CHƯƠNG 7 VẬT LIỆU SINH HỌC

n Giới thiệu và sự phân loại chung của các vật liệun Các tính chất cơ học của vật liệu n Kết cấu và các ñặc tính khác của vật liệu - Kim loại và hợp kim - Gốm và thủy tinh - Các polymer

Chương 7 Vật liệu sinh học

n Mô tả ñược sự khác nhau giữa các kim loại, gốm, polymer

n Mô tả một số kỹ thuật gia công ñược sử dụng ñể thay ñổi

n Giới thiệu và sự phân loại chung của các vật liệu

n Các tính chất cơ học của vật liệu

n Kết cấu và các ñặc tính khác của vật liệu

- Kim loại và hợp kim

- Gốm và thủy tinh

- Các polymer

n Đáp ứng của mô ñối với các vật liệu

Giới thiệu và sự phân loại chung

n ịnh ngh a “vật liệu sinh học”

n Liệt kê các quá trình, thông số và các công

dụng y sinh chung của các vật liệu

- Kim loại

- Gốm

- Polymer

- Composit

Các tính chất cơ học c a vật liệu

n Sức b n vật liệu ñược mô tả chung bởi ñường

cong ứng suất-biến dạng

Các tính chất cơ học c a vật liệu

n ể xây dựng ñược biểu ñồ này, một mẫm u vật liệuñược tạo hình xương chó ñược kéo căng ra bằb ngmột máy thử nghiệm cơ học Cung cấp một lực

Newto cho mẫu vật này ño sự biến dạng của

nó theo Ứng suất, N/m2 hoặc là pascal , ñược tính bằng lực chia cho tiết diện cắc t ngang

ban ñầu Biến dạng, (%), ñược tính bằng sự

thay ñổi v chiếu dài chia cho chi u dài ban ñầu

Các tính chất cơ học c a vật liệu

n Tại sao các ng dụng sau ây là không tốt

• Sự thay thế mạch máu bằng một ống kim loại

• Sự thay thế nhựa silicone cho dây chằng hay gân

• Nhựa silicone dùng ñể nối các xương nứt gãy

• Việc ghép da bằng gốm dẻo…

Kết cấu và các ñặc tính khác

n Kim loại ợc cấu tạo từt các nguyên tử mà ñược

giữ với nhau bởi các liên kết mạng tinh thể

Kim loại và hợp kim

n Yếu tố nào làm cho kim loại có các ñặc tính dẫn

ñiện và dẫn nhiệt tốt

n Tại sao kim loại có tính dẻo

n Khi kim loại ông ặc lại từ trạng thái lỏl ng (sự

chuyển pha từ lỏl ng sang rắn), các nguyên tử

thiết lập thành một dãy có trật tự ñược gọi là cấutrúc tinh thể Mặc dù tinh thể này có một trật tự

ñ u ñặn nhưng các liên kết kim loại này bản thânchúng một cách tương ñối vẫn mang tính “lỏng”

chính vì vậy ñã làm cho kim loại có các ñặc tính

dẻo (không giống các vật liệu mà có liên kết cộng

Kim loại và hợp kim

n Trong những cấu trúc tinh thể này, các nguyên tử

có thể sắp xếp theo dạng hình lập phương với

một nguyên tử ở tâm của hình lập phương ñược

gọi là khối thể tâm (BB ), hoặc là theo dạng hìnhlập phương mà một nguyên tử có mặt ở tâm củam

mỗi mặt phẳph ng thuộc hình lập phương ñó, ñược

gọi là khối diện tâm (( ) )

n Trong mộm t số trường hợp, kim loại ở thể rắn sẽ

chịu những sự ñổi pha giữa các cấu trúc tinh thểkhác nhau khi nhiệt ñộ thay ñổi (sự biến ñổi thùhình

n Hợp kim là gì

n Sự lệch mạng là gì, nó ảnh hưởng như thế nào

ñến tính chất của kim loại và các kỹ thuật gia

công ảnh hưởng ñến nó như thế nào

n Sự gia công lạnh là gì và nó ảnh hưởng như thế

nào ñến các ñặc tính của kim loại

n Sự xử lý nhiệt là gì và nó ảnh hưởng như thế nàoñến các ñặc tính của kim loại

n Thế nào là thép không gỉg và nó ñược chế tạo nhưthế nào

ác c tính cơ bản nói chung:

á trình mà nhờ ñó gốm ñược sản xuất theo hìnhdạng mong muốn:

n Đầu tiên bột ñược xử lý ñể có ñộ tinh khiết cao

n Mẻ bột ñược xử lý theo hình dạng sơ bộ mà

không ñược nung (green body)

n The green body ñược ñưa lên một nhiệt ñộ mà

lúc ñó nó kết hợp thành một cấu trúc ñơn (ñượcgọi là sự tổng hh p hay p hay sự dung kết) hình thànhcác hạt

n ác phần ñược dung kết sau ñó ñược gia công

trên máy và tạo hình theo thiết kế cuối cùng

Gốm và thủy tinh

acbon nhi t phân LT là gì T ại di n cho cái gì

Kết cấu và các ñặc tính khác

polymer

n polymer có thể ñược ñịnh ngh a như là:

n Những ưu ñiểm của polymer so với kim loại và

gốm:

n Những khuyết ñiểm của polymer so với kim loại

và gốm:

Các polymer có thể ñược phân loại dựa vào

n chế polymer hóa

Sự polymer hóa ngưng tụ

Sự polymer hóa cộng thêm (gốc tự do)

n ấu trúc của polymer

n tính

Phân nhánh

Các polymer có th ể ñượ c phân lo ạ i d ự a vào

n ng xử c a polymer

- Chất nhi t dẻo

- Thermosetting

n Sự polymer hóa ngưng tụ

n Sự polymer hóa cộng thêm (gốc tự do)

Khối lượng phân t nh hưởng ñến các

Hình 6-1: Độ b n và khối lượng phân tử của polyefin (phần lớn

polyetilen và propylen) Sự gia tăng sức b n nguyên nhân chính là do việc giảm chuyển ñộng tương ñối của các chuỗi khi chúng trở nên dài

Chất ñồng trùng hợp

n Định ngh a:

n ác loại chất ñồng trùng hợp:

Các tính chất c a polymer

n ác ví dụ v các chất dẻo (nhi t dẻo và nhi t) vàchất àn hồi

Thành phần của blood oxygenator và thiết bị thẩm tách thận, van tim

Polypropylence

Chất vữa cho hông nhân tạo

polymeryl methacrylate (PMMA)

Polyethylene

Vỏ cách ly và vỏ bọc cho các thành phần ñiện tử Polymonochloro-p-xylylene

Polyamide (nylon)

ống thông ñường tiểu, phần phủ ngoài ñường khớp

Polyhydroxyethyl methacrylate (PHEMA)

Màng thẩm tách thận Cellophane

Tim, van tim gi , blood oxygenator

Cao su silicone dành cho y học (có

tính ñàn h i cao nhất, tính tương thích

Được nghiên cứu như bề mặt mạch máu, acetabular cup của bộ phận hông nhân tạo

Polyurethanes (trở hóa, tính tương

thích mô)

Được nghiên cứu như bề mặt mạch máu, vật liệu làm dấu ấn (khuôn dẻo)

Cao su thiên nhiên ñược lọc tinh chế

Được nghiên cứu như bề mặt mạch máu

Acytale elastomer

Ứng dụng

Ch t ñàn h i

ng x c a chất nhiệt dẻo

ng s c a chất ñàn hồi

n ác chất àn hồi có ñộ ñàn hồi cao trên một dãy

nhiệt ñộ Yếu tố nào cung cấp ñặc tính ñàn hồi này

n ác vật liệu này là vô ñịnh hình hay tinh thể

n Đi u gì xảy ra ở các nhiệt ñộ trên Tm polymer cótrở nên hoá lỏng hay không Tại sao hoặc tại sao

không

ydrogel (gen

n Hydrogel là dạng duy nhất của các polymer cho

n Một vài polymer bị thoái hoá do sự thủy phân

hoặc là hoạt ñộng Đi u này ñược yêu

cầu trong một số ứng dụng (ví dụ như trong công nghệ mô

n Hai trong số các polymer mà có thể bị thoái hóa

sinh học phổ biến hơn ñó là GA và Các vật liệu này hiện có trên thị trường và ñã ñược chấp

thuận của F A ñối với các tính năng phẫu thuật

(ví dụ như ñường khớp có thể bị thoái hoá sinh

n Đặc tính nào của các polymer trên sẽ ảnh

hưởng ñến tốc ñộ thoái hóa

Sự thoái hóa c a các polymer thoái hóa

n ác yếu tố mà có thể ảnh hưởng ñến sự thoái hóa

Sự thoái hoá (th y phân) c a PLGA

n ác sản phẩm thoái hóa này, mặc dù là tự nhiên ñối với cơ thể người, là có tính axít Tốc ñộ thoái hoá quá nhanh có

áp ng của mô ñố ñ i với các vậ v t liệ li u

n ác tế bào máu (ñược nhận biết nhờ kính phết

máu) ñóng vai trò then chốt

n ác tế bào máu bao gồm bạch cầu (leukocyte) vàhồng cầu ác bạch cầu hạt (bạch cầu ưa eosin,

bạch cầu ái ki m, bạch cầu trung tính), các bạch

cầu ñơn thân (ñại thực bào) và các lympho bào

n ác tế bào hồng cầu có hình dạng như những cáiñĩa có hai mặt lõm không có nhân và mang

hemoglobin mà có trách nhiệm vận chuyển oxy

n ức năng của các bạch cầu trung tính (các bạchcầu nhi u dạng nhân hay PMNsMNs các ñại thực

bào, bạch cầu lympho là gì

n Các tiểu cầu là các mảnh tế bào có mặt trong các

cơ chế ñông máu nhằm ngăn chặn sự mất máu

khi mô bị tổn thương

áp ng của mô ñối với các vật liệu

n Hãy xem xét i u gì xảy ra ñối với vật liệu sinh

học khi cấy ghép vào mô ñược phân bố mạch củañộng vật hay người

Trả lời những câu hỏi sau:

n Hiện tượng gì sẽ xảy ra ñầu tiên

n Định nghĩa hiệu ứng Vroman

n Làm sao có thể ñi u khiển hiện tượng trên Cho

một vài ví dụ làm sao ñi u này có thể ñược làm

giảm tối ña hay ñi u chỉch nh

áp ng của mô ñối với các vật liệu

n xét các áp ng của c thể ch ñối với các

vật liệu sinh học ñược cấy ghép

n Hãy ñịnh nghĩa và phân biệt các ñáp ứng sau

ñây ác yếu tố hay tế bào nào là quan trọng

trong mỗi trường hợp

- Chứng viêm cấp tính

- Chứng viêm mãn tính

- Mô hạt

- Foreign body reaction

- Chứng xơ hoá và sự nang hóa có sợi

ng viêm

ó bốn dấu hiệu liên quan ñến ñáp ứng viêm:

n B ngoài có màu ñỏ tại vị trí tổn thương do sự

có mặt của các tế bào hồng cầu (RB ) ngaydưới da

n Một vị trí nào ñó bị sưng phồng do chất dịch ñi

kèm với máu

n Một vị trí nào ñó bị nóng lên là kết quả của máu

ấm di chuyển ñến vị trí của các mô lạnh hơn

n Gây ñau nhức do sự tác ñộng và tổn thương

ñến hệ thống thần kinh ñịa phương

Việc hồi ph c khi có mặt vật liệu

sinh học

n Hãy ịnh ngh a tính tương thích sinh h c

n Khi một vật liệu không có tính tương thích sinh

học, ñáp ứng viêm sẽ tiếp tục như là ñáp ứng

viêm mãn tính và phát triển thành các tế bào lớnbất thường và u hạt ơ thể chủ có gắn trung hòacác vật thể từ bên ngoài vào (vật cấy ghép

n Sự hình thành các bao có sợi thớ cho thấy rằng

vật liệu có tính tương thích sinh học và ñây là

bước ñầu tiên của quá trình hồi phục

Sự nhi m trùng

n Sự nhiễm trùng sẽ ngăn cản sự tan biến của

chứng viêm và ñáp ứng viêm mãn tính không

mong muốn sẽ xảy ra

n Đi u gì sẽ xảy ra nếu các vi khuẩn có mặt trong

quá trình hàn gắn vết thương

nhiễm ñặc trưng chống lại các thực thể không

mang ñặt tính sinh học Những phản ứng này làkhông mong muốn và có thể có các phản ứng

phụ bất lợi cho cơ thể (phải ñược xem xét trong

việc thiết kế dụng cụ)

n Tại sao các sản phẩm thoái hoá từ các vật liệu

cấy ghép là mối quan tâm lớn

Kiểm tra tính tương thích sinh học

n Một câu hỏi ñáng quan tâm khi một vật liệu sinhhọc ñược sử dụng trong một hệ thống sinh học

ñó là: “Liệu vật liệu này có kích thích ñáp ứng

sinh học thích ñáng cho mục ñích sử dụng ”

n Việc khử trùng là cốt yếu cho việc sử dụng vật

liệu trong cơ thể sống

n Các kiểm tra trong cơ thể sống là rất phổ biến

ñược thực hiện bằng cách sử dụng việc nuôi cấy

mô hay tế bào

Kiểm tra tính tương thích sinh học

n ác kiểm tra ñược thiết kế cho ñ c tính ñộc tế

bào, sự kích thích ñáp ứng miễn nhiễm, kíchthích các mô, kích thích chứng viêm mãn tính, các tác ñộng lên máu và các thành phần củamáu, và các tác ñộng lên các yếu tố di truy nbao gồm ñột biến và sự hình thành khối u

n Trong việc cấy ghép của các kênh dẫn truy n

thần kinh cấu thành bởi vật liệu polymer thì cónhững kiểm tra tính tương tích sinh học gì hobiết một số kiểm tra khái quát và ñặc trưng