Để lấp đầy khoảng trống tại các ổ khuyết xương các phẫu thuật viên cần phải tìm chất liệu để ghép, có thể là xương tự thân (Autograft), xương đồng loại (allograft/ Cadaver bone) , xương dị loại. Mỗi chất liệu đều có những ưu nhược điểm khác nhau. Xương tự thân đạt được tiêu chuẩn cơ sinh học và miễn dịch thì có nhiều nhược điểm tại nơi lấy chất liệu: Đau, nguy cơ nhiễm khuẩn, chảy máu, tổn thương thần kinh, bệnh nhân có thêm vết mổ, thời gian gây mê kéo dài hơn, nhiều khuyết hổng lớn không đủ chất liệu ghép…Xương
đồng loại và dị loại khắc phục được những nhược điểm trên lại có nguy cơ thải ghép, nhiễm các bệnh lây truyền.
Xương nhân tạo và các sản phẩm sinh học thay thế xương ghép ra đời mở ra một hướng nghiên cứu mới trong điều trị ghép xương. Có nhiều sản phẩm khác nhau, tuy nhiên chúng được chia làm 2 loại: Các vật liệu có tính dẫn xương (osteoconduction) và các vật liệu có tính cảm ứng xương (osteoinduction).
1.5.1 Các vật liệu sinh học có tính dẫn xương (osteoconduction)
Các chất liệu này có cấu trúc rỗng, xốp, có các lỗ liên kết nhau, cho phép các tế bào tạo xương bám vào “ làm tổ” bên trong, tạo xương mới đồng thời là sự phát triển các mầm mao mạch tân tạo, do cấu trúc ba chiều của nó. Chúng có ưu thế lấp đầy trong những trường hợp khuyết hổng xương [28], [85]. Có nhiều sản phẩm, khác nhau bởi cấu trúc xốp và thành phần hóa học, tính chất vật lý của chúng. Hydroxyapatite, β-tricancium phosphate, calcium sunphate, gốm sinh học hai pha (Bioactive ceramic) hay được sử dụng trong lâm sàng. Nhìn chung một vật liệu lý tưởng tạo khung để các tế bào xương mọc tốt là độ xốp khoảng 60-65%, kích thước của các lỗ từ 300 µm- 500µm [99].
Calcium phosphate là vật liệu dẫn xương, tăng tạo xương mới do cung cấp chất đệm dẫn xương cho các tế bào tạo xương của người nhận tạo xương dưới tác động của các yếu tố cảm ứng xương. Cấu trúc hỗ trợ của chúng không cao vì dễ gãy và độ bền, sức căng thấp. Calcium phosphate có nhiều dạng như ceramic, bột và cement. Ceramic có cấu trúc tinh thể cao tạo ra bởi muối khoáng phi kim loại ở nhiệt độ cao >1000°C [128]. Các vật liệu phosphate này có tỷ lệ hoà nhập xương thay đổi tuỳ theo kích thước tinh thể và thành phần hoá học. Ưu điểm của chúng là hoà nhập với tốc độ thấp hơn các vật liệu calcium phosphate.
Một trong những ceramic tiêu được phổ biến là tricalcium phosphate (TCP), công thức cấu tạo Ca3(PO4)2 tỉ lệ calcium/ phosphate là 1,5 [64]. Giống như Hydroxyapatite, TCP cũng tương thích về mặt sinh học với mô người nhận, thành phần và cấu trúc giống với xương trong giai đoạn khoáng hóa, nhưng chúng tiêu nhanh hơn HA. Một nghiên cứu thực nghiệm trên chuột của Zhang (2008), khi ghép hỗn hợp β- TCP và tế bào tủy xương vào trong cơ lưng của chuột thấy hình thành xương [trích theo 99], Cultight DE, cấy ghép tricalcium phosphate vào xương chày của chuột, 48 ngày sau phẫu thuật thấy 95% TCP tiêu đi và thay vào đó là sự phát triển xương của cơ thể chuột nhận. Cameron (1977) [29] khi ghép TCP vào xương chó không thấy có phản ứng thải ghép, hơn nữa nó được hấp thu một cách nhanh chóng.
Trong lâm sàng thường dùng dạng β- TCP trong chuyên ngành răng hàm mặt và chấn thương chỉnh hình để lấp đầy các khuyết hổng xương [99]. Chúng có dạng viên khối, hạt, bột hoặc bột mát tít. Ceramic san hô khi xử lý với ammonium phosphate bằng nhiệt hoá học tạo ra TCP có cấu trúc và độ xốp tương tự như xương xốp. Kích thước lỗ và độ xốp là đặc tính quan trọng của vật liệu ghép. Xương không mọc vào bên trong các lỗ từ 15-40µm. Sự hình thành xương đòi hỏi kích thước lỗ tối thiểu 100 µm, lý tưởng nhất là từ 300-500 µm. Tuy nhiên, theo một số tác giả kích thước lỗ ít quan trọng hơn sự hiện diện của các lỗ liên kết. Các lỗ liên kết ngăn cản hình thành các lối cụt, thường phối hợp với áp lực oxy thấp là nguyên nhân ngăn cản các tế bào tiền thân tạo xương biệt hoá thành nguyên bào xương. Khả năng lấp đầy khuyết xương của calcium phosphate đã được nghiên cứu trên thực nghiệm và lâm sàng [99]. Van Hoff C (2012) [129] ghép β- TCP cho 29 bệnh nhân có khuyết hổng xương do u xương sau khi đã được mổ lấy bỏ u, theo dõi tối thiểu 6 tháng. Tác giả thấy rằng phần lớn các tổn thương là lành tính, các khuyết hổng xương được lấp đầy hoặc gần đầy bởi tổ chức xương của cơ thể bệnh nhân do đồng hóa xương nhân tạo ghép vào.
Hydroxyapatite tổng hợp (HA) là calcium phosphate tinh thể, có tính dẫn xương cũng được tạo qua quá trình như ceramic. Chúng có công thức cấu tạo là Ca10(PO4)6(OH)2 với tỉ lệ Calci và phosphate là 1,67 [64]; chúng có cấu trúc giống với cấu trúc khoáng hóa ở xương người [99], nên tương thích về mặt sinh học và miễn dịch khi ghép cho người. Các nghiên cứu thực nghiệm của Ripamonti, Gosain cho thấy HA có thể có một số đặc tính cảm ứng xương ngoài khả năng dẫn xương. Tuy nhiên, do quá trình tiêu in vivo chậm và tính dễ vỡ cao, hình thành xương chậm nên HA thường không được sử dụng đơn thuần như vật liệu dẫn xương. TCP ít vỡ hơn và tiêu nhanh hơn HA. Theo Knaack, Wiltfang, trên thực nghiệm thấy 95% calcium phosphate bị tiêu đi từ 26-86 tuần. Bucholz (1989) [24] điều trị cho 40 bệnh nhân gãy lún mâm chày chia làm hai nhóm ghép HA và nhóm ghép xương xốp tự thân, theo dõi 15,4 tháng với nhóm ghép xương tự thân và 34,5 tháng với nhóm ghép HA, tác giả không thấy sự khác biệt về thời gian liền xương và biên độ vận động khớp gối giữa hai nhóm.
Sự kết hợp giữa HA và β- TCP tỷ lệ: 60% HA + 40% β- TCP, cho một chất liệu ghép gọi là calcium phosphate hai pha (biphasic calcium phosphate). Delecrin ghép xương điều trị cho 58 bệnh nhân gù vẹo cột sống, chia làm 2 nhóm, nhóm ghép xương tự thân và nhóm ghép hỗn hợp HA+ β-TCP, tác giả không thấy sự khác biệt về kết quả thu được từ hai nhóm [trích từ 64]. Năm 1998, Meyrueis và cộng sự [ trích theo 25] báo cáo 108 trường hợp dùng ceramic hai pha, bao gồm 74 ca gãy xương, 30 ca khớp giả và 4 ca ghép xương kiểu Papineau. Kết quả cho thấy chỉ có 1/74 gãy xương bị khớp giả, tất cả 30 ca khớp giả đều liền (1 ca nhiễm trùng), ghép xương kiểu Papineau bằng trộn ceramic và xương ghép tự thân liền trong khoảng thời gian bình thường. Theo tác giả, ceramic hai pha cho phép loại bỏ các nguy cơ biến chứng của ghép xương tự thân.
Do các vật liệu thay thế xương thiếu các tế bào tiền thân tạo xương và khả năng cảm ứng xương nên một số tác giả bổ sung yếu tố cảm ứng xương vào chất đệm dẫn xương calcium phosphate để tạo ra xương ghép phức hợp thúc đẩy tạo xương. Chapman và cộng sự [32] theo dõi 249 ca gãy xương dài tối thiểu 2 năm, so sánh giữa ghép xương tự thân với ghép xương phức hợp (gồm ceramic calcium phosphate 2 pha trộn với collagen bò và tuỷ xương tự thân). Các tác giả thấy không có sự khác biệt về tỷ lệ liền xương, phục hồi chức năng hoặc biến chứng giữa 2 nhóm và cho rằng phức hợp xương ghép có hiệu quả như xương ghép tự thân khi điều trị gãy xương dài cần ghép xương bổ sung.
Calcium Sulphate cũng là vật liệu có tính dẫn xương, được sử dụng trong ghép xương từ những năm 1900s [ 78], nó tương thích về mặt sinh học, an toàn khi ghép; nhưng có đặc điểm tiêu nhanh, khoảng 12 tuần, nên việc áp dụng trong ghép xương cũng cần lựa chọn trong những trường hợp cụ thể. Moed BR. (2003) [96] điều trị cho 32 gãy xương bằng calcium Sulphate cho kết quả liền xương tốt. Kelly (2001) [81] trong một nghiên cứu đa trung tâm, ghép calcium sulphate đơn thuần hay ghép cùng với tủy xương tự thân, xương khử khoáng hoặc xương tự thân cho 109 BN khuyết hổng xương, do chấn thương hay do bệnh lý. Sau 6 tháng cho thấy, ở tất cả các BN 99% calci sulphate đã tiêu đi và 88% các khuyết hổng xương đã được lấp đầy. Có 13 BN biến chứng nhưng chỉ có 4 BN (3,6%) là do sản phẩm. Borrelli (2003) [21] điều trị cho 26 BN khớp giả xương dài bằng ghép hỗn hợp Calcium Sulphate với xương xốp mào chậu sau khi đã kết xương bên trong. Theo dõi sau mổ có 22 BN liền sau một lần ghép, 2 BN liền sau lần ghép thứ hai, còn 2 BN không liền xương.