CHƯƠNG I. Giới thiệu về vật liệu cấy ghép kim loại Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực như công nghệ sinh học, vật liệu sinh học, kỹ thuật mô, tế bào và sinh học phân tử, khoa học polymer, và các lĩnh vực liên quan đã mang đến rất nhiều tiến bộ về y dược đặc biệt là trong các lĩnh vực cấy ghép, chỉnh hình [9, 14]. Vấn đề viêm, thoái hóa xương và khớp đã ảnh hưởng đến hàng triệu người trên toàn thế giới [9, 15, 16]. Trong thực tế, ở các nước đang phát triển, vấn đề về xương khớp chiếm gần một nửa số các bệnh mãn tính đối với người trên 50 tuổi.
Bên cạnh đó, nhiều trường hợp gãy xương, đau lưng, loãng xương, chứng vẹo cột sống, ung thư xương và các vấn đề về cơ xương khác cần phải được giải quyết bằng cách sử dụng các thiết bị cố định, tạm thời hoặc bằng các bộ phận phân hủy sinh học. Theo một số thống kê ở Mỹ mỗi năm ước tính có khoảng 280.000 trường hợp gãy xương hông, 700.000 trường hợp chấn thương đốt sống, 250.000 ca gãy xương cổ tay mỗi năm với chi phí 10 tỷ USD.000 ca ghép xương ở Mỹ trong đó một nửa là cột sống và ở Anh khoảng 10% những người già trên 65 tuổi có trải qua các phẫu thuật thay khớp. Ước tính có khoảng 15 triệu người già mắc các chứng bệnh về xương trên toàn thế giới vào năm 2033. Năm 2004 chi phí cho vật liệu y sinh ở Mỹ là 17 tỷ USD và tăng trưởng với tốc độ hàng năm khoảng 10% [13].
Chính vì lý do đó, hiện nay các nhà khoa học trên thế giới đang tập trung đầu tư nghiên cứu nhằm tạo ra các loại vật liệu y sinh mới có tính năng tốt để phục vụ cho nhu cầu xã hội. Hướng nghiên cứu này rất có triển vọng và đáp ứng nhu cầu cần thiết về vật liệu mới trong kỹ thuật chỉnh hình, nha khoa hiện đại [1]. Vật liệu cấy ghép trong lĩnh vực chấn thương và chỉnh hình được sử dụng thay thế những bộ phận cơ thể bị hỏng hoặc mất đi do một nguyên nhân nào đó, giúp làm tăng chất lượng cuộc sống cũng như kéo dài tuổi thọ của bệnh nhân [1, 14, 17]. Vật liệu cấy ghép bao gồm: chỉ khâu, tấm xương, khớp thay thế, các thiết bị y tế (máy tạo nhịp tim, tim nhân tạo.) được sử dụng rộng rãi để thay thế, khôi phục chức năng của các mô bị tổn thương hoặc thoái hóa.
Yêu cầu đầu tiên và quan trọng nhất đối với việc lựa chọn vật liệu cấy ghép sinh học sự chấp nhận của cơ thể con người. Hiện nay, các loại vật liệu phổ biến nhất được sử dụng làm vật liệu y sinh là kim loại, polyme, gốm sứ và hỗn hợp. Chúng được sử dụng đơn lẻ hoặc kết hợp để tạo thành 5 luan an hầu hết các vật liệu cấy ghép hiện nay [18, 19]. Các hướng nghiên cứu và chế tạo vật liệu cấy ghép là một lĩnh vực rất triển vọng và đầy tiềm năng đối với khoa học và ứng dụng y học.
Quá trình cấy ghép xương và sự can xi hóa của xương tại vị trí cấy ghép là một trong những phát hiện quan trọng nhất của thực nghiệm lâm sàng thế kỷ 20. Trong thời kỳ đầu, tất cả các loại vật liệu tự nhiên như gỗ, cao su, các mô sống và các vật liệu kim loại và thủy tinh đều được sử dụng làm vật liệu cấy ghép sinh học. Các phản ứng của mô chủ đối với các vật liệu này do đó cũng vô cùng đa dạng. Trong điều kiện nhất định, thông qua việc tương tác giữa các mô tế bào và vật liệu cấy ghép, một số vật liệu cấy ghép được cơ thể dung nạp, trong khi một số các vật liệu khác bị từ chối [19].
Dựa theo đặc tính, vật liệu cấy ghép có thể được chia ra làm 4 loại chính: -Vật liệu kim loại (vàng, thép không gỉ 316L, hợp kim Co-Cr, hợp kim titan) -Vật liệu gốm sứ (alumina, zirconia, carbon, titania, bioglass, hydroxyapatite) -Vật liệu hỗn hợp (Silica /SR, CF/UHMWPE, CF/PTFE, HA/PE, CF/epoxy, CF/PEEK, CF/C, Al2O3/PTFE). -Vật liệu polyme (Polyethylen có trọng lượng phân tử siêu cao (UHMWPE), polyetylen (PE), polyurethane (PU), polytetrafuoroetylen (PTFE), polyacet (PA), polymethylmethacrylate (PMMA), cao su silicon (SR), Polyetheretherketone (PEEK), polylactic. Vật liệu cấy ghép y sinh cũng có thể được phân loại theo tính chất tương thích sinh học của nó như vật liệu trơ (bioinert), vật liệu hoạt tính sinh học (bioactivity), hay vật liệu phân hủy sinh học (biodegradation)…[2, 18, 20]. Theo nghĩa rộng, vật liệu trơ sinh học là loại vật liệu hầu như không phản ứng hoặc phản ứng rất ít với mô sống.
Trong khi đó, vật liệu hoạt tính sinh học là vật liệu có khả năng kích thích liên kết với các mô sống xung quanh. Các vật liệu phân hủy sinh học là các vật liệu có thể tái hấp phụ, tích hợp vào các mô xung quanh và kết hợp với các tế bào sống [2]. Hiện nay, vật liệu cấy ghép y sinh được sử dụng thay thế cho rất nhiều bộ phận trên cơ thể người như chỉ ra trong hình 1. 6 luan an Hình 1.
Vật liệu implant sử dụng trong cơ thể người [18] Tuy nhiên, các vật liệu như gốm hoặc polyme hầu như không thể được sử dụng để làm vật liệu cấy ghép sinh học cho xương vì các tính chất như sự tương thích sinh học và độ bền không phù hợp với xương. Mặc dù, gốm có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời nhưng lại rất giòn do vậy chúng khó có thể ứng dụng làm vật liệu cấy ghép được. Tương tự như thế, polyme có cơ tính thấp, không đáp ứng được yêu cầu đối với vật liệu cấy ghép [18, 21]. Vật liệu kim loại sử dụng cho các ứng dụng cấy ghép y sinh học được chia thành 2 loại là: kim loại vĩnh cửu (hợp kim của titan, thép không gỉ, hợp kim crom- coban…) và kim loại phân hủy sinh học (kim loại trên cơ sở hợp kim của Mg).
Các chi tiết cấy ghép cho khớp gối, khớp cổ tay, xương đùi…thường sử dụng các vật liệu kim loại vĩnh cửu. Trong khi đó vật liệu có khả năng phân hủy sinh học được ứng dụng làm các implant loại tạm thời và các phụ kiện sử dụng trong một khoảng thời gian nhất định. Chúng thường được sử dụng cho cả mô cứng và mô mềm. Tính chất của các vật liệu kim loại sinh học được chỉ ra trong bảng 1.
7 luan an Bảng 1. So sánh đặc tính giữa vật liệu kim loại vĩnh cửu và kim loại phân hủy sinh học [2] Vật liệu kim loại vĩnh cửu Vật liệu phân hủy sinh học Tính chất cơ Ổn định theo thời gian Suy giảm theo thời gian học Ion giải phóng Gây độc hại cho cơ thể Ít hoặc không gây độc hại cho cơ thể. Tương tác với Trơ sinh học Hoạt tính sinh học cao mô xung quanh Ứng dụng Phổ biến cho các ứng dụng Các ứng dụng đặc biệt cho các chỉnh hình, nha khoa cấy ghép tạm thời. Ưu điểm Bền cơ học và có khả năng Không cần phẫu thuật lần 2 để chống ăn mòn cao.
lấy vật liệu cấy ghép. Nhược điểm - Trơ sinh học -Tốc độ phân hủy quá nhanh - Phải tiến hành phẫu thuật lại -Tính chất cơ lý của vật liệu cấy để lấy vật liệu cấy ghép. ghép giảm theo thời gian. Cách khắc - Xử lí, sửa đổi bề mặt - Xử lí bề mặt phục -Tạo các lớp phủ bề mặt có - Tạo các lớp phủ giúp che chắn hoạt tính sinh học cao.
và bảo vệ kim loại nền. Mỗi loại vật liệu kim loại sinh học đều có ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng. Do đó, cần hiểu rõ đặc tính của từng loại để định hướng ứng dụng phù hợp các kim loại này trong lĩnh vực y sinh. Đối với lĩnh vực chấn thương và chỉnh hình, tính chất quan trọng nhất của vật liệu cấy ghép là khả năng tương thích sinh học.
Sau khi cấy ghép, thông qua sự tương tác giữa bề mặt vật cấy ghép và môi trường sinh học xung quanh, cơ thể chấp nhận hoặc không chấp nhận vật liệu cấy ghép. Trong trường hợp không chấp nhận, mà cơ thể vẫn “coi” vật liệu cấy ghép như vật thể lạ bên ngoài thì việc cấy ghép trở nên thất bại. Cơ chế đào thải vật liệu cấy ghép có thể diễn ra như mô phỏng trên hình 1. Sự kết dính của tiểu bào sẽ kích hoạt giải phóng các tác nhân đông máu và dẫn đến ăn mòn kim loại và vật liệu cấy ghép bị suy yếu.
Đồng thời, tại vị trí cấy ghép xảy ra 8 luan an hiện tượng viêm nhiễm và gây đau đớn cho người bệnh. Ngược lại, nếu cơ thể dần chấp nhận vật cấy ghép thì việc cấy ghép sẽ thành công. Tại vị trí cấy ghép các mô tế bào xung quanh phát triển bình thường và có sự đáp ứng sinh học cao (như trên hình 1.2c chỉ ra cơ chế của sự liền xương sau khi cấy ghép. Đầu tiên là sự hình thành mô hạt (khối máu tụ), tiếp theo là hình thành mô sụn và tái tạo xương, cuối cùng là sự liền xương [22].
Tại giao diện giữa xương và vật liệu cấy ghép diễn ra các quá trình theo thứ tự lần lượt: sự hấp thụ huyết thanh, hấp thụ tế bào trung mô, sinh trưởng tế bào, biệt hóa và hình thành xương, canxi hóa và cuối cùng là sự liền xương như thể hiện trên hình 1. a-Hình ảnh vật liệu cấy ghép thất bại [22] b-Vật liệu đáp ứng sinh học [22] 9 luan an c- Cơ chế liền xương [22] d- Minh họa tế bào tại giao diện giữa xương- vật liệu cấy ghép theo thời gian [19] Hình 1. Hình ảnh vật liệu implant sau khi cấy ghép 1. Vật liệu kim loại phân hủy sinh học Thuật ngữ "biodegradable metal" viết tắt là BM đã được sử dụng trên toàn thế giới để mô tả các loại vật liệu kim loại có khả năng phân hủy sinh học cho các ứng dụng y sinh [2, 23, 24].
BM sẽ bị ăn mòn dần dần trong cơ thể người và động vật và tạo ra các sản phẩm ăn mòn thích hợp với cơ thể, sau đó hòa tan hoàn toàn sau khi hoàn thành việc hỗ trợ làm liền các mô mà không còn tồn tại dư lượng của vật liệu cấy ghép tức là không cần phẫu thuật để thu hồi vật liệu cấy ghép. Do đó, thành phần chính của BM là các nguyên tố kim loại thiết yếu có thể chuyển hóa với tỷ lệ và độ suy thoái thích hợp trong cơ thể con người. 10 luan an Do đó, vật liệu BM có cơ hội mới đầy hứa hẹn như là một thế hệ vật liệu tiềm năng cho chế tạo vật liệu cấy ghép hoạt tính cao.