2. Khái quát về từ trường, đơn vị và đo lường
1.3. Tác dụng từ trị liệu
1.3.1. Tác dụng lên hệ xƣơng.
Hiệu ứng áp điện của xương: Việc ứng dụng điện từ trường xung và kích thích điện trong chấn thương chỉnh hình đặc biệt là trong kích thích sinh xương, bắt nguồn từ khám phá hiệu ứng áp điện của xương từ những năm 1950 của Nhật [1]. Năm 1954, bác sĩ Iwao Yusada thấy xương là một cấu trúc áp điện, tức là có khả năng biến tín hiệu cơ học thành tín hiệu điện học ( hiệu ứng thuận) và ngược lại (hiệu ứng nghịch). Năm 1957 cùng với nhà Vật lý Eiichi Fukada, ông khẳng định thực tế đó. Với công trình tiếng Nhật đó, các nhà chấn thương Mỹ như Becker hay Besselt không chỉ khám phá hiệu ứng chi tiết hơn mà còn tìm hiểu ý nghĩa của các cá thể áp điện dưới ngôn ngữ của Định luật Wofft cuối thế kỉ 19 (xương đáp ứng với áp lực bằng cách phát triển thành một dạng cấu trúc phù hợp nhất với ngoại lực đó). Hơn nửa họ còn thành công trong việc dùng dòng điện âm một chiều kích thích sinh xương.
Thế điện áp và điều hòa sinh xương: Định luật Wofft dẫn ra gợi ý rằng khi xương biến dạng do ngoại lực, phải có sự hủy xương ở phía bị kéo dãn và sự sinh xương ở phía bị nén ép. Căn nguyên của hiện tượng đó Backer và Besselt cho rằng, chính thế áp điện là
nguyên nhân của định luật. Và họ đã chứng minh được rằng trên thực tế điện tích âm kích thích các tạo cốt bào, do đó kích thích sự sinh xương, còn điện tích dương kích thích sự hủy cốt bào do đó kích thích quá trình tiêu hút xương. Kết quả là xương cấu trúc lại theo kết quả phù hợp với ngoại lực đã gây ra biến dạng.
Các kỹ thuật từ trường trong chỉnh thương chấn hình:Có nhiều phương pháp dùng điện từ trường trong kích thích và tái tạo mô xương [1]. Phương pháp cảm ứng điện từ tần số cực thấp đang được phổ biến rộng rãi nhất hiện nay. Với một hoặc 2 cuộn dây cảm ứng đặt trên vùng gãy xương, khi cho dòng điện xung chạy cuộn dây, một điện từ trường xung sẽ được tạo ra và do sự cảm ứng điện từ, nó sẽ gây ra trên vật dẫn điện là xương một dòng điện cảm ứng có đặc trưng phụ thuộc vào dòng điện ngoài. Như vậy việc tạo dòng điện bên trong xương và điều khiển các tham số kỹ thuật của nó trở nên khá đơn giản và quan trọng nhất là không cần phải mổ. Ngoài ra bột bó cũng như các dụng cụ kết xương đều là các vật liệu thấu từ nên không ảnh hưởng đến sự cảm ứng của xương. Hơn thế nửa điện từ trường xung còn làm vật ghép trong xương, như kim loại và gốm sứ giúp liên kết chặt chẽ với xương. Tuy nhiên có nhược điểm là đòi hỏi sự hợp tác của người bệnh trong việc mang cuộn dây và thiết bị, đây là giải pháp hợp lí nhất để kích thích điện các vùng tổ chức xương bất kì. Phương pháp cảm ứng điện từ được dùng cho nhiều dạng bệnh lý như gãy xương mới, gãy xương cũ chậm và không liền, khớp giả xương chày bẩm sinh hay ngoại tử đầu xương đùi.
Cần lưu ý rằng với tư cách một điều trị đơn thuần không kết hợp với mổ ghép xương, trong điều trị gãy xương không liền có 3 trường hợp không chỉ định dùng phương pháp trên:
+ Khớp giả hoạt dịch.
+ Chổ gãy bất động kém do vị trí giải phẩu khó khăn và do bệnh nhân không hợp tác. + Khe gãy rộng hơn ½ xương.
Trong các trường hợp đó không chỉ định không phải do điện từ trường xung gây hại trực tiếp, mà do biết trước kết quả không đạt chỉ gây tổn phí thời gian và công sức[4].
1.3.2. Tác dụng lên hệ thần kinh—miễn dịch.
Độ nhảy cảm của hệ thần kinh- thể dịch với từ trường là lớn nhất trong toàn bộ các hệ thống chức năng của cơ thể. Ở đó qua các kênh thông tin thần kinh và thể dịch, trường có thể thể hiện tác dụng lên nhiều hệ chức năng ở nhiều cấp độ tổ chức của cơ thể, còn qua cơ chế khuếch đại, các tín hiệu yếu ớt ban đầu có thể biến thành một đáp ứng vĩ mô thỏa đáng. Và qua cơ chế phản hồi thần kinh ngược âm tính, nó giúp cơ thể duy trì được sự ổn định nội môi lành mạnh của mình trước mọi thăng giáng nội ngoại sinh không có lợi ích cho quá trình sinh sống [1].
1.3.3. Tác dụng lên hệ tuần hoàn.
Tác dụng thứ nhất là tân tạo mạch máu. Điện từ trường xung kích thích sinh tổng hợp AND và hình thành các cấu trúc tương tự mao mạch trong thời gian này, so với đối chứng quá trình kéo dài vài tháng. Tác dụng này mạnh tới mức so sánh được với các tác nhân phát triển sinh mạch [3].
Thứ hai, từ trường thay đổi tính chất dòng chảy trong long mạch thông qua tác dụng lên các hệ thống điện tích cố định của màng tế bào và cấu hình không gian của các đại phân tử, làm giảm độ nhớt của máu. Tốc độ dòng chảy nói chung tăng lên, trong đó phần quan trọng nhất là tăng tốc độ ở các vị trí tiếp giáp với thành mạch. Các yếu tố này làm tăng vi tuần hoàn, giảm bớt nguy cơ nghẽn mạch máu sau khi chấn thương.
Cuối cùng, từ trường sinh hiệu ứng giãn mạch, đặc biệt các vi mạch và có tác dụng trên hệ đông máu và các cục máu đông. Kết quả là từ trường cải thiện rất đáng kể mức độ nuôi dưỡng và phòng vệ ở các vùng tổ chức các vùng bị tổn thương, tạo điều kiện cho sự
phục hồi. Trong một thí nghiệm người ta đã chứng minh được rằng trên tổn thương ở xương đùi thỏ sau phẩu thuật cắt mạch máu, sự cung cấp máu nuôi dưỡng ở nhóm chứng chỉ còn lại 20% so với bình thường, trong khi đó con số ở nhóm có tác dụng của điện từ trường xung là 70% sau 14 ngày [1].
1.3.4. Tác dụng lên hệ miễn dịch
Từ trường có tác dụng lên hệ thống miễn dịch cả miễn dịch thể dịch và miễn dịch tế bào. Chẳng hạn các bác sĩ ở bệnh viện Odessa đã có những nghiên cứu rất thú vị trên động vật thục nghiệm [4]. Họ đã chọn một số loại điện từ trường xung thích hợp gay ra tăng hoạt tính thực bào (qua các chỉ số phần trăm bạch cầu thực bào, số hạt trung bình được một bạch cầu thực bào), thay đổi phản ứng tan bạch cầu, mức bổ thể trong huyết thanh. Sau đó các tác giả đã áp dụng điện từ trường xung với thông số chọn để điều trị cho các bệnh nhân với các vết thương hở xương khớp có mủ, trong một pháp đồ kết hợp kháng sinh. Thống kê trong 10 năm có 920 bệnh nhân, cho thấy phác đồ mới có sử dụng từ trường xung cho kết quả tốt hơn tỉ lệ tàn phế do các biến chứng nhiễm trùng giảm được 3 lần so với các phác đồ kinh điển [4].
1.4. Chỉ định và chống chỉ định.
Về mặt kỹ thuật từ trường có thể sử dụng như một tác nhân độc lập hay một tác nhân phối hợp, đặc biệt là phối hợp với laser (chiếu ngoài hay nội mạch), siêu âm và dòng điện tần số thấp. Tác dụng của những tác nhân khác nhau thường là bổ sung lẫn nhau và do đó tăng hiệu quả điều trị.
Chỉ định điều trị về từ trường hết sức phong phú. Trước hết đó là những bệnh thuộc về não, cột sống và hệ thần kinh. Từ trường kết hợp laser nội mạch có tác dụng rất tốt cho quá trình phục hồi sau đột ngụy não. Sau các xử lý can thiệp với thoát vị đĩa đệm cột sống, từ trường có hiệu chống đau cột sống, ổn định vết thương và gia tăng độ phục hồi. Các bệnh đau thần kinh và bệnh chấn thương thuộc hệ thần kinh ngoại vi được điều trị tốt nhờ từ trường. từ trường có tác dụng khá đặc biệt với các triệu chứng mất ngủ, các chứng đau nửa đầu cũng được điều trị bằng từ trường.
Các chỉ định trong chấn thương chỉnh hình cũng khó phổ biến. đó là các bệnh đau và chấn thương hệ vận động,các loại gãy xương, hay chậm liền xương các bệnh thoái hóa và viêm đau khốp,tổn thương cạnh mô khớp, các hiện tượng phù nề sau chấn thương và sau phẩu thuật, các vết thương lâu lành, các vết loét khó khắc phục. Do những chỉ định này từ trường là tác nhân vật lý quan trong trong y học.
Từ trường có thể giúp khắc phục các tổn thương về máu và hệ mạch máu, thiếu năng tuần hoàn não, thiếu máu cơ tim, cao huyết áp động mạch, tắt nghẽn mạch máu ngoại vi. Từ trường cũng có tác dụng tốt điều trị các bệnh ngoài da bệnh ngứa da.
Tác dụng chống viêm là tác dụng đặc biệt của từ trường. Ngoài những căn bệnh viêm thần kinh, viêm xương khớp, từ trị liệu còn được dùng để chữa viêm nội tạng, viêm tủy xương, viêm họng, viêm mũi vận mạch.
Cần lưu ý một số chống chỉ định sau:
Các trường hợp về máu:tạng ưa chảy máu, máu khó đông.
Bênh nhân mang máy tái tạo nhịp tim.
Bệnh nhân ở thời kì sớm sau nhòi máu cơ tim hay thiếu máu cơ tim nặng.
Bệnh nhân bị bệnh động kinh hay tâm thần cấp, bệnh nhân có tổn thương dưới não cấp.
Bệnh nhân đang mang thai, bệnh nhân có khối u ác tính.
Hình 2.1: Nguyên lí dẫn thuốc dùng hạt nanô từ tính.
2.ỨNG DỤNG CỦA HẠT NANO TỪ TÍNH TRONG Y HỌC.
Các ứng dụng của hạt nanô từ trong y sinh học được chia làm hai loại: ứng dụng ngoài cơ thể và trong cơ thể [2]. Phân tách và chọn lọc tế bào là ứng dụng ngoài cơ thể nhằm tách những tế bào cần nghiên cứu ra khỏi các tế bào khác. Các ứng dụng trong cơ thể gồm: dẫn thuốc, nung nóng cục bộ và tăng độ tương phản trong ảnh cộng hưởng từ.
2.1. Phân tách và chọn lọc tế bào ADN.
Trong y sinh học, người ta thường xuyên phải tách một loại thực thể sinh học nào đó ra khỏi môi trường của chúng để làm tăng nồng độ khi phân tích hoặc cho các mục đích khác. Phân tách tế bào sử dụng các hạt nanô từ tính là một trong những phương pháp thường được sử dụng [2]. Quá trình phân tách được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thế sinh học cần nghiên cứu và tách các thực thể được đánh dấu ra khỏi môi trường bằng từ trường. Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các hạt nanô từ tính. Hạt nanô thường dùng là hạt ô xít sắt. Các hạt này được bao phủ bởi một loại hóa chất có tính tương hợp sinh học như là dextran, polyvinyl alcohol (PVA),... Hóa chất bao phủ không những có thể tạo liên kết với một vị trí nào đó trên bề mặt tế bào hoặc phân tử mà còn giúp cho các hạt nanô phân tán tốt trong dung môi, tăng tính ổn định của chất lỏng từ. Giống như trong hệ miễn dịch, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt tế bào sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác như các hoóc-môn, a-xít folic tìm thấy. Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên. Đây là cách rất hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào. Các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt hóa tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch đã có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi. Đối với các tế bào lớn, kích thước của các hạt từ tính đôi lúc cũng cần phải lớn, có thể đạt kích thước vài trăm nanô mét. Quá trình phân tách được thực hiện nhờ một gradient từ trường ngoài. Từ trường ngoài tạo một lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu. Các tế bào không được đánh dấu sẽ không được giữ lại và thoát ra ngoài.
Tách tế bào bằng từ trường đã được ứng dụng thành công trong y sinh học. Đây là một trong những phương pháp rất nhạy để có thể tế bào ung thư từ máu, đặc biệt là khi nồng độ tế bào ung thư rất thấp, khó có thể tìm thấy bằng các phương pháp khác[1]. Người ta có thể phát hiện kí sinh trung sốt rét trong máu bằng cách đo từ tính của kí sinh trùng đánh dấu từ hoặc đánh dấu các tế bào hồng cầu bằng chất lỏng từ tính [2]. Ngoài ra, trong phản ứng PCR trong sinh học nhằm khuyếch đại ADN nào đó, quá trình làm giàu ADN ban đầu cũng được thực hiện nhờ hạt nanô từ tính.
2.2. Dẫn truyền thuốc.
Hạt nanô từ tính có tính tương hợp sinh học được gắn kết với thuốc điều trị. Lúc này hạt nanô có tác dụng như một hạt mang [2]. Thông
thường hệ thuốc/hạt tạo ra một chất lỏng từ và đi vào cơ thể thông qua hệ tuần hoàn. Khi các hạt đi vào mạch máu, người ta dùng một gradient từ trường ngoài rất mạnh để tập trung các hạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể. Một khi hệ thuốc/hạt được tập trung tại vị trí cần thiết thì quá trình nhả thuốc có thể diễn ra thông qua cơ chế hoạt động của các enzym hoặc các tính chất sinh lý học do các tế bào ung thư gây ra như độ pH, quá trình khuyếch tán hoặc sự thay đổi của nhiệt độ [2]. Quá trình vật
Hình 2.2: Nguyên lí chức năng hóa bề mặt của hạt nanô từ tính có cấu trúc vỏ/lõi.
từ trường có tác dụng tập trung hệ thuốc/hạt. Hiệu quả của việc dẫn truyền thuốc phụ thuộc vào cường độ từ trường, gradient từ trường, thể tích và tính chất từ của hạt nanô. Các chất mang thường đi vào các tĩnh mạnh hoặc động mạch nên các thông số thủy lực như thông lượng máu, nồng độ chất lỏng từ, thời gian tuần hoàn đóng vai trò quan trọng như các thống số sinh lý học như khoảng cách từ vị trí của thuốc đến nguồn từ trường, mức độ liên kết thuốc/hạt, và thể tích của khối u. Các hạt có kích thước micrô mét (tạo thành từ những hạt siêu thuận từ có kích thước nhỏ hơn) hoạt động hiệu quả hơn trong hệ thống tuần hoàn đặc biệt là ở các mạch máu lớn và các động mạch. Nguồn từ trường thường là nam châm NdFeB có thể tạo ra một từ trường khoảng 0,2 T và gradient từ trường khoảng 8 T/m với động mạch đùi và khoảng 100 T/m với động mạch cổ. Điều này cho thấy quá trình dẫn thuốc bằng hạt nanô từ tính có hiệu quả ở những vùng máu chảy chậm và gần nguồn từ trường (hình 2.1). Tuy nhiên, khi các hạt nanô chuyển động ở gần thành mạch máu thì chuyển động của chúng không tuân theo định luật Stoke nên với một gradient từ trường nhỏ hơn quá trình dẫn thuốc vẫn có tác dụng [2].
Một thanh nam châm bên ngoài rất mạnh tạo ra một gradient từ trường kéo các hạt nanô từ tính gắn với thuốc đến vị trí mong muốn. Ở đó quả trình nhả thuốc diễn ra làm cho hiệu quả sử dụng thuốc được tăng lên nhiều lần.
Các hạt nanô từ tính thường dùng là ô-xít sắt (magnetite Fe3O4 - Fe2O3) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính tương hợp sinh học như PVA, detran hoặc silica [2]. Chất bao phủ có tác
dụng chức năng hóa bề mặt để có thể liên kết với các phân tử khác như nhóm chức biotin, avidin, cacborxyl,carbodiimide,… . Nghiên cứu dẫn truyền thuốc đã được thử nghiệm rất thành công trên động vật, đặc biệt nhất là dùng để điều trị u não. Việc dẫn truyền thuốc đến các u não rất khó khăn vì thuốc cần phải vượt qua hàng rào băng cách giữa não và máu, nhờ có trợ giúp của hạt nanô từ có kích thước 10-20 nm, việc dẫn truyền thuốc có hiệu quả hơn rất nhiều. Việc áp dụng phương pháp này đối với người tuy đã có một số