Vật liẹu sinh học

Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chương Vật liệu sinh học Mục tiêu: n Mơ tả q trình tham số quan trọng vật liệu khác n Mô tả thử nghiệm học khác giải thích liệu n Mơ tả khác kim loại, gốm, polymer n Mô tả số kỹ thuật gia công sử dụng để thay đổi tính chất vật liệu n Nhận biết ngưng tụ phản ứng polymer hóa bổ xung n Định nghĩa polymer nhiệt nhiệt dẻo n Tính tốn khối lượng phân tử trung bình polymer n Tính tốn mức độ polymer hóa cho polymer Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Mục tiêu (tt) : n Mô tả đáp ứng sinh học đối vớc vật liệu cấy ghép n Mô tả phương pháp chung để ước lượng khả tương tích sinh học Nội dung : n Giới thiệu phân loại chung vật liệu n Các tính chất học vật liệu n Kết cấu đặc tính khác vật liệu - Kim loại hợp kim - Gốm thủy tinh - Các polymer n Đáp ứng mô vật liệu Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Giới thiệu phân loại chung vật liệu n n Định nghĩa “vật liệu sinh học” Liệt kê q trình, thơng số công dụng y sinh chung vật liệu - Kim loại - Gốm - Polymer - Composit Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Các tính chất học vật liệu n Sức bền vật liệu mô tả chung đường cong ứng suất-biến dạng Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Các tính chất học vật liệu n Để xây dựng biểu đồ này, mẫu vật liệu tạo hình xương chó kéo căng máy thử nghiệm học Cung cấp lực (Newton) cho mẫu vật đo biến dạng (theo mm) Ứng suất, (N/m2 pascal), tính lực chia cho tiết diện cắt ngang ban đầu Biến dạng, (%), tính thay đổi chiếu dài chia cho chiều dài ban đầu Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Các tính chất học vật liệu n Đối với biểu đồ bên: Vùng A= Vùng B= Điểm 1= Điểm 2= Điểm 3= Modun đàn hồi Young (E)= Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Các tính chất học vật liệu n Các tính chất quan trọng khác vật liệu bao gồm: - Độ cứng - Tính dẻo - Tính giịn - Tính bền - Sức bền mỏi (giới hạn chịu đựng) Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Các tính chất học vật liệu n n n Các đường cong ứng suất-biến dạng cung cấp thơng tin tính bền, tính giịn, tính dẻo… Đường cong cho biết ứng sử vật liệu giòn? Một vật liệu dễ uốn? Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Các tính chất học vật liệu n Tại ứng dụng sau không tốt? • Sự thay mạch máu ống kim loại • Sự thay nhựa silicone cho dây chằng hay gân • Nhựa silicone dùng để nối xương nứt gãy • Việc ghép da gốm dẻo… Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Kết cấu đặc tính khác vật liệu Kim loại hợp kim n n n Kim loại cấu tạo từ nguyên tử mà giữ với liên kết mạng tinh thể Yếu tố làm cho kim loại có đặc tính dẫn điện dẫn nhiệt tốt? Tại kim loại có tính dẻo? Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Polyester n Axit polyglycolic (PGA) n Axit polylactic (PLA) n n polymer có khả trạng thái tinh thể hơn? Vì sao? Đặc tính polymer ảnh hưởng đến tốc độ thối hóa? Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Polyester n n Có thể làm biến đổi đặc tính polymer cách tạo chất đồng trùng hợp từ PGA PLA thành PLGA poly (axit lacticco-glycolic) Các polyester thường sử dụng vật liệu đường khớp, chất dính, ứng dụng công nghệ mô (các sản phẩm thất bại lẽ tự nhiên) Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Sự thối hóa polymer thối hóa sinh học n Các yếu tố mà ảnh hưởng đến thối hóa? Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Sự thoái hoá (thủy phân) PLGA n n Các sản phẩm thối hóa này, tự nhiên thể người, có tính axít Tốc độ thối hố q nhanh bất lợi cho tế bào (pH giảm) PLGA có xu hướng thối hóa bulk degradation Các polymer kỵ nước hơn, chẳng hạn polyanhydride, có xu hướng thối hóa ăn mịn bề mặt Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Đáp ứng mô vật liệu Các tế bào then chốt liên quan đến đáp ứng mô n Các tế bào máu (được nhận biết nhờ kính phết máu) đóng vai trị then chốt Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 n Các tế bào máu bao gồm bạch cầu (leukocyte) hồng cầu Các bạch cầu hạt (bạch cầu ưa eosin, bạch cầu kiềm, bạch cầu trung tính), bạch cầu đơn thân (đại thực bào) lympho bào bao gồm bạch cầu Hình 11.8 Ba tế bào lớn phía bên trái loại tế bào hạt Bạch cầu ưa erosin chiếm khoảng 2-4% tế bào bạch cầu tuần hoàn có đường kính khoảng 12 Các hạt chúng nhuộm sẫm màu với thuốc nhuộm đỏ, erosin với thuốc nhuộm axit khác Bạch cầu kiềm (basophil) có đường kính khoảng 8-10 có hạt nhuộm sẫm màu với nhuộm bazơ Chúng chiếm khoảng nhỏ 1% cá tế bào bạch cầu vòng tuần hồn Bạch cầu trung tính có số lượng nhiều chiếm khoảng 50-70% tế bào bạch cầu vịng tuần hồn Chúng có kích thước tương tự vớc bạch cầu ưa erosin phương diện hóa học chúng có hạt trung hồ mà khó để nhuộm Mỗi bạch cầu trung tính hồn chỉnh có hạt nhân phân đa thùy giống hạt chuỗi Các tế bào hồng cầu có đường kính khoảng khơng có nhân chúng phát triển đầy đủ Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 n n n Các tế bào hồng cầu có hình dạng đĩa có hai mặt lõm khơng có nhân mang hemoglobin mà có trách nhiệm vận chuyển oxy Chức bạch cầu trung tính (các bạch cầu nhiều dạng nhân hay PMNs), đại thực bào, bạch cầu lympho gì? Các tiểu cầu mảnh tế bào có mặt chế đơng máu nhằm ngăn chặn máu mô bị tổn thương Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Đáp ứng mô vật liệu Đáp ứng vật liệu cấy ghép n Hãy xem xét điều xảy vật liệu sinh học cấy ghép vào mô phân bố mạch động vật hay người Trả lời câu hỏi sau: n Hiện tượng xảy đầu tiên? n Định nghĩa hiệu ứng Vroman n Làm điều khiển tượng trên? Cho vài ví dụ điều làm giảm tối đa hay điều chỉnh? n Những yếu tố khác ảnh hưởng đến tượng trên? Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Đáp ứng mô vật liệu Đáp ứng vật liệu cấy ghép n n Xem xét đáp ứng thể chủ vật liệu sinh học cấy ghép Hãy định nghĩa phân biệt đáp ứng sau Các yếu tố hay tế bào quan trọng trường hợp? - Chứng viêm cấp tính - Chứng viêm mãn tính - Mơ hạt - Foreign body reaction - Chứng xơ hố nang hóa có sợi Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Chứng viêm Có bốn dấu hiệu liên quan đến đáp ứng viêm: n Bề có màu đỏ vị trí tổn thương có mặt tế bào hồng cầu (RBCs) da n Một vị trí bị sưng phồng chất dịch kèm với máu n Một vị trí bị nóng lên kết máu ấm di chuyển đến vị trí mô lạnh n Gây đau nhức tác động tổn thương đến hệ thống thần kinh địa phương Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Việc hồi phục có mặt vật liệu sinh học n n n Hãy định nghĩa tính tương thích sinh học? Khi vật liệu khơng có tính tương thích sinh học, đáp ứng viêm tiếp tục đáp ứng viêm mãn tính phát triển thành tế bào lớn bất thường u hạt Cơ thể chủ có gắn trung hịa vật thể từ bên ngồi vào (vật cấy ghép) Sự hình thành bao có sợi thớ cho thấy vật liệu có tính tương thích sinh học bước trình hồi phục Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Sự nhiễm trùng n n Sự nhiễm trùng ngăn cản tan biến chứng viêm đáp ứng viêm mãn tính khơng mong muốn xảy Điều xảy vi khuẩn có mặt q trình hàn gắn vết thương? Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Đáp ứng miễn nhiễm n n n Kháng nguyên-kháng thể đặc trưng từ đáp ứng miễn nhiễm xảy tế bào từ loài hay thể khác cấy vào Các phản ứng dị ứng nhửng đáp ứng miễn nhiễm đặc trưng chống lại thực thể khơng mang đặt tính sinh học Những phản ứng khơng mong muốn có phản ứng phụ bất lợi cho thể (phải xem xét việc thiết kế dụng cụ) Tại sản phẩm thoái hoá từ vật liệu cấy ghép mối quan tâm lớn? Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Kiểm tra tính tương thích sinh học n n n Một câu hỏi đáng quan tâm vật liệu sinh học sử dụng hệ thống sinh học là: “Liệu vật liệu có kích thích đáp ứng sinh học thích đáng cho mục đích sử dụng?” Việc khử trùng cốt yếu cho việc sử dụng vật liệu thể sống Các kiểm tra thể sống phổ biến thực cách sử dụng việc nuôi cấy mô hay tế bào Chương 7: Vật liệu sinh học Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006 Kiểm tra tính tương thích sinh học n n Các kiểm tra thiết kế cho đặc tính độc tế bào, kích thích đáp ứng miễn nhiễm, kích thích mơ, kích thích chứng viêm mãn tính, tác động lên máu thành phần máu, tác động lên yếu tố di truyền bao gồm đột biến hình thành khối u Trong việc cấy ghép kênh dẫn truyền thần kinh cấu thành vật liệu polymer có kiểm tra tính tương tích sinh học gì? Cho biết số kiểm tra khái quát đặc trưng Chương 7: Vật liệu sinh học