Phẫu thuật khớp háng, chỉ sau vài ngày thì người bệnh có thể hồi phục được chức năng đi lại của mình. Trong vài trường hợp khác, thời gian điều trị có thể kéo dài.
12
Gần như tất cả các trường hợp, các chức năng đều được phục hồi. Tuổi thọ của khớp háng nhân tạo trong cơ thể người từ khoảng 15 đến 20 năm [1,6]. Sau khoảng thời gian này, khớp háng nhân tạo bị mòn dần trở nên lỏng lẻo và cần một ca phẫu thuật khác để phục hồi lại khớp.
Khớp háng nhân tạo có thể được chế tạo từ thép khơng rỉ, hợp kim có đợ bền cao (CoCrMo), gốm y sinh (Ceramic), nhựa Polyethylene có trọng lượng phân tử siêu cao (UHMWPE). Sự kết hợp vật liệu phổ biến nhất cho việc thay thế khớp háng nhân tạo toàn phần là MoP (CoCrMo với UHMWPE), CoP (Ceramic với UHMWPE), CoC (Ceramic với Ceramic), MoM (CoCrMo với CoCrMo) (hình 1.9) [13,20,21]. Việc lựa chọn sự kết hợp vật liệu cho việc thay thế khớp háng phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm: tuổi, mức độ hoạt động của bệnh nhân và sự chọn lựa của bác sĩ phẫu thuật.
Hình 1.9 Cặp vật liệu y sinh nhân tạo dùng trong phẫu thuật thay thế khớp háng: a) Metal- on- UHMWPE, b) Ceramic-on- UHMWPE, c) Ceramic- on- Ceramic, d)
Metal-on- Metal
1.3.2 Kết cấu của khớp háng nhân tạo toàn phần (Total Hip Arthroplasty)
Thay khớp háng là câu chuyện thành công lớn của y học nói chung và của chuyên ngành chấn thương chỉnh hình nói riêng, nó mang lại c̣c sống cho hàng trăm nghìn người mỗi năm trên tồn thế giới. John Chamley là người đầu tiên thực hiện thay
13
khớp háng tồn phần vào năm 1950, có sự kết hợp giữa chi và chỏm được làm bằng kim loại và ổ cối được làm bằng nhựa [11].
Khớp háng là khớp cầu vì chỏm xương đùi chuyển đợng bên trong ổ cối khung xương chậu. Một khớp háng nhân tạo phải có 3 phần: phần chi (Stem) to gắn vào ống tủy xương đùi thường được làm bằng hợp kim, phần chỏm (Fermoral Head) thay thế chỏm xương đùi thường được chế tạo từ hợp kim hoặc chất liệu gốm y sinh và bề mặt chỏm được gia cơng đảm bảo đợ bóng để làm giảm thiểu tối đa lực ma sát, hạn chế sự mài mịn khi chỏm chuyển đợng trong ổ cối (Acetabulum) của xương chậu, phần ổ cối được làm bằng nhựa hoặc gốm y sinh thay thế cho ổ cối của xương chậu (hình 1.10). Mỗi phần được thiết kế và sản xuất với nhiều kích cỡ, phù hợp từng kính cỡ xương khác nhau của người bệnh [9,13,22,23].
Hình 1.10 Kết cấu của mợt khớp háng nhân tạo toàn phần
Ngày nay phần chuôi được làm bằng hợp kim CoCrMo, có nhiều hình dáng, kích thước khác nhau, được đưa vào và cố định trong xương đùi. Chỏm được làm bằng CoCrMo hoặc gốm y sinh với bề mặt chỏm được đánh bóng để giảm ma sát, hạn chế mài mịn khi chỏm chuyển đợng trong ổ cối. Ổ cối được làm bằng UHMWPE hoặc gốm y sinh đề đảm bảo định hình ổ cối trong xương chậu [12,23,24]. Tổng trọng lượng của khớp háng nhân tạo nặng từ 400-510 grams tùy tḥc vào kích thước từng loại [25].
14
1.3.3 Tổng quát vật liệu y sinh nhân tạo dùng trong khớp
Theo định nghĩa của Williams được công bố vào năm 1987 [26]: “Vật liệu sinh học
hay vật liệu y sinh nhân tạo là một vật liệu không sống, sử dụng trong một thiết bị y học, dùng để tương tác với hệ sinh học”.
Từ định nghĩa trên, ta có thể hiểu: Vật liệu y sinh nhân tạo là một loại vật liệu tạo nên các bộ phận cấy ghép, thiết bị y học, dụng cụ dùng một lần dùng trong y học, phẫu thuật, nha khoa nhằm khôi phục, nâng cao, bảo vệ sức khỏe và cũng như được sử dụng thay thế các khớp bị chấn thương hay bênh lý về khớp ở người như ở các khớp háng, đầu gối…
Khớp khi bị thối hóa hay lớp sụn khớp bị hư hỏng nặng thì cần được giải phẫu thay thế khớp nhân tạo sử dụng vật liệu y sinh nhân tạo. Vật liệu y sinh nhân tạo là vật liệu có khả năng đáp ứng các yêu cầu sinh học của cơ thể sống được ứng dụng trong y học [3]. Các loại vật liệu y sinh nhân tạo phổ biến nhất: UHMWPE cho ổ cối, hợp kim CoCrMo cho chỏm xương đùi, gốm y sinh, titan và hợp kim của titan [27-30]. Các vật liệu y sinh nhân tạo của khớp háng đều có bốn đặc điểm chung [6,12,31]:
• Tương thích sinh học: có thể tồn tại trong cơ thể mà khơng gây ra bất kỳ phản ứng không tốt nào đối với cơ thể người.
• Có khả năng chống mài mịn và suy thối, vì vậy khớp nhân tạo có đợ bền theo thời gian. Tính chất chống mài mịn đặc biệt quan trọng trong việc duy trì chức năng của khớp cũng như ngăn ngừa sự phá hủy xương do các mảnh vỡ từ sự mài mòn của khớp nhân tạo.
• Chịu được tác đợng cơ học do q trình hoạt đợng của con người như lực tải trọng, lực nén, lực xoắn. Để đảm hoạt động hiệu quả trong một thời gian đủ dài để các bệnh nhân duy trì mợt c̣c sống thoải mái hơn.
• Đáp ứng được các tiêu chuẩn cao nhất trong quá trình chế tạo và kiểm sốt chất lượng với chi phí hợp lý.
15
Việc thiết kế và lựa chọn một vật liệu y sinh nhân tạo vào ứng dụng y tế để phục vụ bệnh nhân mợt cách an tồn và thích hợp cho mợt thời gian dài trong cơ thể người thì vật liệu y sinh nhân tạo phải có những đặc điểm: khả năng tương thích sinh học, chống ăn mịn cao, tính chất cơ học thích hợp, chịu mài mịn cao [31]. 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 hồn tồn. Các tính chất cơ học của một số vật liệu y sinh nhân tạo về Mô đun đàn hồi Young E, tỉ số Poisson 𝑣 và đợ nhám trung bình Ra được thể hiện ở bảng sau [13,23,26]:
Bảng 1.1 Mô đun đàn hồi, tỉ số Poisson và độ nhám bề mặt của vật liệu y sinh dùng trong khớp háng nhân tạo
Vật liệu y sinh nhân tạo
Mô đun đàn hồi
E (GPa) Tỉ số Poisson 𝒗 Độ nhám trung bình Ra (𝛍𝐦) UHMWPE 1 0.4 0.1 – 2.5 CoCrMo 230 0.3 0.01 – 0.05 Hợp kim Titan 116 0.25 0.01 – 0.05 Gốm y sinh 380 0.3 0.001
1.3.3.1 Nhựa Polyethylene có trọng lượng phân tử siêu cao
Vật liệu y sinh nhân tạo nhựa Polyethylene có trọng lượng phân tử siêu cao (Ultra High Molecular Weight Polyethylene – UHMWPE, hình 1.11) với mật đợ phân tử có thể đạt tới 3.0-9.2 triệu phân tử [32]. UHMWPE là một nhựa Polyethylene có đặc tính cơ học và cơ lý nổi bật như chịu mài mòn, khả năng chịu lực và chống ăn mòn tốt… Đáng chú ý nhất là có hệ số ma sát thấp, khơng gây đợc trong cơ thể con người, độ bền cao và chống va đập và được sử dụng nhiều trong y học nhằm thay thế cho xương, khớp, gân… [27] Với sự phát triển của y khoa ln địi hỏi phải có những giải pháp mới và cải tiến, tiến kiệm chi phí và chất lượng đáng tin cậy. UHMWPE là vật liệu nhựa Polyethylene có nguồn gốc từ thiên nhiên hoặc nhân tạo được sử dụng trong y học với mục đích điều trị, thay thế cơ quan hay chức năng.
16
Hình 1.11 Nhựa UHMWPE sử dụng trong khớp háng nhân tạo
UHMWPE lần đầu được sử dụng vào năm 1962 trong ngành chỉnh hình khớp nhân tạo, khi chỏm được làm bằng vật liệu UHMWPE. Cho đến nay, UHMWPE không ngừng nghiên cứu, phát triển và đã được ứng dụng lâm sàng trong y học [33].
1.3.3.2 Hợp kim Cobalt-Chrome-Molypden
Những năm đầu thế kỷ XX, khi các nhà khoa học chế tạo thành cơng hợp kim Cobalt- Chrome-Molypden (CoCrMo, hình 1.12) thì đã được áp dụng vào ngành chấn thương chỉnh hình vì có hai tính năng rất quan trọng là đợ bền cao và chống mịn tốt. Austin Moore thay chỏm xương đùi bằng vật liệu CoCrMo vào những năm 1950 [31]. Sau đó, được ứng dụng nhiều vào phẫu thuật sử dụng CoCrMo trong phẫu thuật khớp cũng được thực hiện.
17
CoCrMo là loại hợp kim giữa cobalt (Co), chrome (Cr) và molypden (Mo) với một số kim loại khác như: wolfram (W), gali (Ga), silic (Si), mangan (Mn), nhôm (Al). Hợp kim CoCrMo được dùng nhiều để thay thế các loại thép trong ngành y học, đặc biệt là vật liệu có đợ cứng, đợ bóng cao và chịu ăn mòn cực tốt với sự thay thế khớp ở người. CoCrMo được ứng dụng nhiều trong y học như phẫu thuật cấy ghép khớp gối, khớp háng và răng giả với khả năng tương thích sinh học cao.
1.3.3.3 Hợp kim Titan
Titan là nguyên tố kim loại được William Gregor tìm ra lần đầu tiên ở Anh vào năm 1790 và không ngừng nghiên cứu và phát triển [27]. Cho đến nay, Titan và hợp kim của Titan (Ti-6Al-4V) được sử dụng nhiều trong y học để thay thế một số bộ phận trong cơ thể người (hình 1.13) như: làm răng giả, thay khớp… [27,34].
Hình 1.13 Vật liệu titan sử dụng trong khớp háng nhân tạo
Với những đặc tính tuyệt vời như có đợ bền cao, mơ đun đàn hồi thấp, có trọng lượng nhẹ (4.51 g/cm3), khả năng tương thích rất cao trong mơi trường sinh học của con người… [27]. Ti-6Al-4V là hợp kim của Titan được sử dụng nhiều do có đặc tính chống ăn mịn rất tốt với thành phần hóa học được thể hiện ở bảng 1.2 bao gồm: nhôm (Al), vanadi (V), carbon (C), sắt (Fe), oxi (O2), nitro (N2) và titan (Ti).
Bảng 1.2 Thành phần hóa học của Ti-6Al-4V
Al V C Fe O2 N2 Ti
18
Tuy vậy việc chế tạo gia công ở nước ta vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu, do đó vật liệu hợp kim Titan dùng trong công nghiệp và trong y học đều phải nhập từ nước ngoài, giá thành cao. Theo thống kế số lượng của Vụ Trang thiết bị y tế - Bộ Y tế, mỗi năm có khoản 100.000 chi tiết được nhập khẩu, số lượng nhập mỗi năm mỗi tăng. Giá dao động từ vài triệu đồng đến vài trăm triệu đồng tùy từng loại chi tiết được nhập từ các nước: Mỹ, Đức, Nhật, Trung Quốc… [34].
1.3.3.4 Gốm y sinh
Gốm y sinh là loại vật liệu với những đặc tính cao cấp với khả năng chịu lực và khả năng tương thích sinh học cực cao nên đã được ứng dụng trong cơ thể người từ rất sớm. Năm 1920, Albee đã ứng dụng thành công gốm y sinh đầu tiên trên cơ thể người. Đến nay, gốm y sinh được ứng dụng rộng rãi và phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực. Gốm y sinh được ứng dụng nhiều nhất trong y học như: canxi photphat (Ca3(PO4)2), nhôm oxit (Al203), kẽm oxit (ZnO), Tetragonal Zirconia Polycrystal (TZP)… là những hợp chất có tính tương thích sinh học tốt nhất [26]. Với mục đích khơng ngừng nâng cao chất lượng c̣c sống, vật liệu gốm y sinh đã và đang được các nhà vật liệu học cũng như các chuyên gia trong lĩnh vực y học quan tâm nghiên cứu. Gốm y sinh sử dụng trong y học được sử dụng trong y học nhằm thay thế các bộ phận xương bị chấn thương hay bệnh lý trong cơ thể con người mà khơng có khả năng phục hồi. Gốm y sinh thường được ứng dụng trong nha khoa và trong phẫu thuật cấy ghép khớp nhân tạo (hình 1.14).
19
Các vật liệu gốm y sinh nhân tạo bằng gốm thường được sử dụng cho khớp yêu cầu về đợ cứng, khả năng chống ăn mịn cao và khả năng chịu mài mịn tốt. Gốm y sinh có đặc tính tương thích sinh học cao hơn so với loại vật liệu y sinh truyền thống như: UHMWPE, CoCrMo và Ti-6Al-4V nhưng do giá thành của gốm y sinh còn rất cao làm ảnh hưởng đến việc sử dụng của vật liệu.
20
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tổng quan về ma sát
2.1.1 Khái niệm về ma sát
Ma sát là hiện tượng xảy ra khi có sự chuyển đợng tương đối ở vùng tiếp xúc giữa hai vật thể rắn dưới tác dụng của tải trọng. Trong vật lý học, ma sát là một loại lực cản xuất hiện giữa các bề mặt vật chất, chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối giữa hai bề mặt. Lực ma sát là đại lượng vật lý đặc trưng của quá trình ma sát. Lực ma sát là lực cản trở sự chuyển đợng tương đối của vật rắn và có chiều ngược chiều chuyển động xuất hiện ở vùng tiếp xúc. Ma sát được định nghĩa lần đầu vào thế kỷ 15 bởi Leonardo Da Vinci sau đó được phát triển và bổ xung bởi Amontons và Coulomb vào năm 1785 với ba định luật ma sát.
a) Lực ma sát (Fms) tỷ lệ thuận với lực tác động (FN)
b) Lực ma sát khơng phụ tḥc vào diện tích tiếp xúc danh nghĩa. c) Lực ma sát không phụ thuộc vào tốc độ trượt.
Độ lớn của lực ma sát được xác định theo khoảng dịch chuyển của vật rắn theo phương tiếp tuyến với lực tác đợng tại vị trí tiếp xúc giữa hai bề mặt (hình 2.1).
Hình 2.1 Lực ma sát tác dụng lên một vật nằm trên mặt phẳng ngang
Dựa vào khoảng dịch chuyển ta có: lực ma sát tĩnh và lực ma sát động. Lực ma sát tĩnh là sự dịch chuyển từ trạng thái dịch chuyển ban đầu sang trạng thái trượt. Lực ma sát động là lực ma sát x́t hiện trong q trình có chuyển đợng tương đối ở vùng tiếp xúc.
21
2.1.2 Hệ số ma sát
Hệ số ma sát là tham số được sử dụng nhằm mô tả sự ma sát giữa cặp vật liệu, phụ tḥc vào đặc tính cơ lý, vật lý và hóa học giữa hai bề mặt vật liệu [11]. Hệ số ma sát (µ) là mợt đại lượng khơng có đơn vị, là tỉ số của lực ma sát (Fms) với lực tác động (FN), được biểu diễn theo công thức 2.1:
𝜇 = 𝐹𝑚𝑠
𝐹𝑁 (2.1)
Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu của hai bề mặt tiếp xúc và trạng thái của bề mặt tiếp xúc. Hệ số ma sát là mợt đại lượng chỉ mang tính thực nghiệm, nó được xác định trong q trình thí nghiệm.
2.1.3 Bôi trơn khớp nhân tạo
Bề mặt kim loại cho dù được gia công trên các máy hiện đại nhất, khi có sự dịch chuyển tiếp xúc giữa hai bề mặt, lực ma sát xuất hiện làm cản trở sự dịch chuyển và làm bề mặt tiếp xúc nóng lên. Lực ma sát và nhiệt sinh ra gây sự mài mịn và gây hư hổng cho chi tiết. Bơi trơn (Lubrication) là biện pháp đưa dung dịch bôi trơn vào vùng ma sát nhằm làm giảm ma sát và mòn bảo vệ các bề mặt khi làm việc giúp các chi tiết hoạt đợng dễ dàng hơn, đảm báo tính truyền dẫn, giảm mất mát năng lượng cơ học, giảm sinh nhiệt và chống rung tốt.
Chế độ bôi trơn được chia thành ba loại: bôi trơn ướt (Fluid Film Lubrication), bôi trơn nữa ướt (Boundary Lubrication), bôi trơn hỗn hợp (Mixed Lubrication) [35]. Với chế độ bôi trơn ướt, hai bề mặt giữa vật liệu khi chuyển động tương đối với nhau thì khơng có sự tiếp xúc và được tách ra hồn tồn bởi dung dịch bơi trơn. Bôi trơn nữa ướt là dạng bôi trơn mà giữa hai bề mặt của cặp vật liệu được ngăn cách không liên tục bằng một lớp dung dịch bôi trơn, mà chủ yếu là nhờ độ nhớt của dung dịch để bôi trơn. Bôi trơn hỗn hợp là trung gian giữa hai chế độ bôi trơn ướt và bôi trơn nữa ướt, khi bề dày lớp dung dịch tương đương với độ lồi lõm của bề mặt cặp vật liệu nên không được ngăn cách hồn tồn. Các chế đợ bơi trơn được biểu
22
diễn trong sơ đồ đường cong Stribeck (hình 2.2), thể hiện mối quan hệ giữa hệ số ma sát với tốc đợ dịch chuyển.
Hình 2.2 Đường cong Stribeck [35]
Dung dịch bôi trơn cũng được ứng dụng trong y học và đóng vai trị quan trọng trong việc bôi trơn trong tất cả các khớp nhân tạo [11]. Bôi trơn trong khớp háng nhân tạo rất quan trọng trong cơ thể con người làm giảm ma sát và mài mòn, kéo dài tuổi thọ của khớp háng nhân tạo. Trong khớp tự nhiên, dịch khớp cùng với sụn khớp tạo nên đặc tính bơi trơn tuyệt vời, có chức năng bơi trơn và giảm xóc cho các khớp khi vận đợng [36]. Dịch khớp có bốn thành phần chính bao gồm: hyaluronic acid (HA), huyết thanh (Albumin), phospholipid và γ–globulin [36].
HA xuất hiện một cách tự nhiên trong khắp cơ thể người, nhưng đặc biệt cần thiết cho bôi trơn của sụn và khớp. HA với nồng độ từ 3.0 đến 4.0 mg/ml trong dịch khớp