Vật liệu sinh học trong hệ tim mạch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG………………… TIỂU LUẬN Vật liệu sinh học hệ tim mạch LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com I MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, tỷ lệ người mắc bệnh tim mạch giới ngày gia tăng Có nhiều nguyên nhân dẫn đến bệnh tim mạch như: bẩm sinh hay chế độ ăn uống, làm việc, tập luyện… không hợp lý Vì vậy, coi “tên giết người hàng đầu” giới Năm 2004, có 17,1 triệu người chết (chiếm 29% ca tử vong) bệnh tim mạch Bệnh tim mạch gồm nhiều loại bệnh mạch vành, tai biến mạch máu não, bệnh động mạch ngoại vi, bệnh thấp tim, tim bẩm sinh… việc điều trị bệnh tim mạch biến chứng nghiên cứu chữa trị Với phát triển công nghệ y học, vật liệu sinh học tổng hợp hay tự nhiên đưa vào thể nhằm chữa trị hỗ trợ chức thể Hiện nay, người ta chế tạo van tim nhân tạo, mạch máu nhân tạo, hay chất thay máu… để thay phận bị hư hỏng thể Tuy nhiên, yêu cầu vật liệu sinh học phải có đặc tính đặc biệt như: tính tương hợp sinh học, khơng sinh khối u, kháng xói mịn, có độc tính thấp… nhà khoa học khơng ngừng nỗ lực tìm kiếm hồn thiện nguồn vật liệu sinh học, nâng cao hiệu chữa trị bệnh tim mạch Trên sở thực tiễn đó, nhóm chọn đề tài: “Vật liệu sinh học hệ tim mạch” với hy vọng qua đề tài giúp hiểu rõ vật liệu sinh học ứng dụng hệ tim mạch LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com II NỘI DUNG 2.1 Vật liệu sinh học tiếp xúc máu 2.1.1 Sự tương tác 2.1.1.1 Lý luận  Vì vật liệu sinh học khái niệm chất hợp chất (khơng phải thuốc) có nguồn gốc tổng hợp tự nhiên, dùng để điều trị, tăng cường thay mô, quan chức thể nên chúng thể vật chủ xem vật ngoại lai dẫn đến tương tác qua lại vật chủ vật ngoại lai  Sự tương tác biểu sau:  Vật liệu gây phản ứng khơng tốt với vật chủ gây phản ứng đủ để kích thích hịa hợp mơ - vật ghép tốt Sự xuất phản ứng viêm điều cần thiết tiến trình lành hóa vết thương Điều có nghĩa thể vật chủ gây đáp ứng miễn dịch đặc hiệu  Đáp ứng miễn dịch đặc hiệu phản ứng bình thường động vật có xương sống vật lạ đưa vào thể Đây phản ứng bảo vệ để giải độc, trung hòa giúp loại trừ vật lạ  Các đáp ứng phân thành bốn loại: loại I, loại II, loại III, loại IV Bốn đáp ứng theo chế thơng thường, kích động diện vật lạ kháng nguyên (antigen) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Loại Kháng thể TB liên quan Các chất trung gian Kết I IgE Tế bào B Histamin,các amin vận mạch Ngứa, viêm mũi, giãn mạch II IgG, IgM Tế bào B Histamin,các amin vận mạch Giãn mạch III IgG, IgM Tế bào B Các amin vận mạch Đau, sưng, nghẽn mạch, giãn mạch IV Khơng có Tế bào T Cytokin Đau, sưng 2.1.1.2 Đáp ứng miễn dịch người với vật liệu  Nhựa Vật liệu nhựa dùng để chế tạo găng, bao cao su… cao su (elastomer) trích từ thực vật Dị ứng với nhựa thường loại I (đáp ứng qua trung gian IgE) với phản ứng tức (trong vịng vài phút) đe dọa sống Tuy nhiên, nhựa không sử dụng để chế tạo vật liệu ghép thời gian dài nên đáp ứng thời gian dài không ý  Collagen Collagen thu nhận từ nguồn vật liệu tự nhiên da, mơ bị… Đây protein ngoại lai nên có khả kích thích nhiều đáp ứng miễn dịch Các kháng thể lớp IgE, IgM, IgG đáp ứng miễn dịch qua trung gian tế bào quan sát Phòng ngừa quan trọng loại bỏ nhiều vật liệu ngoại lai tốt Do collagen lồi động vật có vú có cấu trúc tương tự nên loại bỏ protein nhiễm để lại vật liệu không sinh dị ứng Xử lý hóa học khâu mạch collagen làm giảm tính sinh kháng ngun LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Các polymer tổng hợp Các vật liệu dựa tảng thành phần carbon, hydro, nitơ oxy tạo nên hệ sinh học Do việc tạo vật liệu có tính kháng ngun khơng thể xảy Tuy nhiên, số vật liệu polymer có nửa hóa học đáng quan tâm polysiloxane (silicone elastomer), polyurethane, poly(methyl) methacrylate… 2.1.1.3 Kết đáp ứng miễn dịch Đáp ứng miễn dịch dường có khuynh hướng trung hịa, khử độc tính giúp loại trừ vật liệu ngoại lai Tuy nhiên, đáp ứng miễn dịch gây hại  Hư hỏng vật ghép Sự viêm, phần khởi đầu đáp ứng miễn dịch, phản ứng oxy hóa Các vật ghép polyurethane polyethylene bị phân hủy  Hư hỏng mô kế cận Các sản phẩm, đặc biệt đáp ứng loại II IV, khởi động phồng đáp ứng mạch khác vùng ghép Giải khơng có hại gây hoại tử mơ và/hoặc sinh khối mô với lỏng lẻo di chuyển vật ghép  Các đáp ứng hệ thống Các đáp ứng miễn dịch loại I loại II sinh chất vận mạch Các chất tuần hồn gây giãn mạch Có thể nhận thấy điều đáp ứng với vật liệu nhựa thuốc kết hợp với tiểu cầu, tế bào mast bạch cầu ưa acid, dẫn đến đáp ứng miễn dịch giải phóng chất vận mạch LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com  Các bệnh tự miễn Đây kết gây tranh cãi đáp ứng miễn dịch với vật ghép Bệnh tự miễn kết đáp ứng miễn dịch với mô chủ Các bệnh tự miễn chứng viêm khớp, viêm cầu thận… xảy cá thể nguyên nhân chưa biết có số liên quan đến nhiễm trước (đặc biệt nhiễm streptococci) Việc chứng minh nguyên nhân hậu vấn đề dịch tể học với nghiên cứu quần thể lớn Vấn đề quan trọng phải cải tiến kỹ thuật thử nghiệm miễn dịch để giải thích nguyên nhân, hậu liên quan đến vật ghép thực kỹ khảo sát dịch tể học Các đáp ứng vài chế Hai chế xảy vật ghép (i) vật ghép gắn với mô chủ làm cho trở thành vật ngoại lai phức hợp hapten - vật mang (ii) biến đổi mô chủ thông qua cuộn (gấp) protein, phân hủy tế bào hay protein tạo kháng nguyên mô chủ Đây hậu việc bơm ngực silicon 2.1.2 Ý tưởng cải tạo tính tương hợp máu Hiện nay, vật liệu sử dụng lâm sàng đạt yêu cầu đặc tính học tính tương hợp tuyệt đối chúng với máu chưa đạt Do đó, vật liệu polymer polyurethane, silicone, polyolefin sử dụng thời gian ngắn gây đông cần chất chống đông máu Dưới điều kiện sinh lý, bề mặt mạch tiếp xúc với máu lớp tế bào nội mô Các tế bào thực chức điều hòa nghẽn mạch, tham gia tổng hợp, vận chuyển chất hoạt động chuyển hóa Đặc điểm tế bào nội mơ tính tương hợp máu Do đó, việc phủ bề mặt vật liệu với lớp đơn tế bào nội mô người quan điểm hứa hẹn để tạo bề mặt tương hợp sinh học Tuy nhiên, việc phát triển quan lai chưa thực tế bào nội mơ người LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com không tăng trưởng bề mặt lạ Trong mạch bình thường, tế bào nội mô tăng trưởng màng tự tạo gồm collagen, proteoglycan, glycoprotein fibronectin laminin Một đoạn fibronectin có trình tự RGD có vai trị bám dính tế bào nội mơ Nhiều nhóm nghiên cứu cố gắng tăng sinh tế bào nội mô polymer tổng hợp cách phủ bề mặt polymer với fibronectin collagen cách kết hợp đồng hóa trị oligopeptide chứa trình tự tripeptide RGD đặc hiệu Việc phát triển vật liệu cấy ghép có phủ tế bào nội mơ để ứng dụng thời gian dài công việc phức tạp tiêu tốn nhiều thời gian Nhiều ý tưởng thực để cải tạo tính tương hợp máu vật liệu 2.1.2.1 Tối thiểu tương tác Một phương pháp cải tạo tính tương hợp máu polymer vào bề mặt polymer có tính ưa nước cao giảm hấp thụ protein giảm bám dính tế bào Để phát triển hệ polymer tương hợp máu mới, domain ưa nước kỵ nước điều chỉnh để giảm lượng bề mặt Một thành phần thích hợp hỗn hợp polymer chiều dài đoạn copolymer khối kiểm sốt hình dạng polymer Người ta quan sát bám dính tiểu cầu giảm đáng kể bề mặt copolymer khối ABA HEMA ưa nước (A) styren kỵ nước (B) Sự thay đổi đoạn ưa nước mềm cứng khác polyurethane hấp thu fibrinogen thấp albumin cao giúp cải tạo tính tương hợp máu Ngồi ra, tối thiểu tương tác hệ sinh học/vật liệu sinh học cách biến đổi bề mặt polymer mà khơng thay đổi đặc tính khối polymer Ví dụ, bề mặt polymer ghép với PEO tính ưa nước tăng, làm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com giảm hoạt hóa bổ thể bám dính tiểu cầu Tương tự, polymer kỵ nước phủ lớp hydrogel PHEMA cải thiện tính khơng nghẽn mạch polymer Việc cố định nhóm chức nhóm hydroxyl, carboxyl, amino khơng làm giảm lượng bề mặt mà hoạt động nhóm liên kết đẩy mạnh biến đổi bề mặt hóa học 2.1.2.2 Ghép thuốc Tính tương hợp máu vật liệu sinh học cải thiện cách phủ ghép chất chống đông, chất ức chế bám dính tiểu cầu chất hoạt hóa tiêu fibrin Ví dụ phổ biến bắt cặp ion đồng hóa trị heparin với bề mặt catheter stent tiếp xúc với máu Theo nguyên tắc này, chất sinh oxy có heparin gắn đồng hóa trị kiểm tra thử nghiệm lâm sàng Do hoạt tính heparin giảm theo thời gian tiếp xúc nên ứng dụng thời gian dài chưa thành công Nguyên tắc ứng dụng để cố định albumin, urokinase prostaglandin vật liệu sinh học Sự bám dính tiểu cầu giảm cố định phosphorylcholine, thành phần màng tiểu cầu hồng cầu, bề mặt polymer 2.1.2.3 Bắt chước màng sinh học Một phương pháp đầy hứa hẹn để tránh phản ứng chống lại bề mặt lạ bắt chước màng tế bào hồng cầu bề mặt tiếp xúc máu 2.2 Nuôi cấy tế bào gốc việc tái tạo tim, van tim, hạch xoang tim Nuôi cấy thực qua giai đoạn sau: Nuôi cấy tế bào sơ cấp Nuôi cấy tế bào thứ cấp Biệt hóa LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nuôi cấy tế bào sơ cấp: Nuôi cấy sơ cấp Thu nhận tế bào gốc Tách rời Nuôi cấy thu nhận tủy xương xử lý tế bào tế bào sơ  Thu nhận tế bào gốc tủy xương xử lý sơ bộ: mô, tế bào liên kết với thành khối thống thông qua cầu nối gian bào Tách tế bào khỏi mô cách phá bỏ cầu nối gian bào Các cầu nối phá hủy hai cách:  Tác động học: cắt nhuyễn mô, ép nhuyễn mô tách lọc tế bào  Dùng enzyme phân hủy cầu nối: cầu nối gian bào có chất protein, ezyme thủy phân protein sử dụng để tách tế bào, enzyme thường sử dụng trypsin, collagenase, chymotrypsin… Quy trình thu nhận tế bào gốc tủy xương chuột:  Thu nhận đùi chuột  Rửa dung dịch PBS  Lóc bỏ phần thịt  Rửa lại dung dịch PBS  Thu nhận tủy xương đùi chuột  Tách rời tế bào:  Cắt bỏ hai đầu xương đùi  Rửa tủy xương dung dịch D’MEM thu nhận huyền phù tế bào  Nuôi cấy thu nhận tế bào Ni dưỡng mơi trường thích hợp:  Thành phần môi trường: muối vô cơ, carbohydrate, acid béo, amino acid, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vitamine, yếu tố vi lượng, huyết Mỗi thành phần có chức khác  Muối vô cơ: giữ cân áp suất thẩm thấu tế bào, điều hòa điện màng  Carbohydrate, acid béo, amino acid: cung cấp chất dinh dưỡng thiết yếu giúp tế bào phân chia Trong đó, carbohydrate nguồn cung cấp lượng cho tế bào, thường glucid  Vitamine: liên quan đến trạng thái biệt hóa tế bào điều hòa chức năng, hay hoạt động chất chống oxy hóa Vitamin nhóm B cần cho tăng sinh phát triển tế bào Thông thường vitamine sử dụng môi trường riboflavin, thiamine biotin  Yếu tố vi lượng: bao gồm kẽm, đồng, selenium selenium chất giúp tách gốc oxy tự  Huyết : cung cấp chất dinh dưỡng nhân tố tăng trưởng, kích thích phục hồi tổn thương tế bào, chống oxy hóa làm tăng tính bám dính tế bào lên bề mặt bình nuôi  Thu nhận tế bào chọn lọc chuyển sang nuôi cấy thứ cấp Nuôi cấy tế bào thứ cấp: Là q trình ni cấy thực sau lần cấy chuyền Nhằm cung cấp dinh dưỡng tươi khơng gian phát triển cho dịng tế bào phát triển liên tục Gồm thao tác:  Loại bỏ mơi trường cũ  Rửa bình/đĩa ni  Tách tế bào gốc bám vào đáy bình ni cấy  Pha lỗng tế bào gốc mơi trường Biệt hóa tế bào:  Biệt hóa tế bào gốc trình biến đổi từ tế bào gốc khơng có chức chun biệt thành tế bào chuyên hóa  Nguyên tắc chung loại bỏ tác nhân biệt hóa khơng định hướng cảm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đặc điểm Van sinh học Van học Giá thành Mắc Rẻ Cứng vơi hóa Có Khơng Thời gian sử dụng (năm) – 15 20 – 30 Uống thuốc kháng đông Không cần Cần uống  Đặc điểm van nhân tạo:  Ưu điểm: có độ bền cao  Nhược điểm: sử dụng van tim nhân tạo có số nguy sau  Hiện tượng nghẽn mạch  Tăng trưởng mức mô  Nhiễm  Đường nối bị rách  Tiêu huyết  Hỏng nội mơ Trong đó, phản ứng nghiêm trọng tượng tạo cục máu đông gây nghẽn mạch Mặc dù giống van tự nhiên song huyết động chưa phải tối ưu kích thước van bị thành phần vòng van, phần chống đỡ van làm nhỏ  Thiết kế tương lai van tim nhân tạo:  PP hóa lý: liên quan đến tạo vật liệu phủ van nhân tạo ngăn ngừa hấp thu protein huyết tương  Các vật liệu sinh học lai: vai trò vật liệu cấu trúc tinh biểu tương hợp máu kết hợp với thành phần sinh học lớp protein  Các vật liệu “bắt chước sinh học” biomimetic: tạo vật liệu có họat tính sinh học bắt chước tự nhiên, tránh hệ miễn dịch thể LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tạo van tim SANDWICH Heparin Chất chống đông + + Benzalkonium chloride Trung gian bám dính + + graphite Vật liệu van tim Tế bào nội mô + Cơ chất phủ protein + Pyrolytic carbon  Cơ chế hoạt động van tim nhân tạo: giống với van tim bình thường giúp máu chảy theo chiều không bị chảy ngược lại Khi tim giãn: Máu từ Tâm Nhĩ đổ vào tâm thất van mở, van bán nguyệt đóng lại Khi tim co: Máu từ tâm thất đổ vào động mạch van bán nguyệt mở van van đóng  Ứng dụng điều trị bệnh: Một số bệnh nhân mắc bệnh van hai van động mạch chủ phẫu thuật thay van tim nhân tạo ngày phổ biến bệnh hẹp van hai lá, hở van hai lá, hẹp van động mạch chủ, hở van động mạch chủ Một người mắc nhiều bệnh trên, mắc bệnh van tim hai van tim Với bệnh này, tùy mức độ từ nhẹ tới nặng mà có phương thức điều trị nội khoa, nong van, phẫu thuật Khi điều trị phẫu thuật, bác sĩ thường cố gắng sửa chữa van tim Tuy nhiên, với tổn thương sửa chữa, phương pháp chọn thay van tim nhân tạo LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.6 Mạch máu nhân tạo 2.6.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến đông máu Đông máu phản ứng bảo vệ, giữ cho thể khỏi bị máu bị thương Đông máu gồm giai đoạn: giai đoạn khởi đầu tiểu cầu bám dính nội mạc giai đoạn thứ hai hình thành cục máu đơng Khi mạch máu bị tổn thương, tiểu cầu kết tập tạo nút chặn tiểu cầu giải phóng chất trung gian gây co mạch để cầm máu tạm thời Quá trình thứ hai diễn sau đó, yếu tố đơng máu huyết tương đáp ứng chuỗi phản ứng để tạo sợi huyết có vai trị củng cố nút chặn tiểu cầu Theo quy ước quốc tế, yếu tố đông máu đánh số La Mã từ I đến XIII bảng sau: Các Tên gọi vai trò yếu tố I Fibrinogen, loại globulin, gan sản xuất có sẵn máu II Protrombin, protein huyết tương gan sinh Sự tổng hợp protrombin liên quan chặt chẽ đến hấp thụ vitamin K Nếu rối loạn hấp thụ vitamin K đường tiêu hóa dẫn đến giảm protrombin III Tromboplastin - enzim tạo tiểu cầu bị vỡ, mô bị tổn thương IV Ion Ca++ có huyết tương, có tác dụng hoạt hóa protrombin V Proaccelerin, loại globulin, gan sinh ra, làm tăng tốc độ đơng máu VI Dạng hoạt hố yếu tố V VII Proconvectin, yếu tố xúc tiến tạo Trombin LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Yếu tố chống chảy máu A, có huyết tương, có vai trò quan trọng VIII tạo thành tromboplastin nội sinh Nếu thiếu yếu tố này, máu đông cục máu mềm, dễ di động Yếu tố chống chảy máu B, protein huyết tương, cần cho IX tạo thành tromboplastin Yếu tố stuart, có huyết tương, gan sinh tương đối bền vững X có tác dụng tạo thành tromboplastin chuyển protrombin thành trombin Protromboplastin - có sẵn huyết tương, có vai trị tập trung tiểu XI cầu Yếu tố hageman, có huyết tương, có tác dụng hoạt hố đơng XII máu Yếu tố ổn định fibin, có sẵn huyết tương, có tác dụng củng cố XIII sợi fibrin thêm vững Ngoài ra, trình đơng máu cịn chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khác như: heparin, fibronectin, glycosaminoglycan, chất họat hóa plasminogen mơ, prostacyclin, thrombomodulin… 2.6.2 Quy trình chế tạo mạch máu nhân tạo Phân loại: Mạch máu phân loại dựa vào loại giá thể hay theo nguồn gốc  Theo kích thước giá thể mạch máu chia thành loại: o Giá thể mạch máu đường kính lớn (>6mm): Giá thể có đường kính lớn ghép vào bên thể đạt nhiều thành công giá thể đường kính nhỏ Giá thể đường kính lớn gặp phải tượng đơng máu, gây thài LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com loại miễn dịch, dễ thao tác… o Giá thể mạch máu đường kính nhỏ (