Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. GIỚI THIỆU CẤU TẠO XƯƠNG Xương ở người bao gồm tổng cộng 206 xương. Chúng có vai trò như một giàn giáo cung cấp hỗ trợ vững chắc cho các cơ quan và mô khác trong cơ thể [4]. Thành phần hoá học của xương bao gồm khoảng 65 – 70% thành phần vô cơ, 10 – 12% thành phần hữu cơ và 18 – 25% thành phần nước [5].
Với các thành phần hóa học và sinh hoá của xương tạo nên những đặc điểm cơ học và sinh học đặc biệt. Bên cạnh đó, nó cung cấp ba chức năng chính: (1) cung cấp khả năng cơ học cho việc vận động, (2) bảo vệ các cơ quan quan trọng như não và tủy xương, và (3) duy trì sự cân bằng nội môi khoáng chất.1 Cấu trúc của xương [6] Chiếm phần lớn thành phần vô cơ của xương là các khoáng chất, đặc biệt các khoáng chất như canxi và photphat chiếm tỉ lệ nhiều nhất. Những khoáng chất này tạo thành tinh thể hydroxyapatit dạng hình tấm nhỏ, có kích 5 thước khoảng 20-50 nm chiều dài, 15 nm chiều rộng và 2-5 nm chiều dày [7]. Khoảng 60–70% trọng lượng của xương là canxi và photphat, chúng tạo nên độ bền và độ cứng của cấu trúc.
Hydroxyapatit, là thành phần thiết yếu của xương, có vai trò trong việc duy trì hình thái của xương và góp phần thúc đẩy quá trình tái tạo xương, đặc biệt là trong quá trình tạo xương và dẫn truyền xương. Tuy nhiên, bên cạnh các thành phần vô cơ của xương còn có mặt các ion khác chiếm tỉ lệ ít hơn, bao gồm natri, kali, magie, cacbonat, bari và kẽm. Độ kết tinh của các khoáng chất trong xương có thể bị giảm đi bởi các ion này, điều này có thể dẫn đến những thay đổi về đặc tính khoáng chất cụ thể, bao gồm cả độ hòa tan – một yếu tố quan trọng trong việc duy trì cân bằng nội môi khoáng chất và thúc đẩy sự thích nghi của xương. Nước cũng là thành phần thiết yếu của mô xương.
Nước hoạt động như một dung môi trong ma trận collagen, từ đó, giúp tạo điều kiện duy trì độ ẩm và tăng tính linh hoạt của xương. Bên cạnh đó, ở bề mặt của hydroxyapatit có một lớp ion bị hydrat hoá giúp tạo môi trường trao đổi ion diễn ra hiệu quả hơn giữa các tinh thể và dịch cơ thể [8]. Thành phần hữu cơ của xương chủ yếu là collagen loại I với khoảng 90% tổng lượng hữu cơ, phần còn lại gồm collagen loại III, loại VI và các protein không phải collagen chiếm khoảng 10% [9]. Collagen loại I có cấu trúc xoắn ba đặc trưng, bao gồm ba chuỗi polypeptit, chứa khoảng 1000 axit amin trong mỗi chuỗi.
Trong đó, hai sợi (α1(I)) giống nhau, còn sợi thứ ba (α2(I)) cấu trúc tương tự nhưng sự di truyền có tính khác biệt. Các sợi polypeptit này, có chiều dài khoảng 300 nm, được liên kết với nhau qua liên kết hydro, đặc biệt là giữa các gốc điện tích và hydroxylproline. Để tạo ra sợi collagen, các sợi polypeptit này được sắp xếp và tạo liên kết với nhau theo kiểu song song, sau đó được bó lại thành các sợi collagen [7]. Những sợi này có độ bền kéo cao, có thể chịu được độ giãn dài từ 10 đến 20% trước khi đứt.
Chúng cũng linh hoạt và có thể tự sắp xếp thành mạng lưới sợi collagen mỏng thưa thớt hoặc bó dày đặc, tùy thuộc vào chức năng và vị trí của chúng. Thành phần tiếp theo của hữu cơ xương là protein không phải collagen có hàm lượng 6 dao động từ khoảng 10% đến 15%. Nhiều chức năng sinh học quan trọng được thực hiện bởi các protein này như điều hòa hoạt động của tế bào xương, truyền tín hiệu tế bào, khoáng hóa và tái tạo xương [6]. Quá trình khoáng hoá sinh học là quá trình hình thành apatit trong ma trận ngoại bào của collagen.
Quá trình tạo mầm của hydroxyapatit trong xương liên quan đến sự tương tác bởi các protein mang điện âm trên sợi collagen loại I. Ma trận xương thường trải qua quá trình khoáng hóa nhanh chóng trong khoảng 13 ngày sau khi hình thành, gồm (1) khoáng hóa sơ cấp, hoàn thành đến 70% trong vài ngày đầu, và (2) khoáng hóa thứ cấp, hoàn thành 30% còn lại trong nhiều năm. Các tinh thể khoáng của xương thường được mô tả có dạng tấm với phạm vi kích thước rộng. Xương vỏ thường có các tinh thể apatit phẳng, với trục c-song song với cả trục xương và trục sợi collagen dài.
Mặc dù trước đây có sự bất đồng về hình dạng của hạt khoáng, các phân tích gần đây đã xác định rằng các tinh thể phẳng, có thể bị ảnh hưởng bởi sự phát triển của tinh thể trung gian octacanxi photphat (OCP). Những phát hiện này làm sáng tỏ về hình dạng của các tinh thể xương thật và cơ chế hình thành của chúng [10]. Hơn nữa, xương ở các vị trí khác nhau sẽ có cấu trúc cấu tạo khác nhau cùng với tỉ lệ kích thước thay đổi để phù hợp với vị trí trong cơ thể. Đặc tính đặc biệt này cho phép xương thực hiện nhiều chức năng cơ học, sinh học và hóa học.
Theo định luật của Wolff, xương của người hoặc động vật khỏe mạnh sẽ điều chỉnh để chịu đựng áp lực mà nó gặp phải. Khi áp lực tăng, xương sẽ trải qua quá trình tái tạo và tự tái cấu trúc để tăng cường khả năng chịu tải theo thời gian. Điều này bao gồm thay đổi cấu trúc bên trong của các xương bè và tăng độ dày của vỏ xương ở bên ngoài. Ngược lại, khi áp lực trên xương giảm, điều này có thể gây ra giảm mật độ xương, gọi là loãng xương.
Hiện tượng này có thể xảy ra sau khi một khớp nhân tạo được cấy vào, do kim loại có độ cứng cao hơn so với xương, tạo ra hiệu ứng che chắn áp suất trên xương [11]. 7 Ở mức độ vĩ mô, cấu trúc của xương có nhiều hình dạng khác nhau, mỗi hình dạng được tùy chỉnh để thực hiện chức năng sinh học cụ thể của nó. Tuy nhiên, xương thường được phân loại thành hai loại chính: xương vỏ, còn được gọi là xương đặc và xương xốp, còn được gọi là xương bè (Hình 1. Thành phần của hai loại xương này tương đối giống nhau nhưng có sự khác biệt ở cấu trúc vi mô và vĩ mô.
Trong hầu hết các xương, xương có một lớp vỏ làm lớp bề mặt ngoài cùng của nó, với độ dày dao động từ một phần mười milimet ở các cấu trúc như đốt sống đến vài milimet hoặc thậm chí vài centimet, đặc biệt rõ ràng ở phần giữa của xương dài. Xương vỏ này có mức độ rỗng khoảng 6%, làm cho nó trở thành một loại xương tương đối đặc. Ngược lại, xương xốp thường phát triển nằm trong các xương đặc chịu áp lực nén. Xương xốp có 3 cấu trúc vi mô cơ bản gồm tấm-tấm, thanh-thanh và thanh-tấm, được kết nối với nhau bằng một mạng lưới các sợi xốp.
Xương xốp được biết đến với các lỗ rỗng chiếm khoảng 50% - 90% cấu trúc của nó. Độ dày của xương bè dao động từ khoảng 50 đến 300 µm [10]. Một trong những đặc điểm ảnh hưởng đến chất lượng cơ học của xương là độ xốp của nó. Do độ xốp khác nhau nên xương đặc và xương xốp biểu hiện những đặc điểm khác biệt về mặt cơ học.
Mặc dù xương xốp chỉ có thể chịu được độ biến dạng cao lên tới 50% nhưng chịu được ứng suất thấp hơn (lên đến khoảng 50 Mpa) trước khi tới điểm đứt gãy, trong khi xương đặc lại chịu được lực nén cao hơn (lên đến khoảng 150 MPa) và khả năng biến dạng lại thấp hơn chỉ khoảng 3% trước khi gãy [12].2 Cấu trúc của mô xương [12] 8 1. TỔNG QUAN VẬT LIỆU BIPHASIC CANXI PHOTPHAT (BCP) Do nhu cầu ngày càng tăng về nhiều loại cấu trúc xương và mô cấy ghép, lĩnh vực y sinh đã chứng kiến những tiến bộ đáng kể trong suốt thế kỷ qua về lĩnh vực tái tạo xương nhân tạo. Điều này chủ yếu là do tuổi thọ gia tăng và tần suất xuất hiện ngày một nhiều các chấn thương và bệnh tật liên quan đến xương. Theo đó, lĩnh vực kỹ thuật mô xương đã mở rộng để giải quyết những vấn đề liên quan và cung cấp một giải pháp thay thế hiệu quả và khả thi cho phương pháp ghép xương từ đồng loại hoặc ghép xương từ cơ thể người.
Điều này được nghiên cứu bằng cách kết hợp các vật liệu sinh học và tế bào để thúc đẩy sự tăng trưởng mô xương. Ngoài việc cải thiện các đặc tính tối ưu trong phẫu thuật và tính chất cơ học, các vật liệu sinh học được cấy vào để tái tạo xương phải có tính tương thích sinh học cao và thúc đẩy sự kết dính, tăng trưởng và biệt hoá tế bào để đảm bảo quá trình lành mô sau khi cấy ghép [13]. Trong lĩnh vực vật liệu sinh học tổng hợp, gốm sứ sinh học dựa trên canxi photphat (CaP) đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong nghiên cứu y học, đặc biệt là trong lĩnh vực chỉnh hình và nha khoa [14]. Từ đầu thế kỷ 20, vật liệu canxi photphat đã được bắt đầu nghiên cứu bởi các cộng đồng các nhà khoa học như một vật liệu tiềm năng để ứng dụng làm vật liệu tái tạo xương trong các ứng dụng y sinh.
Từ năm 1920, đã có nghiên cứu đầu tiên về việc sử dụng vật liệu CaP làm chất độn để sửa chữa các khuyết tật xương ở thỏ [15]. Những vật liệu này đã được nghiên cứu rộng rãi nhờ hoạt tính sinh học vượt trội, khả năng dẫn truyền xương và khả năng tích hợp với mô xương [16]. Gốm canxi photphat đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y tế khác nhau như chất thay thế xương, lớp phủ, hệ thống phân phối thuốc và giàn giáo kỹ thuật mô. Điều này là do vật liệu canxi photphat có các tính chất và đặc điểm được mô phỏng giống với xương tự nhiên ở người [17].
Bên cạnh đó, ở thí nghiệm cấy ghép trong cơ thể người, khi được cấy ghép vào xương và tiếp xúc với dịch cơ thể người thì vật liệu CaP thể hiện đặc tính phân huỷ sinh học và giải phóng các ion vào môi trường. Ở bề mặt tiếp xúc giữa xương và vật 9 liệu cấy ghép, các ion Ca2+ và ion PO43- được giải phóng làm tăng lượng ion xung quanh và gây ra sự quá bão hoà trong môi trường sinh học dẫn đến hình thành kết tủa các tinh thể apatit trên bề mặt vật liệu [18]. Hơn nữa, vật liệu CaP cũng được sử dụng như một chất mang dùng để vận chuyển các yếu tố tăng trưởng, các peptit sinh học và các loại tế bào khác.