CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU Cấu trúc và sinh cơ học của mô xương Để sữa chữa khuyết hỗng xương bằng vật liệu thay thế, lĩnh vực “kiến trúc mô” hướng đến mục tiêu chế tạo ra các mảnh ghép giá đỡ có đặc tính sinh cơ học gần giống với mô xương nhất có thể và góp phần kích thích tân tạo xương. Điều này chỉ có thể đạt được khi hiểu rõ cấu trúc và sinh cơ học của loại mô đặc biệt này. Xương là loại mô trải qua quá trình thay đổi và tạo mới không ngừng. Ở quan sát đại thể, đa số các xương bao gồm xương vỏ và xương xốp với sự phân bố và tập trung thay đổi tùy thuộc vào chức năng của xương.
Xương vỏ có mật độ xương cao để chịu lực trong khi xương xốp có các khoang mở chứa tủy xương và tham gia chính vào quá trình chuyển hóa. Ở mức độ vi thể, xương vỏ gồm hệ thống trụ xương và xương xốp gồm các bè xương. Ở mức độ dưới vi thể, các trụ xương và bè xương được tạo thành từ các phiến xương xếp song song. Và cuối cùng ở mức độ siêu vi thể, tinh thể chất khoáng và các sợi collagen hình thành nên các phiến xương.1: Cấu trúc xương từ đại thể đến siêu vi thể.Y, Kuhn-Spearing L, Zioupos P, 1998>> [70].
Xương vỏ Xương vỏ là mô xương đặc chiếm đến 80% trọng lượng của bộ xương, được tìm thấy bên dưới màng xương, ở vùng thân xương dài và xương dưới sụn. Đơn vị cấu trúc vi thể của xương vỏ được gọi là trụ xương, hay còn gọi là hệ thống Havers, có đường kính trung bình khoảng 200 µm, được chia tách với mô xung quanh và các trụ xương khác bởi đường xi măng. Trụ xương gồm hai loại: trụ xương nguyên phát hình thành trong quá trình tạo xương mới và trụ xương thứ phát do quá trình tái cấu trúc xương. Mỗi trụ xương được cấu tạo từ các vòng đồng tâm chất nền canxi hóa xếp thành phiến.
Chạy giữa trung tâm mỗi trụ xương là kênh trung tâm, hoặc ống Havers, là nơi chứa mạch máu, thần kinh và mạch bạch huyết, có đường kính trung bình khoảng 50 µm. Các mạch máu và thần kinh chia nhánh thông qua các kênh Volkmann để đến màng ngoài và màng trong xương. Cốt bào nằm bên trong các khoang ranh giới giữa các phiến xương liền kề. Các mạng lưới vi ống giúp kết nối các cốt bào với nhau và với kênh trung tâm.
Hệ thống này cho phép dinh dưỡng và các tín hiệu sinh học đến được cốt bào (hình 1.2: Cấu trúc vi thể của xương vỏ. 6 Xương vỏ có mật độ cao và độ rỗng khoảng 5-10%, được tạo ra chủ yếu bởi ống Havers, kênh Volkmann và các vùng tiêu xương tạm thời [44]. Các đặc tính cơ học của xương vỏ như mô đun đàn hồi, độ bền sẽ thay đổi tùy theo vị trí giải phẫu, tuổi tác, giới tính, dinh dưỡng, hoạt động sinh lý. Mô đun đàn hồi của xương vỏ được báo cáo nằm trong khoảng 7-20 GPa và độ bền nén ép 100-250 MPa [13],[22],[91].
Xương xốp Xương xốp tìm thấy ở hành xương, đầu xương và khoang tủy của các xương dài, bên trong các xương dẹt và trong thân sống. Xương xốp bao gồm cấu trúc ba chiều của các bè xương sắp xếp lộn xộn hình thành bởi các phiến xương, mỗi bè dày khoảng 200 µm và các khoang rỗng [44] (hình 1. Xương xốp có tỉ lệ rỗng khoảng 75-95%, các khoang rỗng được kết nối với nhau và lấp đầy bởi tủy xương. Trị số mô đun đàn hồi của xương xốp vào khoảng 1,5-11,2 GPa, độ bền nén ép 11-24 MPa [20],[50],[51], thấp hơn rất nhiều so với xương vỏ (p<0,0001, [69]).3: Cấu trúc vi thể của xương xốp: (a) mặt cắt mô học dưới kính hiển vi quang học; (b) dựng hình không gian ba chiều bởi micro CT-scan.
Vùng chuyển tiếp vỏ-xốp Phương tiện hình ảnh học với độ phân giải cao cho phép nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc vi thể xương vỏ, đặc biệt là độ rỗng của nó. Nhờ vào tiến bộ này, người ta phát hiện xương vỏ không phải là một cấu trúc đồng nhất, mà ở lớp vỏ trong nơi tiếp giáp lòng tủy là vùng có mật độ xương thưa dần với độ rỗng cao hơn lớp vỏ ngoài, gọi là vùng chuyển tiếp vỏ-xốp. Đây là nơi quá trình tái cấu trúc xương trong vỏ diễn ra mạnh mẽ làm mở rộng và hợp nhất các ống Havers và kênh Volkmann sẵn có thành các kênh rỗng chứa mạch máu lớn hơn so với ở lớp vỏ ngoài (có thể đến 250 µm đường kính) [65]. Theo tuổi tác, mất xương không chỉ xảy ra ở vùng xương xốp mà vùng chuyển tiếp cũng mở rộng về phía vỏ ngoài xương (hiện tượng xốp hóa xương vỏ), chiếm hơn 50% lượng xương vỏ mất đi và góp phần đáng kể làm suy giảm sức mạnh của xương [94].4: a: Hình quét kính hiển vi điện tử cho thấy mật độ xương giảm dần khi đi từ vùng xương vỏ đặc, qua vùng chuyển tiếp đến khoang tủy thân xương đùi người trưởng thành.
b: Dựng hình 3D vỏ thân xương đùi từ micro CT-scan cho thấy các kênh rỗng (màu đỏ) tập trung nhiều tại vùng chuyển tiếp. 8 Nhận xét: Những hiểu biết về sinh cơ học mô xương hiện nay đã phủ nhận giả thuyết của Wolff (1892): “Xương vỏ đơn giản chỉ là xương xốp có mật độ cao” [92], cũng như giả thuyết của Carter và Hayes (1977): “Mô đun đàn hồi của xương vỏ có thể tính toán từ sự tương quan mô đun đàn hồi – mật độ của xương xốp” [86]. Điều này nhấn mạnh khi xem xét mô xương ở khía cạnh sinh cơ học, đặc biệt trong việc ứng dụng các dụng cụ cấy ghép thay thế xương, không thể đánh đồng mô xương vỏ với xương xốp cũng như không thể chỉ xem xương vỏ là một cấu trúc đồng nhất. So sánh tương quan giữa mô xương người và xương thỏ trong các nghiên cứu thực nghiệm Để xác định một dụng cụ cấy ghép mới liệu có đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về tính tương thích sinh học, tính an toàn, sinh cơ học vững chắc… cho người bệnh, việc thực hiện các nghiên cứu tiền lâm sàng trong ống nghiệm hay trong cơ thể sống là yêu cầu bắt buộc.
Các nghiên cứu trong ống nghiệm bằng cách cấy tế bào xương lên mảnh ghép trả lời được các câu hỏi về tính tương thích tế bào, tính độc tế bào, sự tăng sinh và biệt hóa tế bào [27] và dễ dàng chuẩn hóa cũng như định lượng hơn các nghiên cứu trên cơ thể sống [56]. Tuy nhiên nghiên cứu trong ống nghiệm không cho thấy được đáp ứng của mô kí chủ với vật liệu cấy ghép, giới hạn khảo sát tế bào do thời gian sống ngắn ngủi, thiếu tác động của tải lực sinh lý lên quá trình tăng sinh biệt hóa. Vì những lý do này, mô hình thí nghiệm trên động vật là cần thiết để đánh giá tính tương thích sinh học, đáp ứng mô và chức năng cơ sinh học của dụng cụ cấy ghép trước khi sử dụng chính thức trên cơ thể người. Mặc dù không có loài động vật nào đáp ứng đầy đủ yêu cầu cho một mô hình lý tưởng thay thế xương người, việc hiểu biết về sự khác biệt trong thành phần và cấu trúc cũng như chu chuyển xương giữa các loài sẽ giúp tác giả lựa chọn mô hình thích hợp để trả lời câu hỏi nghiên cứu [64].
Tiêu chuẩn ISO về Đánh giá sinh học đối với trang thiết bị y tế cho thấy các các loài động vật như chó, cừu, dê, heo, thỏ phù hợp cho các thử nghiệm cấy ghép vật liệu lên xương [33], trong đó mô hình thỏ được sử. 9 dụng phổ biến nhất nhờ vào những thuận lợi về tính sẵn có, chi phí, công tác chăm sóc, nuôi dưỡng và quản lý, mô xương tương đối đồng nhất với xương người và đạt được sự trưởng thành sớm (khoảng 4-6 tháng tuổi), khả năng dung nạp phẫu thuật và sự chấp nhận về mặt y đức [64].5: Hình ảnh vi thể mô xương vỏ thân xương đùi của thỏ trắng New Zealand. Dưới kính hiển vi quang học. Độ phóng đại x100.
PO: trụ xương nguyên phát. SO: trụ xương thứ phát. CL: đường xi-măng. <<Nguồn: Martiniaková M, Omelka R, Grosskopf B, 2008 >> [46] b.
Dưới kính hiển vị điện tử: các kênh mạch máu tập trung nhiều ở vùng vỏ trong so với vùng vỏ ngoài. <<Nguồn: Pazzaglia E, Congiu T, Raspanti M, 2009>> [63] Vế mặt đại thể, có sự khác biệt lớn về hình dạng giải phẫu, kích thước cũng như tải lực sinh lý giữa xương thỏ và xương người nhưng sự phân bố giữa xương vỏ và xương xốp là khá tương đồng. Về mặt vi thể, mô xương vỏ của thỏ cũng gồm hệ thống các trụ xương thứ phát với kênh trung tâm chứa mạch máu đi kèm nhưng có nhiều hơn các trụ xương nguyên phát bao quanh khoang tủy và dưới màng xương [87] (hình 1. Về các thành phần của xương, có sự tương đồng giữa mật độ khoáng, chất hữu cơ giữa xương thỏ trưởng thành và xương người, điều này dẫn đến sự tương.
10 đồng về độ bền gãy thân xương dài giữa hai loài [87]. Về tái cấu trúc xương, xương vỏ của thỏ cũng có những thay đổi vi cấu trúc tương tự loài người [28] nhưng ở tốc độ chu chuyển xương nhanh hơn [16]. Điều này có thể giúp thuận lợi trong việc rút ngắn thời gian nghiên cứu nhưng cũng là một khó khăn trong suy diễn kết quả trên người. Do kích thước xương tương đối nhỏ, để tránh gây gãy xương cho thỏ do khuyết hỗng nhân tạo, tiêu chuẩn ISO về Đánh giá sinh học đối với trang thiết bị y tế khuyến cáo mảnh ghép giá đỡ hình trụ đặt vào thân xương đùi và xương chày không nên vượt quá 2 mm đường kính và 6 mm chiều dài [33].
Giải pháp mảnh ghép giá đỡ thay thế khuyết hỗng xương đáng kể 1. Định nghĩa khuyết hỗng xương đáng kể Khuyết hỗng xương đáng kể (KHXĐK) xảy ra khi đoạn xương bị mất đi sẽ không được lấp đầy một cách tự nhiên nếu không được can thiệp. Ở người trưởng thành, KHXĐK khi chu vi xương mất > 50% và chiều dài mất > 2 cm [57]. Trên động vật, chưa có định nghĩa rõ ràng do khác biệt kích thước xương giữa các loài, nhìn chung KHXĐK khi chiều dài đoạn xương mất vượt quá 2-2,5 lần đường kính xương [43].
Một số phương pháp điều trị kinh điển cho KHXĐK Điều trị khuyết hỗng xương lớn hiên nay vẫn là thách thức không nhỏ của chuyên ngành Chỉnh hình, đặc biệt người bệnh trên lâm sàng thường kèm theo các tổn thương mô mềm phức tạp, tình trạng nhiễm trùng tại chỗ, v.