Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm

Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.

TỔNG QUAN

Sơ lược về kim loại sử dụng trong ngoại khoa

Trong số các vật liệu được sử dụng trong ngoại khoa, kim loại có lịch sử dài nhất Trước công nguyên, cách đây khoảng 9000 năm, các nhà khảo cổ tìm thấy một người đàn ông gần Kennewick, Washington, Mỹ với một cái mác đóng vào vùng háng nhưng hoàn toàn liền bình thường và không làm ảnh hưởng vận động.

Khoảng năm 200 trước công nguyên, implant răng sắt rèn được sử dụng [9] Đa số các loại implant trước năm 1950 đều có khả năng thành công thấp do những hiểu biết chưa đầy đủ về tính tương thích sinh học và vô khuẩn Thí nghiệm đầu tiên đánh giá tính tương thích sinh học của các vật liệu implant được thực hiện bởi Levert H.S Vàng, bạc, đồng và platinum được nghiên cứu trên chó và platinum hầu như được dung nạp Năm 1886, đĩa kết xương bằng tấm thép mạ nickel và chỉ mạ nickel được nghiên cứu Năm 1924, A Zierold mô tả các phản ứng tại mô với các kim loại trên chó Sắt và thép nhanh chóng bị ăn mòn dẫn đến sự hấp thụ vào xương Đồng, magie , lõi nhôm, kẽm và nickel không làm đổi màu tổ chức xung quanh Vàng, bạc, chì và nhôm được chấp nhận nhưng bị ăn mòn.

Trong năm 1926, M.Large ghi nhận tính trơ của thép không gỉ 18-8 chứa molybden Khoảng 1929, hợp kim Vitall (65% Co- 30% Cr – 5% Mo) được phát triển và sử dụng thành công trong nha khoa Trong năm 1947, J.Cotton đã đề nghị sử dụng titanium và hợp kim trong implant [9] Hợp kim Chrom-cobalt và thép không gỉ được chế tạo thành công đã mở ra những ứng dụng mới trong cả y học [10], [11]. Đầu thế kỷ XX, ngành công nghiệp luyện kim và nghiên cứu chế tạo vật liệu mới phát triển, một số loại kim loại có đặc tính chống ăn mòn và có cơ tính tốt hơn đã được chế tạo thành công như hợp kim crôm - ni ken, hợp kim cô ban, titan và hợp kim titan một số loại có thể đạt được tương thích sinh học và các đặc tính cơ học phù hợp để sử dụng làm phương tiện cấy ghép bên trong trong chấn thương chỉnh hình Các phương tiện kết xương được chế tạo từ những vật liệu này đã đạt được nhiều thành công trên lâm sàng như nẹp Lane (1914), dây thép chế tạo từ hợp kim crôm-ni ken mang ký hiệu AS2, AS4 (Bửhler-1919), đinh Smith - Peterson (1931), đinh Kỹntscher (1940), nẹp Danis (1949), nẹp nén ép AO (Müller - 1965) [12].

Cho đến nay, nhu cầu về sử dụng vật liệu kim loại trong ngoại khoa vẫn tăng dần Ước tính nhu cầu của thế giới cho ngành công nghiệp vật liệu sinh học có trị giá khoảng 135,4 tỷ đô la năm 2021, và nó có thể tăng thêm 15,4% vào năm

2030 Trong đó, vật liệu tương thích sinh học sử dụng cho chỉnh hình chiếm thị phần lớn nhất tới 23% tổng nhu cầu, đứng thứ hai là tim mạch, sau đó đến nha khoa [13].

Các loại vật liệu kim loại dùng trong kết xương bên trong và cấy ghép .4 1 Thép không gỉ

Thép không gỉ là tên gọi chung cho một số loại làm từ hợp kim sắt có chứa tỷ lệ cao crom (11–30% trọng lượng) và niken với tỷ lệ khác nhau, là loại thép không bị ô-xy hoá trong môi trường khí quyển, bền trong môi trường ăn mòn và xâm thực.Thép không gỉ có thể được chia thành 2 nhóm chính dựa vào thành phần của vật liệu là: loại chỉ chứa crom và loại chứa hỗn hợp crom-niken.

Năm 1926, thép không gỉ 18-8 (18% Chromium - 8% Nickel) được sử dụng để chế tạo các phương tiện kết xương Thép có khả năng chống ăn mòn trong môi trường dịch của cơ thể Đến cuối năm 1926, thép không gỉ 18- 8SMo có chứa một lượng nhỏ molipdenium để tăng tính chống ăn mòn trong môi trường nước muối đã được ứng dụng và gọi là thép 316 Đến năm 1950, hàm lượng carbon trong thép này giảm từ 0,08% xuống còn 0,03%, có độ chống ăn mòn tốt hơn và được gọi là thép 316L [11] Đây là loại thép được sử dụng chế tạo phương tiện kết xương phổ biến nhất hiện nay do đáp ứng được các tiêu chuẩn mà Pidhorz L đã đưa ra một cách tương đối nhất.

* Các đặc tính cơ học của thép không gỉ

Thép không gỉ 316L cứng hơn nhiều so với xương Mô đun đàn hồi của thép không gỉ là 200Gpa, của xương là 10- 30 Gpa; giới hạn bền kéo của vật liệu UTS của thép không gỉ là 540 – 1000 Mpa, của xương là 130 – 150 Mpa [4] Xét về mô đun đàn hồi, giới hạn bền kéo của vật liệu và độ dẻo dai khi gãy, lịch sử ứng dụng lâm sàng của chúng đã cho thấy rằng chúng không an toàn để sử dụng cho một thiết bị cố định ở các vị trí chịu lực Điều này là do các điều kiện làm việc cơ học bên trong cơ thể phức tạp hơn nhiều so với tải nén đơn giản.

Sức chịu đựng của thép không gỉ là khá thấp trong cấy ghép so với coban hay các loại hợp kim titan [14] Thép không gỉ để cấy ghép là hợp kim rèn (tức là chúng được chế tạo bằng cách rèn và gia công) Khả năng chịu đựng của thép không gỉ 316L trong dung dịch muối kém hơn trong không khí Trong môi trường dịch sinh học, nó có khả năng chịu lực khoảng 200 – 300 Pa Ở xương đùi, ứng suất tối đa kéo khoảng 200Pa Tuy nhiên, việc rèn lại tạo ra các lỗ trên vật liệu, từ đó cộng hợp với các lực kéo tạo thành các vết nứt gãy.

Hình 1.1 Hình ảnh gãy của vật liệu kết xương bên trong trước khi liền xương

* Các ứng dụng của thép không gỉ trong chấn thương chỉnh hình

Việc sử dụng thép không gỉ 316L trong các thiết bị cấy ghép lâu dài thành công của nó là nhờ công của Sir John Charnley, người đã thúc đẩy quy trình thay khớp háng toàn bộ [15], [16] Số lượng phẫu thuật thay khớp háng toàn bộ tăng nhanh từ năm 1970 Tuy nhiên, tỉ lệ gãy xương đùi với thép không gỉ nhiều hơn so với coban Phân tích hư hỏng cho thấy nguyên nhân xuất phát từ khả năng chịu đựng và bắt nguồn từ các khiếm khuyết ở thân xương Từ những năm 1990, bắt đầu có các báo cáo về các lỗi do nới lỏng thiết bị Phân tích hư hỏng thấy nguyên nhân do sự ăn mòn trên bề mặt thân hoặc đầu của thiết bị cấy ghép, tương quan với chu kỳ hỏng hóc và thoái hóa của kim loại Để khắc phục những hạn chế từ loại thép không gỉ cũ trước đây, các nhà sản xuất đã khắc phục bằng cách sử dụng thép không gỉ 316L không chứa niken và sử dụng nitơ thay thế.

Tại Việt Nam đã có các công trình nghiên cứu về thép không gỉ K92, ứng dụng sản xuất phương tiện kết xương trong chấn thương chỉnh hình của các tác giả Lưu Hồng Hải (năm 2003) [17], [18] và Trần Anh Tuấn năm 2009 [19], [20]

* Độc tính của từng yếu tố đối với cơ thể:

Nồng độ sắt tự do trong máu cao sẽ phản ứng với peroxit để tạo ra các gốc tự do, các gốc này có tính phản ứng cao và có thể làm hỏng DNA, protein, lipid và các thành phần tế bào khác Sắt thường làm tổn thương các tế bào ở tim và gan, có thể gây ra các tác dụng phụ đáng kể, bao gồm hôn mê, nhiễm toan chuyển hóa,sốc, suy gan, rối loạn đông máu, hội chứng suy hô hấp ở người lớn, tổn thương cơ quan lâu dài và thậm chí tử vong nếu không được điều trị Con người bị nhiễm độc sắt trên 20 magie/kg khối lượng cơ thể, và 60 magie/kg được coi là liều lượng gây chết người Hiện nay chưa có báo cáo nào công bố về tác dụng phụ do giải phóng sắt từ việc cấy ghép dụng cụ từ thép không gỉ [4] Crom trong thành phần thép không gỉ có tác dụng chống lại việc hình thành lớp gỉ trên bề mặt hợp kim thông qua việc crom có ái lực lớn với oxy từ đó tạo nên một lớp oxit ở bề mặt như một lớp màng dạy khoảng 2 mm. Mặc dù crom không được xếp vào nhóm kim loại nguy hiểm nhưng crom hóa trị III được ghi nhận gây ung thư, gây viêm da tiếp xúc, dị ứng, loét da WHO đã khuyến nghị lượng crom tối đa là 0.05 magie/l Tương tự như crom, niken cũng được ghi nhận thấy có khả năng gây kích ứng, viêm da tiếp xúc, ung thư, cũng như nó có thể tích lũy gây tổn thương các cơ quan xa như gan, thận.

Hợp kim Coban bao gồm các nguyên tố chính là coban, molybden và vonfram Các hợp kim dựa trên coban lần đầu tiên được sử dụng trong cấy ghép y tế vào những năm 1930 Hợp kim dựa trên coban-crom vượt trội hơn thép không gỉ về khả năng chống ăn mòn, thể hiện hiệu suất tuyệt vời trong môi trường giàu clorua, điều này liên quan đến thành phần hóa học của nó Hàm lượng crom cao dẫn đến sự hình thành tự phát của lớp oxit thụ động (Cr2O3) trong môi trường cơ thể người [21] [22].

Hợp kim Coban chịu được lực nén tới 500Mpa, chịu được tính mỏi cao.

Mô đun đàn hồi của coban nguyên chất là khoảng 210 GPa khi căng và khoảng

180 GPa khi nén, là tương tự như sắt và niken Sự mỏi do ăn mòn và do điện trở của hợp kim coban so với hợp kim sắt chủ yếu phát sinh từ hai cấu trúc phân tử của chúng.

Ngoài ra, chính đặc điểm vận động cơ học của các bộ phận trong cơ thể sẽ tác động rất lớn đến độ bền của các hợp kim Sức mạnh của chân người và xương cánh tay nằm trong khoảng 100-200 MPa và của đốt sống cơ thể là 1– 10 MPa.

Từ các phân tích cho thấy ứng suất kéo tối đa trong thân của bộ phận khớp háng nhân tạo trong cơ thể là khoảng 200 MPa [4] Mà phần lớn các hợp kim coban có cường độ chịu lực hơn 500 MPa, vượt quá các giá trị sinh học của khớp do đó được coi là an toàn cho các ứng dụng cấy ghép ở chân và cánh tay.

Hình 1.2 Bộ phận khớp làm từ hợp kim CoCrMo

Nguồn:http://www.zimmer.co.uk/z/ctl/op/global/action/1/id/9226/template/P

Titan là một nguyên tố có khối lượng riêng thấp (khoảng 60% khối lượng riêng sắt và gần một nửa khối lượng riêng coban) có thể được tăng cường đáng kể bằng cách tạo hợp kim và biến dạng [23], [24], [25] Titan tinh khiết thương mại (CP-Ti) và Ti-6Al-4V là những vật liệu titan được sử dụng phổ biến nhất cho các ứng dụng cấy ghép Các ứng dụng của Ti – 6Al – 4V bao gồm cấy ghép răng và các bộ phận cho phẫu thuật chỉnh nha; các bộ phận thay thế khớp háng, khớp gối, khớp vai, cột sống, khuỷu tay, cổ tay; các thiết bị cố định xương gãy như đinh, vít…

Titan không có tự nhiên trong cơ thể người Trong các nghiên cứu về Titan và hợp kim của Titan dùng trong cấy ghép cho thấy có các biểu hiện của phản ứng viêm, hiện tượng ecczema, có hiện tượng tích lũy trong cơ thể ở gan, lách, phổi, hạch do Titan không bị đào thải Một số báo cáo cho thấy tích lũy Titan có thể là một nguyên nhân gây hội chứng móng tay vàng [26] Việc liệu sử dụng titan cho cấy ghép có gây nên phản ứng khác như ức chế biệt hóa tế bào gốc trung mô, tín hiệu gen tế bào…còn đang được nghiên cứu, đánh giá và tiếp tục ghi nhận thêm.

So với thép không gỉ, hợp kim titan vượt trội hơn về tính chống ăn mòn, tương thích sinh học tốt hơn, trơ hơn với môi trường nên được ưa chuộng sử dụng hơn.

Hình 1.3 Hình ảnh gãy chuôi trong thay khớp háng ở bệnh nhân

Trong số tất cả các vật liệu sinh học kim loại được biết cho đến nay, hợp kim titan là hệ vật liệu duy nhất có khả năng liên kết với xương Một phản ứng thông thường là khi cấy ghép vật nào đó vào cơ thể thì sẽ hình thành một mô nang bao bọc xung quanh vật lạ đó Việc hình thành mô nang này sẽ dẫn đến hậu quả là làm lỏng lẻo mô ghép Nhưng với các thiết bị từ hợp kim Titan lại có sự gắn kết chặt chẽ với mô xương vật chủ Các cơ chế giải thích về các liên kết này dần được làm sáng tỏ nhờ quan sát TEM Khi cấy ghép, Titanat (ví dụ như Na2TiO3 ) được hình thành trên bề mặt hợp kim thông qua trao đổi ion Quá trình đó tiếp tục tiến triển xa hơn dẫn đến việc hình thành một lớp hydroxyapatite trên bề mặt hợp kim [27] Lớp hydroxyapatite này sẽ góp phần tạo thành liên kết xương giữa hợp kim và xương. Để hiểu được cơ chế liên kết cần nắm được thành phần của xương Hydroxyapatite

Tính tương thích sinh học

1.3.1 Khái niệm tính tương thích sinh học

Tính tương thích sinh học, một trong những đặc điểm quan trọng nhất của vật liệu sinh học,được định nghĩa là “khả năng của vật liệu sinh học thực hiện chức năng mong muốn của nó đối với một liệu pháp y tế, mà không gây ra bất kỳ tác dụng toàn thân hoặc cục bộ không mong muốn nào đối với người nhận hoặc người thụ hưởng liệu pháp đó, nhưng đồng thời tạo ra hiệu suất phù hợp nhất về mặt lâm sàng của liệu pháp đó” hoặc “khả năng của vật liệu thực hiện với phản ứng vật chủ thích hợp trong một tình huống cụ thể”[54] [55] Do đó, việc đánh giá tính tương đồng sinh học là một yêu cầu cơ bản và cần thiết để phát triển và chấp thuận một loại vật liệu sinh học được sử dụng trong y học Một loại vật liệu sinh học cần phải đạt được các tiêu chuẩn như được nêu ở trong tiêu chuẩn ISO 10993 [56]. Chúng phải không độc hại, không gây huyết khối, không gây ung thư, không gây dị ứng và không gây di truyền để thể hiện phản ứng sinh học thích hợp.

1.3.2 Một số loại tiêu chuẩn đánh giá tính tương thích sinh học

Bất cứ một chất nào khi đưa vào cơ thể người đều có thể gây phản ứng, nặng có thể gây sốc phản vệ, nhẹ gây các phản ứng dị ứng Đối với các vật liệu kim loại, dù được cấu tạo từ các thành phần là các nguyên tố đã có ở trong cơ thể nhưng vẫn có khả năng gây phản ứng và thường là dị ứng kim loại [57]. Đối với các loại vật liệu sinh học sử dụng cho con người, hiện nay, có rất nhiều các tiêu chuẩn quy định về cách thức đánh giá tính tương đồng sinh học như tiêu chuẩn ISO, các tiêu chuẩn của các quốc gia khác nhau Song tất cả cũng đều dựa trên các tiêu chí để lựa chọn phương pháp Tiêu chí thứ nhất là ứng dụng hay mục đích sử dụng của kim loại đó để tạo thành loại dụng cụ hay phương tiện y tế nào. Tiếp đến là khi được chế tạo thì thời gian sử dụng các phương tiện đó trong cơ thể người là bao lâu, có tiếp xúc với cơ quan nào, mức nguy cơ gây hại của vật liệu Và một tiêu chí quan trọng là nó có đạt được mục đích sử dụng như mong muốn không, ví dụ như có đạt mục đích làm liền xương không…

Tổ chức điều hành dụng cụ y tế Cộng đồng chung Châu Âu (EU MDR) hay cơ quan quản lý thuốc và thực phẩm Hoa Kỳ (FDA), cơ quan quản lý thực hành lâm sàng tốt Australia (TGA) đều phân chia các loại thiết bị y tế theo nguy cơ gây hại với sức khỏe con người và quy định về các tiêu chí cần đạt được của thiết bị.

Bảng 1.2 Một số loại test cần đánh giá đối với các thiết bị y tế dựa trên đặc điểm tiếp xúc của thiết bị với cơ thể người theo tiêu chuẩn ISO 10993-1:2009 [58] Đặc điểm tiếp xúc

Thời gian tiếp xúc A- ngắn (