Tiểu luận polymer y sinh

TIÊU ĐỀ Trang I Tổng quan về vật liệu polymer y sinh 1 II Phân loại vật liệu polymer y sinh 3 III Ứng dụng của vật liệu polymer y sinh 10 NHẬN XÉT 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 I Tổng quan về vật liệu polymer y sinh: 1 Khái niệm: Polymer y sinh là vật liệu polymer (có nguồn gốc thiên nhiên, nhân tạo, hoặc tổng hợp) được sử dụng trong y học với mục đích điều trị, thay thế cơ quan hay chức năng, hoặc tăng cường chức năng nào đó trong cơ thể người và động vật1. Mặc dù polymer y sinh được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực y học, nhưng nó củng có thể được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như: công nghệ sinh học, môi trường, nônglâmngư nghiệp. 2 Các yêu cầu đối với vật liệu polymer y sinh: Tất cả các vật liệu polymer y sinh phải đáp ứng đầy đủ 4 yêu cầu cơ bản sau đây13:

MỤC LỤC

I/ Tổng quan về vật liệu polymer y sinh:

1/ Khái niệm:

Polymer y sinh là vật liệu polymer (có nguồn gốc thiên nhiên, nhân tạo, hoặc tổng hợp) được sử dụng trong y học với mục đích điều trị, thay thế cơ quan hay chức năng, hoặc tăng cường chức năng nào đó trong cơ thể người và động vật[1]

Mặc dù polymer y sinh được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực y học, nhưng

nó củng có thể được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như: công nghệ sinh học, môi trường, nông-lâm-ngư nghiệp

2/ Các yêu cầu đối với vật liệu polymer y sinh:

Tất cả các vật liệu polymer y sinh phải đáp ứng đầy đủ 4 yêu cầu cơ bản sau 3]:

đây[1-• Tính tương hợp sinh học và không độc hại:

Vật liệu polymer phải thích ứng với các mô, tế bào – nơi vật liệu tiếp xúc; có khả năng kích thích sự hòa hợp với các mô này Không gây sốc phản vệ với cơ thể sau khi cấy ghép các vật liệu này trong thời gian dài Sự xuất hiện phản ứng viêm khi đưa vật ghép vào cơ thể là hiện tượng tự nhiên khi có vật lạ vào cơ thể, trong trường hợp vật liệu có tính tương thích sinh học cao thì hiện tượng viêm do phản

vệ sẽ hết thúc trong vài ngày; trong trường hợp vật liệu không có tính tương thích sinh học với mô tiếp xúc, hiện tượng viêm kéo dài do cơ thể thực hiện phản ứng phản vệ để đào thải vật ghép ra ngoài cơ thể

Vật liệu polymer phải thể hiện tính không độc hại khi thực hiện chức năng trong suốt quá trình sử dụng trong cơ thể để bảo đảm tính an toàn trong quá trình

sử dụng

• Tính có thể khử trùng:

Tất cả các vật liệu cấy ghép phải được khử trùng trước khi thực hiện cấy ghép Các phương pháp khử trùng thông thường được sử dụng là: Tia gama, plasma, tia cực tím; cồn, và nhiệt độ Các vật liệu này phải không bị thay đổi tính chất, hình dạng và cấu trúc khi sử dụng một trong những phương pháp khử trùng trước khi

• Tính chức năng:

Mỗi một loại vật liệu polymer y học được dùng để thay thế, chữa trị phải có một chức năng đặc biệt phù hợp với mục đích sử dụng của nó Đôi khi các nhà khoa học có thể kết hợp nhiều loại vật liệu khác nhau để đáp ứng chức năng, nhiệm

vụ của bộ phận cần thay thế

• Tính có thể chế tạo:

Vật liệu polymer phải có khả năng được chế tạo theo hình dạng và kích thước yêu cầu Nhiều trường hợp vật liệu polymer đáp ứng được các yêu cầu trên nhưng không thể chế tạo nên không có khả năng ứng dụng trong y sinh

* Ngoài những yêu cầu cơ bản trên, còn có một số yêu cầu cụ thể khác tùy theo từng trường hợp sử dụng và mục đích sử dụng cụ thể như:

- Tính không phân hủy và bền trong môi trường sinh học: đối với một số trường hợp yêu cầu đáp ứng chức năng trong thời gian dài như: các ống dẫn lưu, xương, khớp

- Tính phân hủy sinh học: đối với các trường hợp vật liệu đáp ứng chức năng trong thời gian có hạn như: vật liệu khung (scaffold) dùng để nuôi cấy phát triển một tế bào nào đó; vật liệu truyền dẫn dược phẩm trong cơ thể

3/ Tình hình ứng dụng và nghiên cứu vật liệu polymer y sinh tại Việt nam:

Trong những năm gần đây, nền khoa học về y tế của Việt Nam đã có những bước tiến rất đáng kể Nhiều thiết bị và công nghệ khám chữa bệnh hiện đại ngang tầm thế giới đã được nhập khẩu về Việt nam Đặc biệt, đội ngũ y bác sỹ trong nước cũng dần được đào tạo ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới và dần khẳng định vị trí khoa học của mình trên bản đồ thế giới

Từ những sự tiến bộ trên, việc sử dụng các sản phẩm y tế từ polymer y sinh tại Việt nam rất phát triển Hầu như mọi sản phẩm tiên tiến nhất về mặt khoa học đều có tại Việt nam Trong những năm gần đây, rất nhiều sản phẩm y tế xuất phát

từ polymer y sinh được sử dụng[14]:

- Hàng ngàn người được đặt stent động mạch vành

- Hàng ngàn người thay khớp háng ở trong nước và nước ngoài

- Hàng triệu ống đỡ động mạch các loại được sử dụng mỗi ngày, trong đó có không ít các loại stent đặt trong cơ thể

- Các ca chấn thương, chỉnh hình nghiệm trọng cần sử dụng các vật tư y tế từ polymer y sinh diễn ra hàng giờ trên khắp cả nước

- Hàng trăm ngàn người mắc bệnh hiểm nghèo cần điều trị bằng phương pháp vận chuyển và truyền dẫn thuốc hiện đại

Tuy nhiên, một điều cần lưu ý là đa số tất cả các sản phẩm vật tư, thiết bị y

tế kể trên đều được nhập khẩu từ nước ngoài

II/ Phân loại vật liệu polymer y sinh:

Đến thời điểm hiện tại, đã có rất nhiều loại sản phẩm từ polymer y sinh được nghiên cứu và ứng dụng góp phần không nhỏ vào việc chữa bện và phục vụ cuộc sống con người, và được hệ thống dưới dây:

1/ Hệ vật liệu polymer y sinh thay thế cho xương, khớp, gân:

Hiện có rất nhiều hệ vật liệu đi từ polymer y sinh được sử dụng trong việc thay thế và điều trị với mục đích này như được trình bày như dưới đây[4-5]:

- Các loại sợi: CF (carbone fiber), C (carbone), GF (Graphite fiber); UHMWPE (ultra hight molecular weight Polyethylene); PGA (Polyglicolide); KF (Kevlar fiber),…

- Các loại polymer: UHMWPE (ultra hight molecular weight Polyethylene); PGA (Polyglicolide); PLLA (Poly L- lactide); PCLA (poly-caprolactone co-L-Lactide); PCL (poly caprolactone); PET (polyethylene terephthalate); PTFE (polytetra floro ethylene); epoxy, PMMA (polymethyl methacrylate),…

Các vật liệu từ polymer y sinh được để chữa trị và thay thế cho hệ xương, khớp,

gânCác loại vật liệu cho hệ xương, gân, khớp:

Các loại sản phẩm sử dụng:

- Các loại định vị: ốc vít định vị , thanh định vị

- Các loại thay thế: khớp háng, xương dầu gối, đĩa đệm, xương sống,…

- Các loại bổ xung: răng, polymer tram răng, …

2/ Hệ vật liệu polymer y sinh sử dụng làm hệ dẫn lưu[4-6]:

Đối với các sản phẩm dẫn lưu thì có thể chia làm hai loại theo thời gian sử dụng:

• Sử dụng ngắn hạn:

Các loại ống dẫn lưu này thường chỉ được sử dụng trong thời gian rất ngắn, sau đó bỏ đi như: ống truyền và dẫn dịch, nước, máu, các loại ống thông,… Các loại ống này thường không tiếp xúc hoặc tiếp xúc hạn chế với cơ thể và đa số là nằm ngoài cơ thể Vì vậy, các loại ống này thường sử dụng vật liệu từ PE, PVC là chủ yếu

• Sử dụng dài hạn:

Các loại ống dẫn lưu này thường được sử dụng trong thời gian càng dài càng tốt như: ống thông mật, các stent động mạch, Stent bang quang, …Các loại ống này thường tiếp xúc với các mô trong cơ thể và đa số là nằm trong cơ thể Vì vậy, các loại ống này thường sử dụng vật liệu có chất lượng về độ bền hoặc tính tương thích sinh học cao như PTFE, UHMWPE, PCLA, PLLA

3/ Hệ vật liệu polymer y sinh sử dụng làm khung xương (scaffold)[5-7]:

Hiện nay, hệ vật liệu scaffold từ polymer y sinh phân hủy sinh học được sử dụng rất nhiều trong việc nuôi cấy và phát triển tế bào gốc có chức năng chuyên biệt Scaffold từ polymer y sinh này sẽ làm gía thể để các tế bào phát triển trên đó, khi hình dạng của bộ phận cần nuôi cấy đã hình thành đầy đủ thì polymer y sinh cũng được phân hủy hết Kết quả lả sự phát triển của các tế bào này sẽ hình thành và

thay thế đầy đủ các bộ phận của cơ thể bị khiếm khuyết (đặc biệt là các bộ phận này là hình thành từ tế bào sống chứ không phải là một vật liệu chết).

Các loại polymer y sinh phân hủy sinh học được sử dụng làm scaffold là: PCLA, PLLA, PLA, PGA, PCLA,…

Các tế bào gốc và các bộ phận có thể thay thế là: Răng, xương, sụn, da, …

4/ Hệ vật liệu polymer y sinh phục vụ chuẩn đoán[3-5]:

Một trong những lãnh vực cực kỳ quan trọng trong ngàn y học là chuẩn đoán và xét nghiệm, hiện có rất nhiều polymer có tính năng đặc biệt như polymer dẫn điện, polymer nhạy cảm với các yếu tố môi trường như: nồng độ protein, đường, pH, điện, từ trường, được kết hợp với các loại vật liệu khác như CNT, kim loại nano như Vàng, Bạc, oxite sắt từ,… để chế tạo các hệ thiết bị, sensor và dụng cụ chuẩn đoán bệnh bằng hình ảnh, điện số, màu sắc, … với độ chính xác rất cao và tiện lợi các hệ thiết bị này giúp cho việc chuẩn đoán và chữa trị được thực hiện một cách nhanh chóng và tiết kiệm

5/ Hệ vật liệu polymer y sinh cho việc vận chuyển và truyền dẫn thuốc[8-13]:

• Lĩnh vực tá dược mang thuốc:

Hiện nay, lãnh vực tổng hợp polymer y sinh dạng tá dược phục vụ cho việc chế tạo các loại viên nang nén, viên nang con nhộng trên thê giới đang tạo ra một nguồn thu cực lớn Mặc dù công nghệ tổng hợp các loại polymer này đã được triển khai đại trà trên thế giới, nhưng tại Việt nam, các công ty dược phẩm chỉ nhập polymer về để chế tạo sản phẩm mà chưa chú trọng tới việc tổng hợp ra loại polymer

• Lĩnh vực truyền dẫn thuốc điều trị trúng đích:

Trong những năm gần đây sự phát triển của các căn bệnh hiểm nghèo như AIDS, ung thư, viêm gan, đặc biệt là bệnh đái tháo đường đang trở thành một mối nguy hiểm đối với sức khỏe loài người Và chúng đã trở thành một mối lo ngại vô cùng lớn của các tổ chức y tế thế giới Việc kiểm soát quá trình phân phối

HIV-thuốc/protein để điều trị những căn bệnh nghiêm trọng trên là một trong những thử thách trong lĩnh vực Y dược Hiện có nhiều loại dược phẩm (thuốc /protein) chứng

tỏ được khả năng chữa bệnh tốt, tuy nhiên các phương pháp sử dụng dược phẩm truyền thồng như uống, tiêm, xạ trị, hóa trị thể hiện sự giới hạn nhất định trong quá trình sử dụng Tuy nhiên, các phương pháp sử dụng dược phẩm truyền thống để điều trị các loại bệnh này có những nhược điểm lớn như: sự tập trung đột ngột của thuốc/protein tại một điểm, lúc đó thuốc/protein trở thành chất độc hại cho cơ thể bởi vì sự tập trung đó làm cho liều lượng thuốc/protein tại đó cao hơn bình thường; Vì dược phẩm dược dẫn truyền theo đường máu, chỉ khi gặp tế bào mầm bệnh (ung thư) thì mới thể hiện chức năng chữa trị, nhưng trong quá trình vận chuyển dược phẩm này còn tác dụng lên tất cả các tế bào khác mà nó gặp Do đó chỉ có một lượng nhỏ dược phẩm có tác dụng hữu hiệu cho việc điều trị, còn phần lớn dược phẩm lại tạo ra các phản ứng phụ khác trong quá trình điều trị; Thêm vào

đó, sự suy giảm hình thức (profile) của thuốc/protein đến dưới khoảng liều dùng trong quá trình điều trị đòi hỏi một liều thuốc/protein mới Phương pháp sử dụng polyme y sinh có cấu trúc nano particle nhạy cảm với nhiệt độ và pH, hoặc nhạy cảm với nhiệt độ hoặc pH hiện được các nhà nghiên cứu trên thế giới nhận định là phương pháp phân phối thuốc một cách tự nhiên và có triển vọng nhất bởi vì nó cho phép phân phối các phần tử hoạt động của thuốc một cách đầy đủ và hiệu quả

vì nó mang những ưu điểm nổi trội sau:

Sử dụng polyme y sinh có thể mang và phân phối dược phẩm vào cơ thể con người theo những chương trình được vạch sẵn Như vậy, nồng độ dược phẩm trong máu và thời gian tác dụng của thuốc có thể điều khiển một cách dễ dàng nhằm trách hiện tượng cục bộ nhất thời (hàm lượng dược phẩm trong máu cao nhất thời gây tác dụng phụ) và có thể kéo dài thời gian điều trị cho một lần sử dụng thuốc

So sánh về hiệu năng sử dụng để điều trị của phương pháp mới này so với các phương pháp truyền thống được thể hiện trên hình sau:

Hình thức kiểm soát thuốc/protein

- Đường đứt khúc: Hình thức nhả thuốc/protein theo phương pháp truyền thống, phải sử dung lặp lại nhiều lần

- Đường liền nét : Hình thức nhả thuốc liên tục từ hydrogel y sinh Chỉ sử dụng một lần

Cấu trúc mạng lưới polyme hydrogel được sắp xếp với các tính chất hoá lý

dễ dàng tương tác với dược phẩm Hệ polyme y sinh, đặc biệt là hydrogel y sinh đang được chú trọng trong việc ứng dụng vào phương thức chữa bệnh mới, bởi vì chúng có nhiều ưu điểm như khả năng tương thích sinh học tốt, tính tương tác với dược phẩm có thể kiểm soát Một ưu điểm quan trọng của phương thức phân phối thuốc từ hydrogel là chúng có thể kiểm soát được bởi một vài yếu tố, ví dụ như : Kích thước lỗ trống của hydrogel, tính kỵ nước, sự có mặt của một số nhóm chức đặc biệt, chúng tạo ra một tương tác đặc trưng giữa chất mang (matrix) với thuốc

và sự kiểm soát phân huỷ của các hydrogel y sinh

Cơ chế hình thành hydrogel từ polyme y sinh có cấu trúc nano

particle nhạy cảm với nhiệt độ và pH khi tiêm vào cơ thể sống

Mặc dù ý tưởng đưa ra có những bước đột phá trong khoa học, và các nhà khoa học trên thế giới đang tập trung nghiên cứu theo hướng đi này, tuy nhiên cũng chỉ là những bước đầu nghiên cứu và chưa có một ứng dụng cụ thể nào do những nguyên nhân sau: Vấn đề tổng hợp ra loại polymer phải có cấu trúc thích hợp với những điều kiện thay đổi về pH và nhiệt độ trong cơ thể còn gặp khó khăn; Loại polymer phải có khả năng không độc hại, tính tương đương sinh học cao (không bị phải ứng đào thải khi đưa vào cơ thể người) và có khả năng phân hủy sinh học Vì những lý do trên, hiện thế giới vẫn đang nổ lực nghiên cứu và người ta dự đoán khả năng áp dụng các nghiên cứu này sẽ bắt đầu có thể triển khai trong tương lai 5 năm sau

III/ Ứng dụng của vật liệu polymer y sinh:

1/ Ứng dụng vật liệu nano chitosan trong truyền dẫn thuốc:

• Tổng quan về chitosan:

Chitosan là một loại polymer carbohydrate tự nhiên có thể tạo ra bằng cách deacetyl hoá chitin Chitosan có thể tìm thấy trong tự nhiên từ động vật giáp xác như tôm, cua Chitosan còn có thể được tìm thấy từ những loài vi sinh vật như nấm, men

Chitosan là dẫn xuất deacetyl hoá của chitin, trong đó nhóm (–NH2) thay thế nhóm (-NHCOCH3) ở vị trí C2 Chitosan được cấu tạo từ các mắc xích D-glucosamine liên kết với nhau bởi liên kết α-(1-4)-glycoside[15][16]

Công thức cấu tạo của chitosan

Chitosan có những tính chất sau:

- Không độc, tính tương ứng sinh học cao và có khả năng phân huỷ sinh học nên không gây dị ứng và không gây phản ứng phụ, không gây tác hại đến môi trường

- Cấu trúc ổn định

- Tan tốt trong dung dịch acid loãng (pH < 6,3) và kết tủa ở những giá trị pH cao hơn, hóa tím trong dung dịch iod

- Có tính kháng khuẩn tốt.

- Là hợp chất cao phân tử nên trọng lượng phân tử của nó giảm dần theo thời gian do phản ứng tự cắt mạch Nhưng khi trọng lượng phân tử giảm thì hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm không bị giảm đi

- Có khả năng hấp phụ cao đối với các kim loại nặng

- Ở pH < 6,3, chitosan có tính điện dương cao

- Trong phân tử chitosan có chứa nhóm –OH, -NHCOCH3 trong các mắt xích N-acetyl-D-glucosamine có nghĩa chúng vừa là alcol vừa là amine, vừa là amide Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế N-

- Mặt khác chitosan là những polymer mà các monomer được nối với nhau bởi các liên kết α-(1-4)-glycoside; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất như: acid, baz, tác nhân oxy hoá và các enzyme thuỷ phân[15][16]

• Tổng quan về nano chitosan:

Chitosan được sử dụng làm nguyên liệu điều chế hạt nano chitosan trong những năm gần đây vì những tính chất ưu việt của nó ở kích thước nano Chitosan

là dạng deacetyl hóa từ chitin, có cấu trúc polysaccharide, được tìm thấy ở loài động vật giáp xác, côn trùng và một vài loại nấm Với nhiều tính năng như tính tương thích sinh học, phân hủy sinh học, bám dính màng và không độc hại, nó trở thành nguyên liệu cho nhiều ứng dụng dược sinh học Do đó, hạt nano chitosan trở thành hệ thống phân phối thuốc có tiềm năng lớn[17]

Nano chitosan do có kích thước siêu nhỏ (từ 10 đến 1000nm) nên dễ dàng đi qua màng tế bào, có thể đưa vào cơ thể qua nhiều đường khác nhau như dùng ngoài da, dùng qua đường miệng, qua mũi… Nano chitosan có diện tích và điện tích bề mặt cực lớn nên được ứng dụng nhiều trong sinh y học như mang thuốc, vaccine, vectơ chuyển gen, chống khuẩn, thuốc điều trị ung thư… Khi sử dụng nano chitosan làm chất dẫn thuốc, thuốc điều trị được bảo vệ bởi những hạt nano chitosan khỏi sự phân huỷ sinh học Do kích thước rất nhỏ, những hạt này có tác dụng thấm sâu vào cơ thể, đưa thuốc đến đúng mục tiêu, nâng cao hiệu quả điều trị[18]

• Các phương pháp chế tạo nano chitosan:

Hiện nay có nhiều phương pháp tạo nano chitosan Phương pháp được sử dụng