1.2. Tổng quan chung về hydroxyapatit (HAp)
1.2.4. Vai trò và ứng dụng của HAp
Xương là phần quan trọng của cơ thể người, có ý nghĩa to lớn về mặt sinh học và cấu trúc. Về mặt sinh học, xương là nơi tập trung canxi nhiều nhất và là nơi sản xuất các tế bào máu. Còn về mặt cấu trúc, xương là khung đỡ cho các bộ phận khác, hình thành nên kiến trúc và hình dáng cơ thể. Chất khoáng trong xương gồm chủ yếu là HAp dạng khối xốp và một số chất chứa Na+, K+, Mg2+, Cl-, F-, CO32- [39, 66]. HAp có vi cấu trúc là các sợi tinh thể dài khoảng 1015 nm kết thành bó xốp với độ xốp từ 40 60% gồm các mao quản thông nhau tạo ra phần khung của xương [67]. Do có hoạt tính sinh học, có khả năng tương thích với các cấu trúc xương và có tính dẫn xương tốt nên HAp có thể được dùng để nối ghép, thay thế xương trong cơ thể người.
31
Các phẫu thuật ghép xương, chỉnh hình đã đạt được nhiều thành tựu nhờ ứng dụng vật liệu y sinh HAp.
Bệnh loãng xương cũng đang là một vấn đề lớn đối với y học, bởi vì nó ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng cuộc sống của số đông người cao tuổi, đặc biệt là phụ nữ. Vì vậy, việc bổ sung canxi bằng các sản phẩm chức năng có chứa HAp là quan trọng và cần thiết cho sức khỏe con người. Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của HAp tuỳ theo dạng tồn tại của nó:
1.2.4.1. Ứng dụng của HAp bột
Do chứa hàm lượng canxi trong thành phần tương đối lớn nên ứng dụng chủ yếu của HAp dạng bột mịn, kích thước nano để làm thuốc và thực phẩm chức năng bổ sung canxi [38, 68].
1.2.4.2. Ứng dụng của HAp dạng gốm xốp
Vật liệu gốm xốp HAp có tính tương thích sinh học cao, có nhiều lỗ liên thông với nhau, tạo thuận lợi cho sự xâm nhập của mô sợi và mạch máu, có tính dung nạp tốt, không độc, không dị ứng. Nhờ có khả năng đặc biệt này mà ngày nay HAp dạng gốm xốp được ứng dụng đặc biệt rộng rãi trong y sinh học như: chế tạo răng giả và sửa chữa những khuyết tật của răng [69], chế tạo mắt giả [70], chế tạo những chi tiết để ghép xương và sửa chữa những khuyết tật của xương [71].
Ngoài ra, còn có một số ứng dụng của gốm HAp như: làm điện cực sinh học [72], làm vật liệu truyền dẫn và nhả chậm thuốc [73], vận chuyển và phân tán insulin trong ruột [74].
1.2.4.3. Ứng dụng của HAp dạng composit
Gốm y sinh HAp nguyên chất không phù hợp với những vùng xương phải chịu tải trọng nặng của cơ thể bởi tính dễ vỡ, độ bền cơ học thấp trong môi trường cơ thể người, ngoài ra nếu sử dụng ở dạng khối hoặc hạt thì HAp không thể phân hủy trong cơ thể người. Do đó HAp được kết hợp với các
32
polyme phân hủy sinh học (polyaxit lactic, poly acrylic axit, chitosan...) để tạo ra vật liệu thay thế xương [17, 58, 75, 76].
1.2.4.4. Ứng dụng của HAp dạng màng [38]
Đối với các bộ phận xương của cơ thể đòi hỏi độ bền cao như xương hông, xương đùi, xương đầu gối, răng, thường phải phẫu thuật thay thế xương thiếu hụt bằng các vật liệu bền cơ, nhẹ và không có phản ứng với cơ thể. Phổ biến nhất là vật liệu TKG316L, Ti6Al4V. Mặc dù đây là vật liệu trơ về sinh học, tuy nhiên trong thực tế do các vật ghép phải chung sống cùng cơ thể nên vẫn có sự ăn mòn của vật liệu ghép, sự ăn mòn tạo ra các sản phẩm gây độc hại với cơ thể, mặt khác làm lỏng lẻo sự liên kết giữa xương tự nhiên và phần ghép.
Người ta khắc phục tồn tại này bằng cách phủ lên bề mặt các vật liệu ghép một lớp gốm y sinh. Sự bổ sung lớp gốm HAp thực sự làm cải thiện đáng kể chất lượng của vật liệu cấy ghép. Tuy nhiên các màng gốm HAp được tạo ra bằng phương pháp vật lý như plasma, cộng hưởng từ bằng phương pháp kết tủa hoá học đều có độ bám dính với vật liệu nền không cao dẫn đến giảm tuổi thọ vật liệu ghép, làm xuất hiện những bệnh như thoái hoá sớm của các vật ghép. Màng HAp được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa đã cải thiện đáng kể độ bám dính của HAp với vật liệu nền.
Bằng những tiến bộ trong việc tạo màng HAp có độ bám dính cao, chúng ta không chỉ làm tăng tuổi thọ các chi tiết ghép mà còn mở rộng phạm vi ứng dụng của màng HAp từ chỗ chỉ áp dụng cho ghép xương hông sang có thể ứng dụng ghép xương chân, xương đùi, xương khớp gối và các sửa chữa thay thế răng.
Hao Wang và các đồng nghiệp tại phòng Khoa học vật liệu và năng lượng, Viện Công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ đã nghiên cứu sự hình thành xương non của xương chân chó khi được cấy ghép với Ti6Al4V có và không phủ HAp bằng phương pháp điện hóa và phương pháp phun plasma. Kết quả
33
nghiên cứu hiển vi điện tử quét môi trường sau 7 ngày cấy ghép cho thấy tỷ lệ ghép lại xương của vật liệu Ti6Al4V có phủ màng HAp cao hơn nhiều so nền Ti6Al4V (hình 1.23). Tại bề mặt giao diện giữa xương và vật liệu cấy ghép sớm hình thành các cụm khoáng kích thước nano trong thời gian cấy ghép từ 6 giờ đến 7 ngày (hình 1.24a). Sau giai đoạn tạo khoáng (7 đến 14 ngày cấy ghép) thấy hình thành các mô xương mới với các sợi collagen tự kết nối từ các tiểu cầu HAp (hình 1.24b) [77].
Hình 1.23: Hình ảnh ESEM sự phát triển của xương chân chó sau 7 ngày cấy ghép: (a) Ti6Al4V và (b) HAp/Ti6Al4V [77]
Hình 1.24: Ảnh TEM sự hình thành các cụm khoáng (a) và mô xương (b) [77]