Bài giảng Vật liệu sinh học tính tương hợp sinh học: Biomaterials biocompatibility NGND.GS.TS.BS. Hoàng Tử Hùng

VẬT LIỆU SINH HỌC
TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC
BIOMATERIALS
BIOCOMPATIBILITY
NGND, GS. TS. BS. Hoàng

Tử Hùng
TS. BS. Hòang

ĐạoBảoTrâm

www.hoangtuhung.com
www.hoangtuhung.com
MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA
•

Khoa

họcvậtliệu

(Materials Science /~ Engineering):
Là

một

khoa

học

ứng

d ụng, nghiên

cứumốí

quan

hệ

giữa

thành

phần, cấutrúc, tínhchấtcủavậtliệu

để

sử

dụng

thích

hợp, cảithiệntínhchấtcủavậtliệuvàtạo

ra

vậtliệumới*.
ÆKhoa họcvậtliệulýgiải thành phầnvàđặctínhbằng
thực nghiệmkhảosátcấu trúc bên trong củavậtliệu.
ÆKhoa họcvậtliệulàmộtlĩnh vực liên ngành

(interdiscipline), kếthợpcủa hóa học, vật lý và công
nghệ, chứ không phảilàmột khoa học riêng biệt**.
* Arzamaxov, B.N.
** Gladwin, M., Bagby, M.
www.hoangtuhung.com
KIM LOẠI
HỮU CƠ-
POLYMER
VÔ CƠ-
CERAMIC
COMPOSITE
Polymer
dẫn

điện
Siêu

dẫn
Silicon,
silicone
Bán

dẫn
www.hoangtuhung.com
MỘT SỐ

KHÁI NIỆM
Thiếtbị

y tế

(medical devices)
Là

mọidụng

cụ, khí

cụ, phương

tiện, thiếtbị, vậtcấy

ghép, thuốcthử

hoặc

định

chuẩn

in vitro, phầnmềm,
đượcnhàsảnxuấtchế

tạo

dành

riêng

để

dùng

một

cách

đơn

độchoặckếthợptrênngườivớimộthoặc

nhiềumục

đích

sau:
-Chẩn

đoán, dự

phòng, theo

dõi, điềutrị

hoặclàm

giảmbệnh,
-Chẩn

đoán, theo

dõi, điềutrị, làm

giảmhoặcbùđắp

mộtthương

tổn,
(tiếp…)
www.hoangtuhung.com
-

Nghiên

cứu, thay

thế, thay

đổihoặc

nâng

đỡ

cấu

trúc

giảiphẫuhoặc

quá

trình

sinh

lý,
-Hỗ

trợ

hoặc

nâng

đỡ

cuộcsống,
-Kiểm

soát

sự

thụ

thai,
-Khử

nhiễmcácthiếtbị

y tế,
-

Cung

cấp

thông

tin cho

mục

đích

y khoa

bằng

xét

nghiệm

in vitro

các

mẫu

đượclấytừ

cơ

thể

người,
Thiếtbị

y tế

không

đạtmục

đích

chuyên

biệt

ban đầu

của

nó

trong

hoặctrêncơ

thể

ngườibằng

các

phương

cách

dượclý, miễndịch

hoặcchuyển

hóa

nhưng

nó

có

thểđượchỗ

trợ

bằng

các

phương

cách

trên.
ISO 10993-1:2009(E)
www.hoangtuhung.com
MỘT SỐ

KHÁI NIỆM
Sinh

phẩmy tế

(biopharmaceutical products):
là

những

sảnphẩm

được

dùng

trong

chẩn

đoán

(in vivo), điềutrị, dự

phòng, đượcchế

tạobằng

công

nghệ

sinh

học
Vậtliệusinhhọc

(biomaterials):
Là

mọichất, bề

mặthoặccấutrúccótácđộng

qua
lạivớicáchệ

thống

củasinhvật

Nguồngốc: tự

nhiên, tổng

hợp
*Trong

bài

này, khái

niệmvậtliệusinhhọc

đượchiểu

theo

định

nghĩasauđây
www.hoangtuhung.com
VẬT LIỆU SINH HỌC
Định

nghĩa
Vậtliệusinhhọc

là

mộtvậtliệukhôngsống, đượcsử

dụng

trong/như

mộtthiếtbị

y tế, vớimục

đích

điềutrị

hoặc

không, có

tác

động

qua lạivớicáchệ

sinh

học.
D.F.Wiliams: Definition in Biomaterials, proceedings, consensus
conference of the European Society for Biomaterials, England, 1986.
Vậtliệusinhhọc

là

(những) chất

(không

phảithuốc)
đượcchế

tạo

thành

mộtcấu

trúc

dùng

trong

điềutrị,
bổ

sung, thay

đổihoặc

thay

thế

mộtphầnmô, cơ

quan, hoặcchứcnăng

củacơ

thể.
www.hoangtuhung.com
Nhiềuvậtliệusinhhọc

được

dùng

trong

chấnthương

chỉnh

hình, các

bộ

phậntimmạch

nhân

tạo, thẩmmỹ,
nhãn

khoa, nha

khoa…
ÆVậtliệusinhhọctiếpxúcvới nhiều mô khác nhau
trong cơ thể,
ÆCó môi trường vậtchủđặcbiệtphứctạp:
Sự

hiệndiệncủavi khuẩn, tính

ănmòncủadịch

sinh

họcvàcácyếutố

lý-hóa-cơ

học

khác
Các

đặc

điểm

này

đóng

vai

trò

quan

trọng

trong

việc

chế

tạovàsử

dụng

vậtliệu.
Æ phải đạtcácyêucầu đ/v vậtliệusinhhọc, có tính
tương hợpsinhhọc,
www.hoangtuhung.com
Vấn

đề

(1)
•

Trơ

(inert)?
•

Độc

tính

(toxicity)?
•

Tính

tương

hợp

sinh

học

(biocompatibility)?
Đánh

giá

tính

tương

hợp

sinh

học?
www.hoangtuhung.com
Trơ: không

hoạt

động
không

có

tác

động
không

có

tác

động

dượclýhoặc

điềutrị
không

tham

gia

phản

ứng

(hóa

học)
Độc, độc

tính:
Là

mức

độ

gây

hạicủamộtchất

đốivớisinhvật

hoặccấutrúccủa

sinh

vật(đốivớitế

bào, cơ
quan…)
MỘT SỐ

KHÁI NIỆM
www.hoangtuhung.com
Theo bảnchấttiếpxúc:
–

có

tiếpxúcbề

mặt
–

có

liên

hệ

với

bên

ngoài
–

cấy

ghép…
Theo bảnchấthóahọc:
–

kim

loại
–

hữucơ
–

vô

cơ
–

composite
Theo thờigiantiếpxúc*:
ngắn

< 24 giờ

dài

< 30 ngày
vĩnh

viễn

> 30 ngày
Phân

loạivậtliệusinhhọc
www.hoangtuhung.com
Tương

hợpsinhhọcvàđánh

giá

tính

tương

hợpsinhhọc
•

Trước

1970, thuậtngữđộc

tính

(toxicity) đượcsử

dụng

nhiềuhơnkhixétvề

tính

an toàn

củavậtliệu,
khi

niệmtương

hợpsinhhọcchưa

thông

dụng.
•

Tương

hợpsinhhọc

là

“hòa

hợpvớisự

sống

(harmonious with life) và

không

gây

độchoặcthương

tổn

đếnchứcnăng

sinh

học”.
(Dorland’s Illustrated Medical Dictionary)
•

Tương

hợpsinhhọc

được

đánh

giá

theo:
-

độctínhtạichỗ

(Td: phản

ứng

củadavàniêmmạc)
-phản

ứng

toàn

thân, gây

dịứng, sinh

ung

thư.
www.hoangtuhung.com
•

Trước

đây, tương

hợp

sinh

học

được

cho

là

đồng
nghĩavới

tính

trơ

và

không

độccủavậtliệu.
Quan

niệmnàybỏ

qua:
–Đáp

ứng

củavậtchủ
–Sự

thoái

biếncủavậtliệuvà
–Tương

tác

củavậtliệu
Trong

môi

trường

vậtchủ.
Tương

hợpsinhhọc

và

đánh

giá

tính

tương

hợpsinhhọc
www.hoangtuhung.com
THỬ

NGHIỆM ĐÁNH GIÁ

TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC
•

Mục

đích

các

thử

nghiệm: nhằm

phát

hiện

tiềmnăng

gây

hại

hay hủyhoạicủavật

liệu, hay của

thành

phầnvậtliệu, đốivới

mô

và

cơ

quan

cơ

thể
•

Các

thử

nghiệmvề

tương

hợp

sinh

học

(THSH) được

phân

thành

3 mức.
www.hoangtuhung.com
THỬ

NGHIỆM ĐÁNH GIÁ

TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC
•

Mức1: Thử

nghiệm

độctínhsơ

bộ:
–

Đốivớitế

bào
–

Đốivới

gen
•

Mức2: Thử

nghiệm

độctínhđường

tòan

thân:
–

Hô

hấp, da…

–

Thử

nghiệmcấy

in vivo
•

Mức3: Thử

nghiệmtiền

lâm

sàng
www.hoangtuhung.com
Nhóm

I: Thử

nghiệmcấpmột
Thử

nghiệmsơ

bộ:
Đánh

giá

độctínhđốivớitế

bào

củavậtliệu(ở

trạng

thái

nguyên

thủyhoặc

đã

trùng

hợp…)
–

Đặttrựctiếplênđám

tế

bào

nuôi

cấy, hay
–

Gián

tiếp

qua màng

phủđám

tế

bào

nuôi

cấy, do
sự

thấm

qua rào

cản(thídụđĩangàrăng)*
* Màng

phủ

thường

đượctạorađể

mô

phỏng

màng

mà

vậtliệutácđộng
www.hoangtuhung.com
Thử

nghiệm

độc

tính

đốivới

gen:
Sử

dụng

tế

bào

động

vậtcóvúhoặc

các

loài

khác

(vi
khuẩn, men bia, nấm…) để

xác

định:
–

Sự

nhân

gen,
–

Thay

đổicấutrúcnhiễmsắcthể,

–

Thay

đổi

gen và

deoxyribonucleic acid (DNA)
Gây

ra

do vậtliệu, thiếtbị, hay các

chiếtxuấtcủavật

liệu

(AAMI* Standard, 1994).
Nhóm

I: Thử

nghiệmcấpmột
*AAMI: Association for the Advancement of Medical Instrumentaion
www.hoangtuhung.com
Nhóm

II: Thử

nghiệmcấp

hai
Đánh

giá

tiềmnăng

gây

độcbằng

loạtthử

nghiệm:
–

Đường

toàn

thân,
–

Đường

hô

hấp,
–

Nhạycảmvàkíchứng

da,
–

Phản

ứng

nuôi

cấy.
•

Thử

nghiệmLD50:

mẫuvậtliệu

đượcsử

dụng
hàng

ngày

trên

chuột

trong

14 ngày

(qua đường

miệng

hoặctrộnvàothức

ăn): số

chuộtsống

sót

phải

đạttừ

50% trở

lên. (Ngườitađang

cố

gắng

để

giảmviệcsử

dụng

động

vật

thí

nghiệm).
LD: lethal dose: liềulàmchết

50% cá

thể

sau

thờigianthử

nghiệm
www.hoangtuhung.com
Nhóm

II: Thử

nghiệmcấphai
•

Thử

nghiệm

độctínhvới

da:

vậtliệucóthể

gây

kích

ứng

hay nhạycảm/dịứng. Đốivớinhững

ngườinhạy

cảm, kích

ứng

có

thể

xảy

ra

ngay

lầntiếpxúcđầu

tiên, gây

phản

ứng

viêm.
Khi

mộtvậtliệu, sảnphẩm, hay thành

phầncủanócó

tính

độc, cần

thay

thế, pha

loãng, trung

hòa, hoặcbiến

đổinhằmgiảm

nguy

cơ

gây

độc.
Cần

phân

biệtkíchứng

và

nhạycảm:
–

Kích

ứng

(irritation) là

hiệntượng

viêm

mà

không

có

sự

tham

gia

của

kháng

thể

hay hệ

thống

miễndịch,
–

Nhạycảm

(sensitization) là

phản

ứng

viêm

trong

đócósự

tham

gia

của

kháng

thểđặchiệuvớidị

nguyên

là

vậtliệu.
www.hoangtuhung.com

Nhóm

II: Thử

nghiệmcấphai
Thửđộctínhtheođường

hô

hấp:
Đặt

đầuvànửa

thân

trên

củavật

thí

nghiệm

(thường

thựchiệntrênchuột, thỏ, chuột

lang)

trong

mộtbuồng, xịtvậtliệudạng

khí. Mỗi

30 phút
lạixịt

khí

trong

30 giây. Sau

10 lần

liên

tiếp, quan
sát

con vật

trong

4 ngày:
–

Nếu

không

con nào

chết, chấtthửđượccoilà

không

nguy

hiểmvớingười

(Stanley, 1985).
–

Nếu

có

con vậtchết

trong

vòng

2 đến

3 phút: chất

thửđượcxemlàrất

độc.
www.hoangtuhung.com
Nhóm

II: Thử

nghiệmcấphai
Thử

nghiệmcấy

(implantation tests)
Thử

nghiệmcấy

in vivo

nhằm

đánh

giá

các

đặc

tính

lý

họccủasảnphẩm: hình

dạng, mật

độ, đặc

tính

bề

mặt…(các

yếutốảnh

hưởng

đến

đặc

điểmcủaphản

ứng

mô).
–

Động

vậtthửđượcchọn

tùy

theo

kích

thướccủamẫuthử

và

khoảng

thờigiandựđịnh

thử

nghiệm:
–

thử

nghiệmngắnhạn(≤

12 tuần) dướidahoặccơ: thường

dùng

chuộtvàthỏ.
–

thử

nghiệmdàihạn(≥

12 tuần) ở

cơ

và

xương, thường

dùng

các

động

vậtcóđờisống

tương

đối

dài

như

thỏ, chó,
dê, và

các

động

vật

linh

trưởng.
–

Chú

ý giảmcỡ

mẫu

để

bảovệđộng

vật.
www.hoangtuhung.com
Nhóm

III: Thử

nghiệm

tiền

lâm

sàng
Sau

khi

trải

qua thử

nghiệmcấpmộtvàcấp

hai

thành

công,
sảnphẩmvề

cơ

bản

được

coi

là

không

gây

hại

đốivới

người.
•

Đốivớithuốc, FDA* quan

tâm

việckiểmsoátthử

nghiệm

về

hiệuquả

và

việcsử

dụng

thuốc**.
•

Đốivớinhiềuvậtliệu, nhà

sảnxuấtcần

qua 7 nămsaukhi

sảnphẩm

đã

được

bán

trên

thị

trường

mới

đượcchứng

nhậnvề

hiệuquả.
*US Food and Drug Administration -

FDA
**Ở

nướcta, Bộ

Y tếđã

có

qui chế

về

việc

này