vật liệu sinh học trong nhãn khoa

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Y SINH HỌC ĐỀ TÀI: VẬT LIỆU SINH HỌC TRONG NHÃN KHOA GVHD: Ths. Trần Thị Phương Nhung Nhóm: Mai Thị Nga 11231951 Khu Văn Đô 11070911 Nguyễn Hoàng Trúc Ly 11240701 Trần Khánh Trúc 11050501 TP.HCM, ngày 5 tháng 4 năm 2015 1 MỤC LỤC Contents 2 I. Mở đầu: Định nghĩa về vật liệu y sinh được đưa ra cách đây hơn 30 năm. Tuy vậy, sản phẩm của cong nghệ vật liệu y sinh đã được dử dụng từ trước công nguyên , đó là răng giả, chỉ khâu, vật cố định xương… Cho đến nay, công nghệ vật liệu y sinh đã phát triển mạnh mẽ trên khắp thế giới với tốc độ rất nhanh và phổ ứng dụng ngày càng rộng. Sở dĩ có sự phát triển mạnh mẽ như thế là do nhu cầu cấy ghép vật liệu và lợi nhuận thu được từ công nghệ này rất lớn. Tuy vậy, đến thời điểm này ngành công nghệ này vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu của ngành y trong việc cung cấp vật liệu cấy ghép. Bởi vì y học hiện đại không chỉ tập trung ào việc chữa các khuyết hổng mà còn quan tâm rất nhiều đến khả năng “tái tạo” được khuyết hổng đó. Ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng vật liệu y sinh trong cấy ghép là rất lớn. Có rất nhiều loại bệnh, tật, hoặc khuyết tật, khuyết tật bẩm sinh gây hư hại 1 phần hoặc toàn bộ chức năng của mô, cơ quan mà chỉ có cấy ghép mới có thể cứu chữa cho người bệnh. Trong khi nguồn hiến tặng rất hiếm mà lại gặp nhiều vấn đề về y đức, nhu cầu sử dụng vật liệu ghép thay thế là rất lớn. Riêng đối với lĩnh vực nhãn khoa, ngành vật liệu y sinh đã đạt được nhiều thành tựu rất đáng chú ý, đem lại hy vọng sáng mắt cho nhiều người. Với đề tài tiểu luận “ Vật liệu sinh học trong nhãn khoa”, nhóm sẽ trình bày tất cả các vấn đề liên quan đến nhãn khoa có ứng dụng của vật liệu y sinh, từ cấu tạo chung của mắt, đến các vật liệu đang được sử dụng hiên nay trong nhãn khoa, các bộ phận có thể thay thế của mắt, các bước phát triển và hướng phát triển hiện nay của vật liệu sinh học trong nhãn khoa. 3 II. Nội dung 1. Giới thiệu về vật liệu sinh học 1.1 Khái niệm Một vật liệu sinh học là bất kỳ chất hoặc hợp chất nào (không phải là thuốc) có nguồn gốc tổng hợp hoặc tự nhiên, được dùng để điều trị, tăng cường hoặc thay thế mô, cơ quan hoặc chức năng của cơ thể (NIH) Vật liệu sinh học là các vật liệu (tổng hợp và tự nhiên, rắn và lỏng) được sử dụng trong các thiết bị y học (medical device) hoặc trong tiếp xúc với hệ sinh học (University of Washington Engineered Biomaterials). Mặc dù các vật liệu sinh học chủ yếu được ứng dụng trong y học nhưng chúng cũng được sử dụng trong nuôi cấy tế bào, xử lý các phân tử sinh học trong công nghệ sinh học, thủy sản, nông nghiệp… 1.2 Phân loại Vật liệu sinh học được phân thành: vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học và vật liệu sinh học tổng hợp. - Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học: vật liệu mô mềm và mô cứng - Vật liệu sinh học tổng hợp: kim loại, polymer, gốm, composit Sự khác biệt giữa vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học và vật liệu sinh học tổng hợp: Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học và vật liệu sinh học tổng hợp có các đặc tính khác nhau đáng kể. Ví dụ, mô gồm nhiều tế bào; kim loại, gốm, polymer thì không có tế bào. Mô có khả năng tự sửa chữa một phần hoặc toàn bộ; kim loại, gốm, polymer thì không… 4 Bảng 1.1: So sánh vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học và vật liệu sinh học tổng hợp. Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học Vật liệu sinh học tổng hợp Có tế bào Có nước Không đẳng hướng Không đồng nhất Nhớt, đàn hồi Có khả năng tự sửa chữa/sống Không có tế bào Khan Đẳng hướng Đồng nhất Mềm dẻo, đàn hồi Không sống Ví dụ về sự khác nhau giữa mô và vật thay thế mô: thành mạch máu. Lót trong lòng mạch máu là các tế bào nội mô. Các thành phần cấu trúc chính dưới nội mô gồm các tế bào cơ trơn, collagen và elastin. Số lượng các thành phần này và hướng của các sợi phụ thuộc vào vị trí trong mô mạch, loại mạch (động mạch, tĩnh mạch) và kích thước của mạch máu. Để thay thế mô phức tạp này, các ống polymer polytetrafluoroethylene hoặc poly(ethylene terephthalate) thường được sử dụng làm vật ghép tổng hợp. Bảng 1.2: Các loại mô và một số vật liệu sinh học được sử dụng để thay thế Mô Vật liệu tổng hợp thay thế Mạch máu Kính sát tròng Hông Răng Polytetrafluoroethylene Poly(ethylene terephthalate) Polymethylmethacrylate Ti-6Al-4V Co-Cr-Mo Amalgam Ti 5 Bảng 1.3 Phân loại vật liệu sinh học theo nguồn gốc: I. Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học II. Vật liệu sinh học tổng hợp 1. Mô mềm Da, gân, màng ngoài tim, giác mạc 1. Polymer Ultra High Molecular Weight Polyethylene ( UHM WPE), Polymethylmethacarylate (PMMA), Polyethyletherketone (PEEK), Silicone, Polyurethane (PU), Polytetrafluoroethylene (PTFE) 2. Mô cứng Xương, răng 2. Kim loại Thép không gỉ, hợp kim Cobalt (Co-Cr- Mo), hợp kim Titan (Ti-Al-V),vàng, bạch kim 3. Gốm Alumina (A 1203), Zirconia (Zr02), Carbon, Hydroxylapatite [CalO( PO&( OH)z], Tricalcium Phosphate [Caj(PO4)2], Bioglass [Na20( CaO)(P203)(Si02)], Calcium Aluminate [Ca(A1204)] 4. Composit Carbon Fiber (CF)/PEEK, CF/UHMWPE, CF/PMMA , Zircon idSil icdB IS – GMA 6  Yêu cầu Các vật liệu sinh học phải có các đặc tính đặc biệt như: tính tương hợp sinh học, không sinh khối u, kháng xói mòn, có độc tính thấp. Tuy nhiên, tùy thuộc vào ứng dụng, các vật liệu cần đạt các yêu cầu khác nhau. Đôi khi, các yêu cầu này ngược nhau hoàn toàn. Ví dụ: trong công nghệ mô xương, khung (scaffold) polymer cần có khả năng phân hủy sinh học để khi các tế bào tạo ra chất nền ngoại bào của riêng chúng thì vật liệu polymer sẽ được thay thế hoàn toàn. Trong van tim cơ học, các vật liệu cần có tính ổn định sinh học, kháng xói mòn và không phân hủy theo thời gian (tồn tại hơn 20 năm). Nói chung, các yêu cầu của vật liệu sinh học có thể được phân thành 4 nhóm: 1) Tính tương hợp sinh học: vật liệu phải không gây phản ứng không tốt của vật chủ nhưng kích thích sự hòa hợp mô - vật ghép tốt. Sự xuất hiện phản ứng viêm là điều cần thiết trong tiến trình lành hóa vết thương. Tuy nhiên, sự viêm kéo dài có thể chỉ ra sự hoại tử mô hoặc không có tính tương hợp. 2) Có thể khử trùng: vật liệu có thể chịu được sự khử trùng. Các kỹ thuật khử trùng gồm: tia gamma, khí (ethylene oxid) và hấp hơi nước. Một số polymer như polyacetal sẽ khử polymer hóa và sinh ra khí độc formaldehyd khi được chiếu dưới tia gamma năng lượng cao. Do đó, cách tốt nhất để khử trùng các polymer này là khí ethylene oxid. 3) Có tính chức năng: Tính có chức năng của một bộ phận giả tùy thuộc vào khả năng tạo được hình dáng phù hợp với một chức năng đặc biệt. Do đó, vật liệu phải được tạo hình dáng bằng các quy trình chế tạo công nghệ. Sự thành công của stent động mạch vành (loại vật liệu y học được sử dụng rộng rãi nhất) được cho là nhờ quy trình chế tạo hiệu quả thép từ việc xử lý nhiệt để tăng độ bền của nó. 4) Có thể chế tạo: Nhiều vật liệu có tính tương hợp sinh học nhưng trong khâu cuối cùng (khâu chế tạo thành công cụ) không thực hiện được. Khi vật ghép tiếp xúc với hệ sinh học, các phản ứng sau được quan sát: (1) Trong vòng vài giây đầu tiên, các protein từ dịch cơ thể sẽ lắng đọng. Lớp protein này điều hòa nhiều phản ứng của hệ thống tế bào. Cấu trúc của các protein hấp phụ phụ thuộc vào các đặc tính bề mặt của vật ghép. (2) Mô xung quanh vật ghép phản ứng giống như phản ứng của cơ thể với tổn thương hoặc nhiễm trùng. Do các kích thích cơ học và hoá học, vật ghép có thể gây ra viêm kéo dài. Kết quả là mô hạt hình thành xung quanh vật ghép. (3) Trong suốt quá trình tiếp xúc giữa vật liệu sinh học và cơ thể, môi trường cơ 7 thể sẽ gây ra sự phân hủy. Các quá trình thủy phân và oxid hóa có thể làm mất tính ổn định cơ học và giải phóng các sản phẩm phân hủy. (4) Kết quả của sự chuyển vận các sản phẩm phân hủy có khả năng hòa tan qua hệ mạch và bạch huyết là phản ứng của toàn cơ thể với vật ghép là không thể tránh khỏi. Ngoài ra, sự nhiễm khuẩn của vật ghép cũng được xem là một trở ngại. 2. Cấu tạo chung của mắt Hình 2.1. Cấu tạo mắt người. Mắt là cơ quan thị giác, gồm 2 con mắt có kích thước nhỏ. Mỗi con mắt là một khối cầu dai có đường kính chừng 2,5 cm. Chức năng của mắt là để xác định các đối tượng nhìn, tập hợp và hội tụ tia sáng từ đối tượng, sau đó truyền hình ảnh rõ nét đến các tế bào nhạy cảm ánh sáng nằm ở đáy mắt, nơi hình ảnh được thu nhận và bước đầu được xử lý. Hình ảnh sau đó được chuyển tải bởi xung điện dọc theo dây thần kinh thị giác (là dây thần kinh đi từ đáy mắt lên não). Các dây thần kinh thị giác liên kết với nhau trong não bộ cho phép chúng ta nhìn thấy được những hình ảnh kết hợp từ cả hai mắt. Phần não bộ ghi nhận các tín hiệu thị giác này được gọi là vỏ não thị giác, nằm ở phía sau cùng của não bộ. Từ vỏ thị giác, tín hiệu được truyền đến nhiều phần khác của não. Các xung điện ban đầu phải trải qua một quá trình xử lý phức tạp để tạo ra những hình ảnh mà chúng ta nhìn thấy. Mắt cấu tạo gồm cầu mắt và các phần phụ (lông mi, lông mày…). Cầu mắt gồm 3 lớp màng: Màng cứng (giác mạc): phần trong suốt phủ bên ngoài cầu mắt, bảo vệ mắt và cho ánh sáng xuyên qua, khuếch đại ánh sáng. 8 Màng mạch: chứa sắc tố, tạo ra màu của mắt, phía màng gần giác mạc có lỗ thủng gọi là con ngươi, áp sát con ngươi là lòng đen. Nằm sau con ngươi là thủy tinh thể có tác dụng khuếch tán ánh sáng. Màng lưới (võng mạc): được tạo nên từ các tế bào thị giác, chuyển kích thích ánh sáng, hình ảnh bên ngoài thành xung thần kinh thị giác. Như vậy, các bộ phận quan trọng và dễ bị tổn thương nhất của mắt gồm có, giác mạc, thủy tinh thể và võng mạc. 2.1 Giác mạc: Giác mạc là lớp màng trong suốt nằm ngoài cùng nhãn cầu, phía trước tròng đen, không có mạch máu, chiếm 1/5 diện tích phía trước của vỏ nhãn cầu. Ranh giới giữa giác mạc và củng mạc là vùng rìa giác mạc bề rộng của vùng rìa chừng1mm. Đây là vùng có cấu tạo giải phẫu rất đặc biệt và vai trò sinh lý rất quan trọng của nhãn cầu. Giác mạc như lớp kính trong suốt đón ánh sáng bên ngoài vào, giúp chúng ta có thể nhìn thấy được thế giới xung quanh ta. Thị lực sẽ bị giảm hay bị mất hoàn toàn nếu giác mạc trở nên mờ đục do bị bệnh, tổn thương hoặc nhiễm khuẩn. Giác mạc bao gồm năm lớp: - Lớp biểu mô giác mạc - Lớp màng Bowman - Lớp nhu mô - Lớp màng Descemet - Lớp nội mô. Giác mạc bình thường không có mạch máu, dinh dưỡng của giác mạc chủ yếu do thẩm thấu từ hai cung mạch nông và sâucủa vùng rìa, từ thuỷ dịch và từ nuớc mắt. Các bệnh phổ biến cần ghép giác mạc: Viêm giác mạc Nhiễm trùng giác mạc, hay viêm giác mạc, là nguyên nhân phổ biến dẫn đến ghép giác mạc. Nhiễm trùng có thể bao gồm vi khuẩn, nấm hoặc amip trong tự nhiên. Nếu tình trạng loét giác mạc nghiêm trọng và sẹo giác mạc gây ảnh hưởng đến độ trong của giác mạc và thị lực thì cần phải ghép giác mạc. Giác mạc hình chóp (Keratoconus) Giác mạc hình chóp là một chứng rối loạn của giác mạc làm cho giác mạc dần dần trở nên mỏng đi. Giác mạc bị mỏng đi sẽ phình ra trước và trở thành hình chóp, làm thay đổi trong khả năng khúc xạ của mắt. Tình trạng này đặc biệt làm 9 tăng độ loạn thị và dẫn đến thị lực kém. Trong giai đoạn đầu, bệnh có thể được điều trị bằng kính sát tròng cứng. Tuy nhiên nếu kính sát tròng không được dung nạp thì cần phải ghép giác mạc. Loạn dưỡng nội mô giác mạc dạng Fuch Trong giai đoạn đầu của bệnh, tầm nhìn bị mờ nhưng càng ngày càng cải thiện. Nhưng trong giai đoạn sau, chứng loạn dưỡng nội mô giác mạc dạng Fuch có thể gây ra sưng, làm méo mó tầm nhìn và đau. Tình trạng này ảnh hưởng đến độ trong của giác mạc và trong những trường hợp nghiêm trọng, cần phải ghép giác mạc để phục hồi thị lực. Loạn dưỡng giác mạc kiểu hàng rào Đây là sự tích tụ của các sợi protein bất thường trong lớp giữa của giác mạc làm đục tầm nhìn. Nếu sự tích tụ protein này xảy ra ở lớp ngoài cùng của giác mạc, giác mạc có thể bị mòn. Các phương pháp điều trị y tế như thuốc nhỏ mắt hoặc kính sát tròng mềm có thể giúp ích nhưng trong những trường hợp nghiêm trọng, có thể cần phải ghép giác mạc. 2.2 Thủy tinh thể: Thể thuỷ tinh là một thấu kính trong suốt hai mặt lồi được treo cố định vào vùng thể mi nhờ các dây Zinn. Thể thuỷ tinh dày khoảng 4mm đường kính 8-10mm bán kính độ cong của mặt trước là 10mm, mặt sau là 6mm. Công suất quang học là 20-22D. Thể thuỷ tinh có 2 mặt trước và sau, nơi hai mặt này gặp nhau gọi là xích đạo. Mặt trước tiếp giáp với mặt sau của mống mắt, mặt sau tiếp giáp với màng dịch kính. Xích đạo thể thuỷ tinh cách thể mi khoảng 0,5 mm, ở đây có các dây chằng trong suốt nối liền từ bờ ngoài thể thuỷ tinh đến thể mi gọi là các dây chằng Zinn có tác dụng giữ thể thuỷ tinh tại chỗ và truyền các hoạt động của cơ thể mi đến màng bọc thể thuỷ tinh. Công suất hội tụ của thể thủy tinh có vai trò quan trọng trong hệ thống khúc xạ, giúp tiêu điểm ảnh hội tụ đúng trên võng mạc khi nhìn xa. Khả năng thay đổi độ dày của thể thuỷ tinh gọi là sự điều tiết có tác dụng giúp mắt nhìn rõ những vật ở gần. Một số bệnh phổ biến: - Đục thủy tinh thể: Bệnh đục thủy tinh thể (cataract) là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây mù trên thế giới và ở Việt Nam, bệnh thương gặp ở người trên 50 tuổi, là hiện tượng đục mờ thủy tinh thể. Sự đục mờ này ngăn không 10 [...]... máy sợi tổng hợp Vật liệu mới được đưa vào sản xuất đại trà bởi đã sử dụng tích cực tại một số phòng khám nhãn khoa trên khắp nước Nga 31 III Kết luận Vật liệu y sinh học nói chung và vật liệu y sinh học trong lĩnh vực nhãn khoa đang ngày càng trở nên quan trọng trong việc chữa trị các bệnh, thay thế các mô, cơ quan hư hỏng cho con người, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người trong lĩnh vực chăm... cứu cấy vi mạch lên võng mạc hoặc tái tạo võng mạc tổn thương từ tế bào gốc - Mù bẩm sinh do bất thường ở các tế bào cảm thụ ánh sáng (tế bào que hoặc tế bào nón) 3 Vật liệu y sinh học trong nhãn khoa 3.1 Các vật liệu y sinh học thay thế trong chữa trị các bệnh về mắt 3.1.1 Kính sát tròng: - Kính sát tròng là những đĩa nhựa cong, mỏng được thiết kế để bao phủ lấy giác mạc của mắt Chúng điều chỉnh đường... sức khỏe Đặc biệt hơn đối với lĩnh vực nhãn khoa, đó là cơ hội được nhìn thấy ánh sáng của rất nhiều bệnh nhân mắc các tật, bệnh về mắt Nhất là với các bệnh nhân mù bẩm sinh, đem lại ánh sáng cho đôi mắt họ cũng như là họ được sinh ra lần thứ hai, và sự phát triển mạnh mẽ của ngành y học này là hy vọng lớn lao của họ Ứng dụng của vật liệu y sinh học trong nhãn khoa là rất lớn, và hiện nay những hướng... bị ma sát .Vật liệu này từ lâu đã được sử dụng trong y khoa, ví dụ cho các mắt kính áp tròng Để nó thỏa mãn với các tính chất cần thiết, nhóm nghiên cứu đã thực hiện một bước phát triển phức hợp Vật liệu này đã được cải tiến hoàn toàn trên một nền tảng hóa học polime và hệ quả là được tái thử nghiệm để đạt được sự chấp nhận sử dụng rộng rãi 3.1.3 Võng mạc 3.1.3.1 Vật liệu có nguồn gốc sinh học - Tế bào... tạo ra một điện áp Điện áp này khởi động động cơ áp điện, sinh ra một xung dẫn truyền thần kinh truyền tới võng mạc 4 Những nghiên cứu mới về vật liệu sinh học trong nhãn khoa 4.1 Nhật tiến hành ca cấy ghép tế bào gốc iPS đầu tiên trên thế giới Hình 4.1 Chủ nhiệm nhóm nghiên cứu, bà Masayo Takahashi (Nguồn: japantimes.co.jp) Một nhóm các nhà khoa học Nhật Bản ngày 12/9 đã cấy ghép thành công tế bào võng... sáng chế ra loại vật liệu có thể sử dụng thành công trong tất cả các ca phẫu thuật mắt Thứ vật liệu này hòa nhập tốt với mô của mắt và không gây tác dụng phụ Bây giờ ngành y có thể nhanh chóng đối phó với hầu như mọi loại bệnh vi phạm thị lực – từ đục thủy tinh thể cho đến tổn thương cơ học của giác mạc, - các chuyên viên cho biết 30 Vật liệu mới "TOFEKS" được dành cho các ca mổ trên nhãn cầu, và nó... mất chức năng thị giác và giảm tỷ lệ khuyết tật trong các căn bệnh nhãn khoa phổ biến nhất", ông Kirill Shubsky đại diện nhóm chuyên viên cho biết Cơ sở của ông đang tiến hành sản xuất các vật liệu sáng tạo nhằm phục vụ các mục đích khác nhau Hai cơ sở khác có vai trò trong phát minh này là Viện nghiên cứu bệnh mắt Matxcơva mang tên Gelmholtz và Học viện Y khoa quốc gia ở thành phố Tver miền trung nước... giác mạc những tế bào đó đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình tái tạo sinh lý và trong quá trình tái tạo phục hồi sau tổn thương biểu mô giác mạc 15 3.1.2.2 Giác mạc nhân tạo tổng hợp - Vật liệu polymer: Giác mạc dùng cho bệnh nhân không thích ứng được làm bằng vật liệu polymer, có tính chống nước Nó có một lớp phủ ngoài và một màng xúc giác hóa học, giúp thúc đẩy sự phát triển của các tế bào và... Tế bào phôi thai gốc có thể phát triển trong bất cứ loại mô nào của con người 3.1.3.2 Vật liệu sinh học tổng hợp: - Argus II là thiết bị điện tử sinh học thế hệ thứ 2 của công ty Second Sight chế tạo Argus II một hệ thống gồm nhiều thành phần Đầu tiên phải kể đến một chiếc camera kĩ thuật số được gắn trên một cặp mắt kiếng Hình ảnh từ camera sẽ được dịch thành dữ liệu bởi một chiếc máy tính nhỏ và được... hơn trong tương lai, vì vậy rất cần sự quan tâm và đầu tư của chính phủ và các tổ chức xã hội IV Tài liệu tham khảo 1 Phạm Đình Lựu, 2005, Sinh lý học y khoa, Tập 2, Tái bản lần thứ 4, Nxb Y học, Tp.HCM, tr 220 – 222 2 Phan Kim Ngọc, Phạm Văn Phúc, Trương Định, 2010, Công nghệ tế bào gốc, Nhà Xuất bản Giáo dục Việt Nam 3 http://www.dieutri.vn/bgnhankhoa/8-11-2012/S3152/Dai-cuong-ve-giai-phau- va -sinh- ly-mat.htm#ixzz3XlS2ig2k . loại Vật liệu sinh học được phân thành: vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học và vật liệu sinh học tổng hợp. - Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học: vật liệu mô mềm và mô cứng - Vật liệu sinh. sinh học tổng hợp: kim loại, polymer, gốm, composit Sự khác biệt giữa vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học và vật liệu sinh học tổng hợp: Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học và vật liệu sinh. polymer thì không… 4 Bảng 1.1: So sánh vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học và vật liệu sinh học tổng hợp. Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học Vật liệu sinh học tổng hợp Có tế bào Có nước Không