chặt. Trong khi đó, NguyÔn thÞ Lan Anh Ngµnh C«ng nghÖ Hãa häc §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi 4 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc các thành phần khoáng trong xương (kích thước nano) có diện tích bề mặt riêng lớn, chúng được phát triển trong môi trường hữu cơ, liên kết giữa các tinh thể lỏng lÎo.
Đặc điểm này đã tạo sự khác nhau về khả năng hấp thụ của chúng.1 Các pha của canxi phôtphat Tỷ lệ Pha Công thức phân tử Dạng tinh thể Nhóm Ca/P canxiphotphat không gian Sáu phương 1.65 Dicalcium Đơn tà phosphate a = 5.20 β-Tricalcium Sáu phương 1.38 NguyÔn thÞ Lan Anh Ngµnh C«ng nghÖ Hãa häc §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi 5 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Hydroxyapatit (HAp) có màu trắng hoặc vàng nhạt và là thành phần chính trong xương, men răng và các mô cứng của các động vật có vú. Khi phân tích thành phần xương người, kết quả nhận được là xương có chứa tới 70% là khoáng vô cơ, phần còn lại là nước và các chất hữu cơ [5]. Các phần vô cơ trong xương chủ yếu là khoáng apatite của canxi và phôtphat, khoảng 34.8% khối lượng của xương là Ca2+ và 15. Ngoài ra còn một lượng nhỏ các chất khác như: Na+, Mg2+ , K+ , CO32- , F-, Cl -.
Trong các pha canxiphotphat thì pha Hydroxyapatite có khả năng phân hủy chậm nhất, điều này dÉn đến khả năng ứng dụng trong y học của HAp là nhiều nhất. Vì ngoài khả năng tương thích thì HAp còn hòa tan trong môi trường cơ thể chậm để tế bào xương phát triển. Những đặc tính cấu trúc cơ bản của HAp đã được Jong , Meheml và Naray-Szabo nghiên cứu một cách độc lập với nhau. Bằng việc phân tích bằng phổ nhiễu xạ tia X, Jong dã chỉ ra rằng những khoáng trong xương có thành phần giống với HAp tự nhiên.
Trong bản nghiên cứu đầu tiên vể phổ nhiễu xạ tia X của mình, Jong đã đưa ra được phổ XRD của các tinh thể apatite trong xương nhưng vẫn còn rất mập mờ. Tuy nhiên vị trí không gian của các cấu tử ion trong mạng cấu trúc của apatite vẫn chưa được thiết lập. Phải đến 25 năm sau, Posner mới đưa ra được phổ XRD của HAp khi ông tổng hợp được tinh thể đơn pha HAp, những kết quả này về sau được Kay chứng minh bằng phương pháp nhiễu xạ nơtron [6] vµ cho thấy HAp có pic đặc trưng ở vị trí góc nhiễu xạ 2θ ≈ 26°, tương ứng là mặt tinh thể có chỉ số Miller (002). Và còn có một đám phổ ở vị trí 2θ = 31° ÷ 33° tương ứng là các mặt tinh thể có chỉ số Miller lần lượt là (211), (112), (300).
Ngoài ra còn một số các pic khác nhưng cường độ không được lớn lắm tương ứng với các mặt (210), (202), (220), (310). NguyÔn thÞ Lan Anh Ngµnh C«ng nghÖ Hãa häc §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi 6 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc Cả HAp trong hệ sinh học và HAp tổng hợp đều có dạng sáu phương và thuộc nhóm không gian P6 3 /m với các hằng số mạng a và c lần lượt là 0. Cấu trúc tinh thể của HAp được tìm ra bởi Naray-Szabo và Meheml , những kết quả của họ sau này đã được Hendricks xác nhận. Cấu trúc mạng của HAp bao gồm các ion Ca2+, PO 4 3- và OH- và chúng được sắp xếp trong các ô đơn vị như trong hình I.1 Ca2+ PO4 3- OH- Hình I.1 Cấu trúc của HAp.
Trong tổng số 14 ion Ca2+ thì 6 ion thuộc về HAp và nằm trọn vẹn trong ô mạng đơn vị, còn lại 8 ion nằm trên chu vi hai mặt đáy thì dùng chung với các ô đơn vị kề bên trong đó định vị ở mỗi ô là 4 ion. Tương tự như thế trong số 10 nhóm PO 4 3- thì 2 nhóm nằm ở bên trong ô đơn vị, còn 8 nhóm thì nằm trên chu vi của hai mặt đáy nhưng chỉ có 6 nhóm thuộc về ô đơn vị. 6 nhóm này bao gồm 2 nhóm ở bên trong ô đơn vị cộng với 4 trong số 8 nhóm nằm trên chu vi của hai mặt đáy. Giống như vậy, chỉ có 2 trong số 8 nhóm OH- chỉ ra trong hình là thuộc về ô đơn vị.
Số lượng các ion xuất hiện trong ô đơn vị có thể không đúng với công thức phân tử của HAp, điều này có thể giải thích do sự lặp lại của các ô đơn vị trong hệ đối xứng ba chiều. Với cách giải thích như trên thì trong một phân tử HAp bao gồm có 10 ion Ca2+ , 6 NguyÔn thÞ Lan Anh Ngµnh C«ng nghÖ Hãa häc §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi 7 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc nhóm PO 4 3- và 2 nhóm OH-, từ đó ta có thể khẳng định HAp có công thức phân tử là Ca 10 (PO 4 ) 6(OH) 2. Về mặt hình dạng thì các tinh thể HAp thường có dạng hình lá, hình que hoặc hình kim, đôi khi HAp còn có dạng hình vảy. Tuỳ theo các phương pháp tổng hợp khác nhau cũng như các điều kiện tổng hợp khác nhau mà các tinh thể HAp có hình dạng khác nhau.
Dưới đây là một số ảnh của HAp tồn tại ở các hình dạng khác nhau.2 Một số hình ảnh của HAp với các hình dạng khác nhau. Ở dạng gèm, khả năng chịu lực cũng như tính bền của NguyÔn thÞ Lan Anh Ngµnh C«ng nghÖ Hãa häc §¹i häc B¸ch khoa Hµ néi 8 LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc HA được nâng cao đáng kể, có thể dùng như một bộ phận trong cơ thể người: vật liệu thay thế sụn mũi, sụn tai, tái tạo hàm mặt. Khi sử dụng dạng bột, HA được phun lên bề mặt vật liệu cấy ghép kim loại để cấy ghép vào những bộ phận chịu lực nhằm tăng khả năng tương thích của vật liệu cấy ghép mà vẫn đảm bảo khả năng chịu lực của vật liệu; hoặc được dùng làm vật liệu trám trực tiếp trong ngành răng hàm mặt và đỉnh xương sọ; chúng cũng được trộn với polymer t¹o composit. øng dông cña c¸c muèi canxiph«tphat trong lÜnh vùc thay thÕ x¬ng.