Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một số sản phẩm cấy ghép sử dụng trong y tế bằng hợp kim titan y sinh mác Ti-6Al-7Nb; Ti-5Al2,5Fe và đánh giá độ an toàn của sản phẩm

ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, nhiều cơ sở khoa học

kể cả trong và

ngoài ngành y tế đã tích cực nghiên cứu, chế tạo các thiết bị phục vụ công
tác chăm sóc sức khỏe nhân dân. Ngoài các thiết bị khám chữa bệnh, các
vật liệu cấy ghép, vật liệu hỗ trợ như carbon compozite, hydroxy apatite
đã được nghiên cứu và ứng dụng lâm sàng thì gần đây Viện công nghệ Bộ
công thương đã nghiên cứu chế tạo thành công một số vật liệu có nguồn
gốc chủ yếu từ titan.
Nhằm từng bước hoàn thiện qui trình chế tạo, đánh giá sản phẩm
để có thể thử nghiệm lâm sàng, chúng tôi tiến hành các nghiên cứu nhằm
đánh giá độ an toàn sinh học của vật liệu titan Ti 5Al - 2,5 Fe và Ti 6Al7Nb do Viện công nghệ - Bộ công thương chế tạo.
Trong báo cáo này, chúng tôi giới thiệu kết quả nghiên cứu tính phù
hợp sinh học của hai loại hợp kim chứa titan Ti-6Al-7Nb; Ti-5Al2,5Fe do
Viện công nghệ Bộ công thương chế tạo. Báo cáo là một phần của đề tài
“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một số sản phẩm cấy ghép sửdụngtrong y tế
bằng hợp kim titan y sinh mác Ti-6Al-7Nb; Ti-5Al2,5Fe và đánh giá độ an
toàn của sản phẩm” với mục tiêu:
Đánh giá tính phù hợp sinh học của hai loại hợp kim chứa titan Ti6Al-7Nb; Ti-5Al2,5Fe do Viện công nghệ Bộ công thương chế tạo.

Chương 1: TỔNG QUAN
1. Vật liệu sinh học (Biomaterials)
Trong những năm gần đây, xu hướng sử dụng vật liệu sinh học
trong y tế ngày càng cao. Vật liệu sinh học (Biomaterials) thường được
định nghĩa là các vật liệu nhân tạo, hay tự nhiên thay thế một phần hay
toàn phần chức năng thuốc (không phải thuốc) trong y học, giải phẫu,
nha khoa.
1

Nhiều loại vật liệu khác nhau đã được sử dụng như là một vật liệu
sinh học. Nhóm thứ nhất gồm: mô ghép tự thân, mô ghép đồng loại, mô
ghép dị loại. Tính chất của nhóm này có thể thoái biến và được thay thế
dần sau đó bằng mô chủ. Nhóm thứ hai là vật liệu sinh học được cấy
ghép nhưng không có tác dụng thay đổi, mà chỉ có tác dụng kết hợp mô
như các kim loại, các polymer không thoái biến… Đây là nhóm vật liệu
bền, trung tính, không gây đáp ứng miễn dịch, có thể tồn tại trong một
thời gian dài hay suốt đời.
Từ những năm 1950, titan đã được đưa vào sử dụng trong ngoại
khoa. Hiện nay, titan là vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong y tế để làm
các bộ phận giả, dụng cụ cố định, thay thế hầu hết các bộ phận trong cơ
thể người, đặc biệt là xương.
Nhu cầu sử dụng vật liệu hợp kim titan y sinh ở nước ta ngày một
lớn. Hàng năm, cả nước có tới hàng chục ngàn trường hợp cần nẹp
xương, làm hàm, trồng răng, gắn đinh, cấy vít, làm van tim, đặt stent
thông mạch máu, thay khớp, thậm chí làm vỏ não,… Tuy nhiên, hầu hết
các vật liệu này đều phải nhập ngoại với giá thành rất cao. Chính vì vậy,
việc hạ thấp giá thành sản phẩm mà vẫn đạt được chất lượng tốt trong
điều trị là một nhu cầu cấp bách, yêu cầu Nhà nước đưa vào nghiên cứu,
chế tạo vật liệu titan y sinh.
Nhà nước cũng đã có các dự án mới để phát triển các vật liệu sinh
học. Hiện nay, nước ta đã chế tạo được một số loại vật liệu sinh học, trong
đó có vật liệu titan dùng trong y tế, nhưng trước khi đưa vào sử dụng
trên bệnh nhân, cần phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trên động
vật để đảm bảo độ an toàn của chúng và chuẩn hóa quá trình chế tạo vật
liệu titan của nước ta nhằm ứng dụng ghép trên lâm sàng.
1.1. Đại cương về vật liệu sinh học
Có rất nhiều định nghĩa đã được sử dụng cho thuật ngữ “vật liệu
sinh học”. Theo Viện nghiên cứu sức khỏe quốc gia (National Institute of

2


Health – NIH) (1984): “Vật liệu sinh học là bất kỳ chất hoặc hợp chất nào
(không phải là thuốc) có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp, được dùng
để điều trị, tăng cường hoặc thay thế mô, cơ quan hoặc chức năng của cơ
thể” [11], [12]. Một định nghĩa rộng hơn về vật liệu sinh học được hầu hết
các nhà khoa học chấp nhận là định nghĩa của Williams (1987): “Vật liệu
sinh học là một vật liệu không sống, được sử dụng trong một thiết bị y
học, dùng để tương tác với hệ sinh học” [11].
Vật liệu sinh học chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực y khoa.Tuy
nhiên khi các kỹ thuật vô trùng chưa phát triển thì việc sử dụng các vật
liệu sinh học là không khả thi. Các phẫu thuật có sử dụng vật liệu sinh
học phần lớn đều thất bại do nguyên nhân nhiễm trùng. Các vật liệu sinh
học sớm nhất được cấy ghép thành công là ứng dụng cấy ghép vào hệ
thống xương năm 1900. Sau đó đến những năm 1930, với sự ra đời của
thép không gỉ và các hợp kim crom – cobalt đã tạo nên những thành công
lớn trong việc cố định gãy xương và các trường hợp thay khớp đầu tiên
được thực hiện [13]. Cùng với sự ra đời và phát triển của nhiều loại vật
liệu mới, hiện nay vật liệu sinh học được sử dụng rất rộng rãi trong y
học, đem lại những phương pháp điều trị hiệu quả ở nhiều chuyên ngành
như: nha khoa, ngoại khoa, tim mạch, cơ xương khớp, phục hồi chức
năng, nhãn khoa…
1.2. Các loại vật liệu sinh học
Theo nguồn gốc, vật liệu sinh học chia thành 2 nhóm lớn [11],[14]:
 Nhóm vật liệu sinh học có nguồn gốc tự nhiên:
Là nhóm vật liệu có tế bào, có khả năng sống, tự sửa chữa, cấu trúc
không đồng nhất.
• Vật liệu mô mềm: da, gân, màng ngoài tim, giác mạc…
• Vật liệu mô cứng: xương, răng.

 Nhóm vật liệu sinh học có nguồn gốc tổng hợp:
3


Là nhóm vật liệu có cấu trúc đồng nhất, không có tế bào, không có khả
năng sống.
• Gốm: Alumina, Zirconia, Calci Sulfate, Calci phosphate, Apatites,
carbon, thủy tinh…
• Kim loại: thép không gỉ, hợp kim crom – cobalt, hợp kim titan,
vàng, bạc…
• Polymer: Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHM WPE),
Polymethylmethacacrylate

(PMMA),

Polyethyletherketone

(PEEK), Silicone, Polyurethane (PU), Polytetrafluoroethylene
(PTFE)
• Composit: Carbon Fiber (CF)/PEEK, CF/UHMWPE, CF/PMMA,
Zircon idSil icdB IS – GMA.
1.3. Các yêu cầu đối với vật liệu sinh học
Yêu cầu chung đối với vật liệu sinh học được phân thành 4 nhóm
[11]:
• Tính phù hợp sinh học: vật liệu phải không gây ra các phản ứng có
hại đối với vật chủ và có khả năng kích thích sự hòa hợp mô – vật liệu
ghép tốt.
• Có thể khử trùng: vật liệu có thể trải qua quá trình khử trùng bằng
nhiều phương pháp khác nhau mà không bị biến đổi các tính chất
lý hóa cũng như không sinh ra các chất gây phản ứng có hại cho cơ

thể.
• Có tính chức năng: tính chức năng của một vật liệu sinh học phụ
thuộc vào khả năng tạo được hình dáng phù hợp với chức năng mà
chúng sẽ thực hiện.
• Có thể chế tạo: nhiều vật liệu không thể chế tạo được thành sản
phẩm để có thể cấy ghép trên người nên dù có tính tương hợp sinh
học cao nhưng cũng không có tính ứng dụng.
Ngoài ra, các vật liệu sinh học còn phải có các đặc tính đặc biệt như
không sinh khối u, không phân hủy, độc tính thấp… Tuy nhiên tùy thuộc vào
4


mục đích ứng dụng, mỗi loại vật liệu lại cần đáp ứng các yêu cầu khác nhau
[11].
1.4. Tính phù hợp sinh học của vật liệu sinh học (biocompatibilityof
biomaterials).
1.4.1. Phản ứng của cơ thể với vật liệu ghép.
Sau khi được cấy ghép, sự tương tác giữa hệ miễn dịch của cơ thể
người nhận và vật liệu sinh học sẽ xảy ra rất phức tạp và kết quả là vật
liệu ghép có gây phản ứng đủ để kích thích sự hòa hợp mô – vật liệu tốt
hay không [17], [18]. Trong quá trình đó, sự xuất hiện phản ứng viêm là
tất yếu và là một phản ứng bình thường khi một vật lạ mới được đưa vào
cơ thể.
Sau khi cấy ghép, sự tương tác giữa vật liệu và hệ thống miễn dịch
của cơ thể nhận có liên quan đến đáp ứng miễn dịch đặc hiệu và không
đặc hiệu. Đầu tiên, trên bề mặt của vật liệu sẽ hình thành các cục máu
đông tạm thời, sau đó là viêm cấp tính vô khuẩn tiến triển đến viêm mạn
tính, phát triển mô hạt và cuối cùng là sự xơ hóa [17], [19]. Các đặc điểm
của vật liệu sinh học về kích thước, hình dạng, tính chất lý hóa…đóng vai
trò quan trọng ảnh hưởng đến mức độ và thời gian phản ứng của cơ thể

[18], [19]. Do đó mức độ, diễn biến và thời gian quá trình phản ứng của
cơ thể nhận sau khi ghép vật liệu sinh học sẽ đặc trưng cho tính phù hợp
mô của vật liệu được cấy ghép.
1.4.2. Diễn biến quá trình phản ứng của cơ thể sau ghép vật liệu sinh học.
 Phản ứng viêm:
Viêm là quá trình phản ứng tự vệ của cơ thể nhằm chống lại các tác
nhân xâm nhập [20]. Trong cấy ghép vật liệu sinh học, ngay sau khi cô
lập vùng tổn thương bằng các phản ứng huyết quản huyết, phản ứng
viêm cấp tính và viêm mạn tính sẽ xảy ra theo thứ tự kế tiếp nhau. Phản
ứng viêm cấp tính được biểu hiện bằng các dấu hiệu sưng, nóng, đỏ, đau
5


và đặc trưng là sự xâm nhập của bạch cầu đa nhân trung tính. Các phản
ứng viêm cấp tính đối với vật liệu sinh học thường xảy ra nhanh chóng.
Sau đó tiến triển thành viêm mạn tính với sự xuất hiện của các bạch cầu
đơn nhân, các lympho bào tại vị trí tổn thương. Phản ứng viêm mạn tính
đối với vật liệu sinh học thường bị giới hạn tại vị trí cấy ghép.Phản ứng
viêm sau khi thực hiện cấy ghép vật liệu bao gồm cả viêm cấp tính và
viêm mạn tính thường kéo dài không quá hai tuần. Nếu phản ứng kéo dài
trên 3 tuần thường là dấu hiệu của sự nhiễm trùng và thải ghép [19].
 Sự phát triển của mô hạt:
Sau khi phản ứng viêm kết thúc, ở những vị trí ghép vật liệu sinh
học, mô hạt được hình thành. Mô hạt được xác định bởi sự xuất hiện của
các đại thực bào, xâm nhập nguyên bào sợi và sự tăng sinh

các mạch

máu. Các nguyên bào sợi hoạt động tổng hợp collagen và proteoglycan, là
tiền đề cho sự xơ hóa [18],[19].

 Sự xơ hóa:
Là hiện tượng cuối cùng trong quá trình lành hóa vết thương. Vị
trí tổn thương do quá trình cấy ghép vật liệu sinh học sẽ được sửa chữa
bằng quá trình tái tạo mô mới thay thế cho mô bị tổn thương hoặc sẽ
hình thành sẹo xơ.
Theo tác giả Lê Đình Roanh (2009), diễn biến thời gian của các phản ứng
hàn gắn vết thương sẽ được diễn ra như sau [21]:
- 0 giờ (Ngay khi phẫu thuật): đường rạch sẽ được lấp đầy bởi các
cục máu đông.
- 3 giờ đến 24 giờ sau phẫu thuật: phản ứng viêm cấp diễn ra với sự
tập trung của các bạch cầu đa nhân trung tính tại ổ viêm (vị trí tổn
thương). Những tế bào này được thu hút đến ổ viêm bởi các chất hóa ứng
động như histamin, leukotrien, bổ thể C5a… Vai trò của các bạch cầu đa
nhân trung tính là thực bào mô bị tổn thương và các vi khuẩn có thể xâm
nhập trong quá trình phẫu thuật.
6


- 24 giờ đến 48 giờ sau phẫu thuật: các tế bào biểu mô di chuyển từ
mép vết thương tạo màng đáy và sự tăng sinh của tế bào là tối thiểu.
- Ngày thứ 3 sau phẫu thuật: bắt đầu quá trình chuyển từ phản
ứng viêm cấp sang viêm mạn tính. Các bạch cầu đa nhân trung tính dần
được thay thế bởi các bạch cầu đơn nhân (đại thực bào, lympho bào).
Các đại thực bào sẽ tiếp tục thực hiện nhiệm vụ thực bào của bạch cầu đa
nhân trung tính đồng thời chúng có nhiệm vụ trình diện kháng nguyên với
các tế bào miễn dịch đặc hiệu (lympho bào).Sau quá trình này, mô hạt bắt đầu
xuất hiện.
- Ngày thứ 5 sau phẫu thuật: vết thương đã được lấp đầy bởi mô
hạt giàu mạch máu tân tạo, quá trình tăng sinh biểu mô diễn ra mạnh mẽ
và bắt đầu xuất hiện collagen.

- Tuần thứ 2 sau phẫu thuật: quá trình viêm và phản ứng mô hạt
giảm dần, thay vào đó là sự tăng sinh nguyên bào sợi và tích lũy collagen
tại vị trí tổn thương.
- Tháng thứ 2 sau phẫu thuật: vết sẹo đã được hình thành bao gồm
mô liên kết không viêm được bao phủ bởi một lớp thượng bì nguyên vẹn.
1.4.3. Độc tính toàn thân của vật liệu sinh học.
Độc tính toàn thân là khả năng mà các vật liệu sinh học có thể gây ra
các phản ứng toàn thân có hại đối với các cơ quan, hệ cơ quan và toàn cơ thể.
Theo tiêu chuẩn ISO 10993 các tiêu chí được sử dụng để đánh giá độc tính
toàn thân của vật liệu sinh học bao gồm [22]:
- Trọng lượng cơ thể động vật thực nghiệm.
- Quan sát các dấu hiệu lâm sàng: tình trạng da, lông, trương lực
cơ, phản xạ, tình trạng tăng tiết nước bọt, các dấu hiệu hô hấp, tim mạch,
các triệu chứng thần kinh, vận động...
- Bệnh học lâm sàng: các chỉ số sinh hóa máu, huyết học được xem
xét tại cuối giai đoạn thử nghiệm.
7


- Bệnh học tổng quát: Các con vật phải được giải phẫu tử thi để
đánh giá tình trạng tất cả các cơ quan bộ phận và được bảo quản để kiểm
tra mô bệnh học trong tương lai.
- Mô bệnh học tổng thể: kiểm tra tất cả các tổn thương tại tất cả
các mô, cơ quan của động vật thực nghiệm.
Trong phạm vi đề tài này, đề đánh giá sơ bộ độc tính toàn thân của
thủy tinh thể nhân tạo sản xuất tại Việt Nam chúng tôi chỉ tiến hành kiểm
tra một số chỉ số sinh hóa máu, huyết học của động vật thực nghiệm
1.5. Tính phù hề tài này, đề đánh giá sơ bộ độc tính toàn thân của thủy tinh th
Hầu hết các vật liệu cấy ghép nhằm phục vụ cho con người, cải
thiện chất lượng cuộc sống của con người.Việc ghép vật liệu sinh học đã

đạt hiệu quả tốt.Tuy nhiên, sự tương tác giữa cơ thể với vật liệu sinh học
diễn ra rất phức tạp. Đó là sự tác động hai chiều của mô chủ lên vật liệu
được cấy ghép và sự tác động của vật liệu cấy ghép lên mô chủ, bao gồm:
sự viêm, di chứng miễn dịch, độc tố hệ thống, tương tác máu bề mặt,
nghẽn mạch...
1.5.1. Sn, sự
Sự viêm có thể xem như là phản ứng của các khối mô sống, phân
bố mạch máu đến vùng tổn thương, nhằm ngăn ngừa sự lan rộng của các
tác nhân gây hại đến các mô lân cận, loại bỏ các mảnh vụn tế bào và các
mầm bệnh, cuối cùng là tạo cơ sở cho các quá trình phục hồi chức năng
của mô [2]. Các dấu hiệu chính của viêm cấp là sưng, nóng, đỏ, đau. Sau
khi bị tổn thương có sự thay đổi về đường kính và tính thấm của mạch
máu, điều này dẫn đến hiện tượng là dịch cơ thể, protein, các tế bào máu
sẽ thoát ra từ hệ mạch đi vào vùng tổn thương.

8


Hình 1.1.1: Biểu hiện tại chỗ của viêm cấp [2].
Kích thước, hình dáng và các tính chất hóa lý của vật liệu sinh học
sẽ quy định thời gian kéo dài của sự viêm hay thời gian cho quá trình
lành vết thương. Do đó, thời gian của phản ứng viêm, sẽ đặc trưng cho
tính phù hợp mô đối với mô được cấy ghép.
Trong nghiên cứu thực nghiệm, để đánh giá tính phù hợp mô nói
chung và tính phù hợp mô của các vật liệu cấy ghép nói riêng, bằng cách
đánh giá các phản ứng tại chỗ sau khi ghép vật liệu vào một vị trí nào đó
trên cơ thể con vật, diễn biến hàn gắn vết thương xảy ra theo từng giai
đoạn. Một đường rạch ngoại khoa sạch gây chết tế bào tối thiểu và gián
đoạn của màng đáy tối thiểu thì quá trình hàn gắn vết thương sinh lý
được tác giả Lê Đình Roanh (2009) mô tả như sau [2]:

Ngay sau khi phẫu thuật, đường rạch sẽ được lấp đầy bởi những
cặn máu đông.
3 đến 24 giờ, bạch cầu đa nhân trung tính tập trung tại chỗ vết
thương, đây là tế bào dấu ấn tiêu chuẩn của phản ứng viêm cấp.Những tế
bào này có bào tương có hạt với một nhân có 2 đến 4 thùy.Chúng được
tàng trữ trong tủy xương, lưu thông trong máu và tụ tập nhanh chóng ở
những vị trí tổn thương hay nhiễm khuẩn. Trong các mô, những bạch cầu
đa nhân trung tính thực bào những vi khuẩn xâm nhập và mô đã chết.
24 đến 48 giờ: những tế bào biểu mô di chuyển từ mép vết thương
tạo màng đáy, tăng sinh của tế bào là tối thiểu.
9


Ngày thứ 3: những bạch cầu đa nhân trung tính được thay thế bởi
những đại thực bào. Các bạch cầu đơn nhân có nguồn gốc từ tủy xương
và có thể đi ra khỏi dòng tuần hoàn để di chuyển vào mô và trở thành đại
thực bào thường trực. Khi phản ứng với những chất trung gian, chúng tụ
tập ở những vị trí viêm cấp. Các đại thực bào bắt giữ và xử lý vi khuẩn,
trình diện những kháng nguyên đã gắn với phức hợp hòa hợp mô chính
lớp II (MHC) với những lympho bào. Chúng cũng có thể biệt hóa thành
các tế bào tua là những tế bào trình diện kháng nguyên hiệu quả cao.Sau
đó, mô hạt bắt đầu xuất hiện.
Ngày thứ 5: đường rạch được lấp đầy bởi mô hạt, tạo mạch máu
mới và tăng sinh tế bào biểu mô là tối đa, những collagen bắt đầu xuất
hiện.
Tuần lễ thứ 2: viêm, phù, tăng sinh mạch trở nên ít đi; tăng sinh
nguyên bào xơ kèm theo sự tích lũy collagen tiếp diễn. Nguyên bào xơ là
những tế bào có ở khắp nơi, đời sống dài, chức năng chính là sinh ra
những thành phần của chất cơ bản ngoài tế bào, trên đó mô được thiết
lập lại.Chúng có nguồn gốc từ trung bì, có thể biệt hóa thành các mô liên kết

khác, bao gồm tế bào sụn, những tế bào mỡ, những tế bào xương, những tế
bào cơ trơn.
Tháng thứ 2: vết sẹo bao gồm mô liên kết không có viêm được bao
phủ bởi một thượng bì nguyên vẹn.
Nếu phản ứng viêm kéo dài hơn sẽ diễn biến thành viêm mạn tính
với sự có mặt của nhiều tương bào, lympho bào.Lympho bào là những tế
bào hình cầu, nhân lớn, chiếm gần hết khối bào tương. Gồm có 2 dòng là
tế bào T và B thực hiện những chức năng quan trọng của phản ứng miễn
dịch thể dịch và qua trung gian tế bào.Tương bào do các lympho B biệt
hóa thành. Những tế bào này giàu lưới nội nguyên sinh có hạt là nguồn
quan trọng của những kháng thể.
10


Hình 1.2. Các thành phần của viêm cấp và viêm mạn tính: tế bào viêm
và protein, tế bào nội mô, các tế bào và protein của chất nền ngoại bào [2].

Chức năng của bạch cầu trong viêm cấp [2]:
- Thực bào: Có nhiều tế bào viêm, bao gồm bạch cầu đơn nhân, đại
thực bào của mô, những tế bào có tua và bạch cầu đa nhân trung tính
nhận biết, vùi vào bên trong và tiêu hóa dị vật, những vi sinh vật hoặc
những mảnh vụn tế bào.
- Các enzyme của bạch cầu đa nhân trung tính cần cho sự chống lại
của vi khuẩn và dọn sạch vết thương.

 Các đường trong tế bào kết hợp với hoạt hóa tế bào viêm:
Một quá trình nhờ đó những kích thích khác nhau dẫn đến những
phản ứng chức năng của những tế bào viêm (ví dụ, mất hạt hoặc kết
dính) được gọi là ghép cặp phản ứng kích thích [2].
Đường protein G: Các chemokine, hormone, yếu tố dẫn truyền

thần kinh, cũng như các chất trung gian hóa học khác của phản ứng viêm
sử dụng những protein của nhóm gắn guanine nucleotid (những protein
G) để truyền tín hiệu.
11


Đường TNF: là một yếu tố quan trọng trong phản ứng viêm, nó gây
chết tế bào theo chương trình của tế bào u và điều hòa những chức năng
miễn dịch.
Chiêu mộ bạch cầu trong viêm cấp: Một trong những đặc điểm
chính của viêm là sự tụ tập bạch cầu, đặc biệt là bạch cầu đa nhân trung
tính trong mô bị tổn thương. Những bạch cầu dính vào nội mô của huyết
quản, trở nên bị hoạt hóa.Sau đó, chúng dẹt lại và di chuyển từ trong
mạch máu, qua lớp tế bào nội mô và vào trong mô xung quanh. Trong mô
ngoài hạch, những bạch cầu đa nhân trung tính nuốt những vật lạ,
những vi khuẩn và mô chết.
 Sự lành hoá vết thương:
Ở những vị trí ghép hình thành nên mô hạt.Mô hạt gồm những hạt
mềm, màu hồng xuất hiện ở nơi bề mặt vết thương đang dần lành. Chúng
đặc trưng cho sự tăng sinh nguyên bào sợi, cùng với mạch máu nhỏ được
hình thành. Nguyên bào sợi hoạt động tổng hợp proteoglycan và collagen
trong quá trình phát triển khối mô.
 Sự xơ hoá:
Đây là hiện tượng đáp ứng cơ chế lành hóa của vết thương, các
phản ứng này diễn ra vào cuối thời kỳ lành hóa. Vị trí tổn thương do vật
liệu cấy ghép được sửa chữa bởi quá trình tái sinh của tế bào sinh mô hay
sự tái sinh mô mới để thay thế mô bị tổn thương hay khối mô bị mất.
Tính chất lý hóa của vật liệu cần phù hợp với đặc tính chung của
các tế bào tạo mô.
Khung mô sau tổn thương đóng vai trò quan trọng trong sự khôi

phục lại cấu trúc mô.
Đánh giá tính phù hợp mô, ngoài việc xem xét đến phản ứng viêm,
người ta còn quan tâm xem quá trình đổi mới và sửa chữa của mô xung
quanh vùng cấy ghép vật liệu, đặc biệt trong đề tài này là sự đổi mới của
mô xương.
12


Bình thường, trên màng xương có một lớp các tiền tạo cốt bào (các
tế bào mầm của mô xương) ở trạng thái không hoạt động.Khi màng
xương bị tổn thương, các tiền tạo cốt bào tích cực hoạt động để hàn gắn
mô xương bị tổn thương. Đó là những tế bào có nhân hình bầu dục hoặc
dài, bắt màu tím nhạt, bào tương bắt màu acid kém, đôi khi hơi ưa base,
chúng thường thấy trên mặt xương, ở lớp trong màng xương, lớp mặt
trong ống Havers. Khi đó, các tiền tạo cốt bào tăng nhanh về số lượng
bằng cách gián phân rồi biệt hóa thành những tạo cốt bào [3].
Tạo cốt bào là những tế bào đa diện, dài 20 - 30µm có nhánh nối
với nhau hoặc nối với tế bào nằm trong tủy xương. Tạo cốt bào thường
xếp thành một hàng trên mặt các bè xương đang hình thành. Nhân tạo
cốt bào lớn, hình cầu hoặc hình bầu dục thường nằm lệch về phía đối
diện vùng xương mới đang hình thành.Bào tương ưa màu thuốc nhuộm
base. Chúng tạo nên một cái nền protein và gián tiếp tham gia vào việc
lắng đọng muối khoáng vào cái nền ấy để hình thành chất căn bản
xương. Trong quá trình tạo xương mới, một số tạo cốt bào tự vùi trong
chất căn bản xương do chúng tạo ra và trở thành tế bào xương [3].
Tế bào xương (còn gọi là cốt bào) là những tế bào có nhiều nhánh. Thân
của tế bào dài 20-30µm, nằm trong các ổ xương, những nhánh xương của
tế bào xương mảnh, nằm trong các tiểu quản xương [3].
Song song với quá trình tạo xương là quá trình hủy xương do hủy
cốt bào đảm nhiệm. Đó là những tế bào rất lớn, đường kính 20-100µm, có

nhiều nhân (50-60 nhân).Hủy cốt bào thường xuất hiện ở những vùng
xương đang bị phá hủy, trên mặt của các khoảng trống Howship trong
mô xương. Chúng hủy muối khoáng, tiêu hủy nền protein của chất căn
bản. Tế bào tiền thân của hủy cốt bào có nguồn gốc tủy xương, được sinh
ra và biệt hóa theo hướng riêng, theo dòng máu đến mô xương trở thành
hủy cốt bào [3].
13


2. Phân loại và yêu cầu đánh giá an toàn sinh học của vật liệu, thiết bị cấy
ghép trong y tế theo ISO 10993
Bảng 1.1. Các phép thử đánh giá ban đầu để xem xét khả năng tương
hợp sinh học của loại thiết bị ghép, đường tiếp xúc, thời gian tiếp xúc
Cách phân loại các
trang thiết bị y tế
Bản chất
Thời gian
tiếp xúc
tiếp xúc
A – giới
hạn(<24h)
B – kéo dài
(24h đến 30
Cách
Tiếp
ngày)
phân
xúc
loại
C–vĩnh

viễn
(>30ngày)
A
Da
B
C
A
Màng
B
Tran nhày
C
g
A
thiết Bề
B
bị bề mặt
bị
mặt
thủng
hoặc
C
tổn
thươn
g
Đườn
A
g
B
huyết,
Tran gián

C
g
tiếp
thiết Mô/
A
bị xươn
B
truyề g/
C
n
răng
ngoài
A
Máu
tuần
B
hoàn
C

Tác động sinh học
Gây
kích
thíc
Khả
Nhiễ Nhiễ
Độ Gây h
Đột năn
Tươn
m
m

Phù
c tế nhạ hoặ
biế g
g
độc độc
hợp
bà y
c
n cấy
thích
cấp bán
mô
o cảm phả
gen ghé
máu
tính cấp
n
p
ứng
da
x
x
x
x
x
x
x
x

x

x
x
x
x
x
x
x

x
x
x
x
x
x
x
x

x

x

x

x
x

x
x

x

x

x

x

x
x

x
x

x
x

x

x

x

x

x

x
x
x

x

x
x

x
x
x

x
x
x

x

x

x

x

x
x
x

14

x

x
x
x

x
x
x
x
x

x
x

X
X

x

x

X

x

x

x

x
x

x

x

x

x

x
x

x
x
x

x

x
x

x
x

X
X
X


Mô/
Tran xươn
g
g
thiết

bị cấy
ghép Máu

A
B
C
A
B
C

x
x
x
x
x
x

x
x
x
x
x
x

x
x
x
x
x
x

x
x
x
x
x

x
x
x
x
x

x
x
x
x

x
x
x
x
x

x
x
x
x
x
x

X
X
X

3. Các đặc tính và ứng dụng của hợp kim titan
3.1. Đ1Các đặc tính và
Titan là một nguyên tố kim loại, ký hiệu là Ti, đứng thứ tự số 22
trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Titan là một kim loại
chuyển tiếp, màu trắng bạc. Nó là một kim loại nhẹ, cứng, có bề mặt sáng
bóng, chống ăn mòn tốt (do có lớp oxit bảo vệ bên ngoài)

Hình 1.3. Tương hợp sinh học là được coi là một trong năm
đặc tính của titan.

Các đặc tính quý báu của titan khiến nó trở thành vật liệu sinh học
được sử dụng phổ biến hiện nay.
15


- Đàn hồi: Hầu hết các chất rắn có thuộc tính đàn hồi nếu tải trọng không
quá lớn. Với các vật liệu có các nối mạnh như kim cương thì có modul
đàn hồi cao. Với các vật liệu có các nối yếu như (polymer), các modul này
thấp hơn.
- Độ nén: mà vật liệu phải chịu rất quan trọng trong các mô.
- Đứt gãy, giòn: Tính chất này tiêu biểu cho các vật liệu: gốm, thủy tinh,
hợp kim cứng, một số polymer.
3.2. Ứng dụng của hợp kim titan
Titan thường được sử dụng dưới dạng hợp kim, chủ yếu là hợp
kim với nhôm (Al) và sắt (Fe), vonfram (V)…

Titan có thể được coi là một loại vật liệu tương đối mới. Nó được
phát hiện muộn hơn rất nhiều so với các kim loại thường được sử dụng
khác, ứng dụng thương mại của nó bắt đầu từ cuối những năm 40, chủ
yếu là vật liệu cấu trúc. Titan được đưa vào sử dụng trong ngoại khoa từ
những năm 1950 và được sử dụng trong nha khoa trước đó một thập
kỷ.Hiện nay, titan là vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong y tế để làm
các bộ phận giả, dụng cụ cố định, thay thế các cơ quan bên trong cơ thể,
đặc biệt là xương. Trong cấy ghép y học, titan được sử dụng từ đầu đến
chân theo đúng nghĩa đen của nó. Người ta có thể tìm thấy titan trong
phẫu thuật thần kinh, trợ thính dẫn xương, cấy ghép mắt giả, đốt sống,
khớp háng, khớp gối, các xương, khớp khác nhỏ hơn như ngón tay, ngón
chân. Nó còn được dùng để chế tạo các máy móc đặt bên trong cơ thể
như máy tạo nhịp tim… Lý do titan được sử dụng rộng rãi trong cơ thể
là do nó là loại vật liệu có tính tương thích sinh học cao, chỉ cần thay đổi
chất phủ bề mặt.

16


Hình 1.4 Titan được ứng dụng để thay thế nhiều bộ phận trên cơ thể.
Titan được coi là vật liệu sinh học, vật liệu cấy ghép được ứng dụng
nhiều nhất trong lĩnh vực răng hàm mặt, sọ não, chấn thương chỉnh hình.
- Trong răng hàm mặt, nhờ tính phù hợp mô mà xương có thể phát
triển được quanh vật liệu, nên nó được dùng làm vật liệu chế tạo implant
(trụ để cắm răng giả).
- Trong chấn thương sọ não, titan được dùng để chế tạo mảnh vá hộp
sọ.

17

Hình 1.56 Mảnh vá hộp sọ bằng titan.
- Trong phẫu thuật chỉnh hình, titan được dùng để chế tạo khớp giả
(khớp háng, khớp gối), xương giả, nẹp, vít.
4. Một số nghiên cứu trên thế giới ở trong nước và trong nước về hợp
kim titan
Trên thế giới: Có thể nhắc đến một số nghiên cứu tại các nước tiên
tiến phát triển như: Đức, Mỹ, Anh, Canada, Pháp…
Yuri Estrin, Hyoun-Ee Kim, Rimma Lapovok và cộng sự đã cấy
ghép những ốc vít bằng vật liệu là hợp kim titan vào xương chày thỏ sau
khi rửa siêu âm một giờ và tiệt khuẩn bằng tia gamma. Đánh giá hình
ảnh mô xương phát triển xung quanh vật liệu ghép dưới kính hiển vi và
nhận xét mô xương phát triển tốt quanh vật liệu [5], [6], [7].
Nagawa T. và cộng sự nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đánh giá
khả năng phù hợp sinh học của hợp kim titan 29 niobium – 13 zirconium
với tế bào dạng tạo cốt bào (osteoblast – like MG63 cells). Tế bào MG63
được nuôi cấy trong ba đĩa hợp kim chứa titan: TiNb, pTi và titanium 6aluminiu-4vanadium (TiAl), sau 48 giờ, không có sự khác biệt về sự
phát triển của các tế bào ở ba đĩa hợp kim này [8].
Các tác giả như H.J.Rack, M. Niinom và cộng sự trên các tạp chí
khoa học và công nghệ vật liệu đã đề cập nhiều đến khả năng áp dụng
của hợp kim titan trong lĩnh vực y sinh học [9], [10].
R.Z. Valiev và cộng sự trong tạp chí chế tạo vật liệu cao cấp, trong
đó có vật liệu titan cấu trúc nano để ứng dụng trong y sinh học [11].
Y. Estrin, C. Kasper và cộng sự năm 2009 trên tạp chí nghiên cứu
vật liệu sinh học cho thấy dụng cụ nuôi cấy phủ titan dạng hạt siêu mịn
có ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của các tiền tạo cốt bào [6].
Lopez - Heredia và cộng sự (2007) đã tiến hành cấy ghép vật liệu
titan vào xương đùi của 15 con thỏ, sau 3 và 8 tuần mô xương mới đã
phát triển mạnh xung quanh vật liệu titan [14].
18

Slaets (2008) cũng đã tiến hành cấy vật liệu Ti-6Al-4V vào xương
chày của thỏ và theo dõi vào các thời điểm sau ghép 3, 7, 14, 28, 42 ngày.
Theo nghiên cứu này, quá trình tạo xương mới bắt đầu từ tuần thứ 2 với sự
có mặt của các tạo cốt bào trong vi trường. Quá trình này đạt tối đa ở tuần
thứ 4, và sau 6 tuần quá trình tạo xương giảm đi, mô xương mới thay thế
mô xương chủ [15].
Trong nghiên cứu mới đây, Fadl-allah (2012) tiến hành mô hình
thực nghiệm trên chuột, ghép vật liệu titan trên xương chày chuột, sau 4 và
8 tuần lấy vùng xương ghép vật liệu làm tiêu bản cho thấy ở thời điểm 4
tuần, các hủy cốt bào hoạt động mạnh, song song với nó là các tạo cốt bào
tạo mô xương mới; đến tuần thứ 8, mô xương mới đã hình thành ổn định
với sự có mặt của các ống Havers điển hình, không có các tế bào viêm trong
vi trường [16].
Tại Việt Nam: Nghiên cứu chế tạo các sản phẩm y tế từ hợp kim
titan hầu như chưa có. Đây là nghiên cứu đầu tiên do Viện công nghệ Bộ
công thương tiến hành.

Chương 2:VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
Nội dung thử nghiệm này căn cứ vào ISO 10993 -10 về đặc điểm,
cách tiếp xúc, thời gian tiếp xúc của thiết bị với cơ thể. Các thiết bị làm
từ titan bao gồm các nẹp, vít, các trụ implant vvv… Các thiết bị này tiếp
xúc trực tiếp với mô xương, mô mềm bao bọc bên ngoài, răng (tissue,
bone, dentin). Thời gian tiếp xúc lâu dài. Căn cứ

hướng dẫn của ISO

10993 ( tiêu chuẩn quốc tế về đánh giá phù hợp sinh học của vật liệu,
thiết bị y tế), cần phải thử nghiệm các nội dung sau:

-

Thử nghiệm độc tính tế bào (cytotoxicity)

-

Thử nghiệm độc tính gen (genotoxicity)

-

Thử nghiệm nhiễm độc cấp, bán cấp

19


-

Thử nghiệm tính phù hợp mô và khả năng cấy ghép (histocompatibility
and implantation).
1. Thiết kế qui trình nghiên cứu thử nghiệm:
1.1.. Đ.1.t kế qui trình ng

-

Chuột cống trắng, loại dùng trong phòng thí nghiệm

-

Chó ta, giống đực, cân nặng 8-12kg/con.

-

Thỏ ta cân nặng 2,2 -2,5kg/com

-

Vật liệu ghép trên thỏ: là một khối hình tròn, đường kính 8mmx10mm,chó ta,
giống đực, cân nặng 8-12kg/con.

-

Nguyên tắc chọn mẫu là đủ để đánh giá.
 Yêu cầu kích thước, hình dạng vật liệu cho nghiên cứu:
. 1.2.V.2.cầu kích thước,
- Ghép trên chuột:

khối hình trụ, đường kính 5mmx10mm, mài nhẵn

các mép
- Ghép trên chó: nẹp hình máng, dài 20mm, dầy 3mm, có 2 lỗ ở 2 đầu.
Đinh vít dài 10 -15mm, đường kính 2 mm
- Ghép trên thỏ: khối hình tròn đường kính 8mm x 10mm - Ghép trên
chó: nẹp hình máng, dài 20mm, dầy 3mm, có 2 lỗ ở 2 đầu. Đinh vít dài 10
-15mm, đường kính 2 mm
- Gây độc tính tế bào: Dạng hạt mịn, kích thước 0,5-1mm
- Gây độc tính gen: cơ vùng ghép vật liệu để đánh giá độc tính gen in
vivo
2. Phương pháp nghiên cứu
2.1..Mô hình nghiên cghi
Theo tiêu chuẩn ISO 10993:

Các thiết bị y tế được làm bằng titan hầu hết tiếp xúc với mô xương,
răng, mô mềm. Thời gian tiếp xúc lâu dài. Căn cứ vào ISO 10993, cần
phải đánh giá 4 yếu tố sau:
20


- Đánh giá tính phù hợp mô, khả năng cấy ghép tại chỗ
- Đánh giá nhiễm độc cấp, bán cấp
- Đánh giá độc tính tế bào
- Đánh giá độc tính gen
• Đánh giá tính phù hợp mô, khả năng cấy ghép:
- 420 mẫu vật liệu (2loại: Ti-5AL-2,5Fe ký hiệu là L1; Ti-6Al-7Nb
ký hiệu là L2) ghép vào cơ mông cho 4020 thỏchuột. L1: Ti-5AL2,5Fe: 210 thỏchuột chia 2 lô 4 tuần; 12 tuần. L2: Ti-6Al-7Nb:
20 thỏ10 chia 2 lô 4 tuần; 12 tuần.
- 40 máng vật liệu (mỗi loại 20) sử dụng trên chó với hai mốc thời gian 8
tuần và 16 tuần.
- 40 máng vật liệu (mỗi loại 20) sử dụng trên chó với hai mốc thời gian
3 và 6 tháng.
• Đánh giá nhiễm độc cấp, bán cấp.
Lấy máu chuột xét nghiệm trước, sau ghép vật liệu 72 giờ đánh giá
nhiễm độc cấp, lấy máu sau ghép 4 tuần đánh giá khả năng nhiễm độc bán
cấp., khả năng gây độc làm đột biến gen.
• Đánh giá độc tính tế bào:
- Vật liệu rời nghiền nhỏ (2loại): L1: Ti-5AL-2,5Fe; L2: Ti-6Al-7Nb
nuôi cấy cùng tế bào gốc trung mô. Quan sát hình thái và sự phát triển tế
bào.
- Sản phẩm chứng: Thử song song
•

Đánh giá độc tính gen:

- Vật liệu rời nghiền nhỏ (2 loại): L1: Ti-5AL-2,5Fe; L2: Ti-6Al-

7Nb, nuôi cấy cùng tế bào gốc trung mô. Đánh giá độc tính gen gây tổn
thương DNA bằng kỹ thuật nhuộm hóa mô miễn dịch.
1.42.2. Tiến hành nghiên cứu
21


1.42.2.1. Nghiên cứu tính phù hợp mô và khả năng cấy ghép
1.42.2.1.1. Động vật:
- Thng vật:rhng vật:g 1,8-2,0 kg, mô và khả năng cấy ghé40 con chia hai
nhóm, mả năng c20 con. Nhóm 1: thhóm, mả năng cấy ghépĐánh giá độc
tíửcon. NhóL2:Ti-6Al-7Nb. Mhóm, mả năng cấy ghépĐá4 tuần,12 tun,Al7Nb. Mhóm, mả năng cấy gên 2 loại vật liệu là 40 thỏ.
- Chó ta, tr Chó ta, tNb. Mhóm, mả năng cấ40 con, chia 2 nhóm: nhóm 1
ghép vgên 2 loại vật liệu là 40 thỏ.tổn thương DNA bằng kỹ. Theo dõi sau
ghép8 tuần, 16 tun,. Ttun, õi sau ghép nhóm 1 ghép vgên 2 loại vật liệu là
Chutun, ng trắng (loại sử dụng trong phòng thí nghiệm) 0.5 kg/con, mạnh
khỏe, giống đực: 20 con chia hai nhóm, mỗi nhóm 10 con. Nhóm 1: thử
nghiệm L1: Ti-5AL-2,5Fe, nhóm 2: thửhutun, nL2:Ti-6Al-7Nb. M (loại sử
dụng trong phòng thí nghiệm) 0.5 kg/con, mạnh khỏe, gi sau 12 tuần.20 thỏ
ghép vật liệu đối chứng. Tổng số chuột nghiên cứu trên 2 loại vật liệu ở lô
chứng và lô thực nghiệm là 40 thỏ.
- Chó ta, trọng lượng 8-10 kg, giống đực: 20 con, chia 2 nhóm: nhóm 1 ghép
vật liệu L1: Ti-5AL-2,5Fe, nhóm 2 ghép L2: Ti-6Al-7Nb. Theo dõi sau ghép 3
và 6 tháng. Tổng số chó nghiên cứu trên 2 loại vật liệu ở lô chứng và lô thực
nghiệm là 40 chó.
1.42.2.1.2. Vật liệu:
Vật liệu phải có kích thước và khối lượng bằng nhau, phù hợp với
từng loại động vật nghiên cứu, phải được hấp sấy vô trùng.

22


Ti-5AL-2,5Fe

Ti-6Al-7Nb

Hình 2.1. Vật liệu chế tạo dạng máng để ốp vào xương chó

Ti-5AL-2,5Fe

Ti-6Al-7Nb
Hình 1. Vl-7Nb

bi-6Anha

23


Ti-5AL-2,5Fe

Ti-6Al-7Nb

Hình 2.2. Vật liệu chế tạo dạng trụ để ốp vào mô cơ chuột, thỏ
Hình 2.1. V 2

Ti-5AL-2,5Fe

Ti-6Al-7Nb

Hình 2.3. Vật liệu chế tạo dạng hạt để thử độc tính tế bào
Hình 2.23. V Al-7Nb ch

hdh tế bàođ. V Al-7Nb ch

1.42.2.1.3 Tiến hành cấy ghép
 Chuẩn bị dụng cụ
-

Thuốc mê: Ketamine liều lượng 4ml/kg cân nặng.
Thuốc sát trùng
Săng, găng tay vô khuẩn
Dao phẫu thuật, chỉ lin để đóng vết mổ.
24


- Vật liệu titan đã được hấp sấy, khử trùng
- Chỉ kim loại để buộc vật liệu
- Các dụng cụ, hóa chất cho quá trình làm tiêu bản: dung dịch cố định
Bouin, dung dịch khử canxi (Acid nitric 7.7%), thuốc nhuộm H.E
(Hematoxilin và Eosin).
- Kính hiển vi quang học
 Các bước tiến hành
Bước 1: Phẫu thuật đưa vật liệu vào cơ thể
- Thỏ được cạo lông vùng mông, gây tê tại chỗ, rạch da, tách cơ, đặt vật
liệu vào giữa khối cơ. Đóng vết mổ hai lớp.
- Chó được gây gãy xương cẳng chân thực nghiệm sau gây mê. Gây mê
bằng Ketamine 4ml/kg cân nặng, bơm tĩnh mạch cẳng chân chậm, theo dõi
các dấu hiệu sinh tồn của chó (nhịp thở, mạch).Làm sạch, sát trùng vùng mặt
trong đùi. Rạch da, bóc tách mô cơ, mô liên kết vào mặt trong xương cẳng

chân. Dùng nẹp bằng vật liệu thử nghiệm cố định (nẹp chế tạo cho phù hợp
với xương chó), bắt vít. Đóng vết mổ bằng chỉ line
- Chó được gây gãy xương cẳng chân thực nghiệm sau gây mê. Gây mê bằng
Ketamine 4ml/kg cân nặng, bơm tĩnh mạch cẳng chân chậm, theo dõi các dấu
hiệu sinh tồn của chó (nhịp thở, mạch). Làm sạch, sát trùng vùng mặt trong
đùi. Rạch da, bóc tách mô cơ, mô liên kết vào mặt trong xương cẳng chân.
Dùng nẹp bằng vật liệu thử nghiệm cố định (nẹp chế tạo cho phù hợp với
xương chó), bắt vít. Đóng vết mổ bằng chỉ line.
Bước 2: Theo dõi sau phẫu thuật ghép vật liệu:
+ Xử trí sau ghép: Theo dõi mạch, huyết áp, truyền dịch, dùng thuốc
kháng sinh.
+ Tình trạng toàn thân: ăn uống, hoạt động.
+Tình trạng tại chỗ: vết mổ, vùng xung quanh xem có sưng tấy, chảy
mủ hay dịch, đùn đẩy vật liệu ra ngoài hay không?
Bước 3: Đánh giá kết quả:
+ Đánh giá tại chỗ ghép vật liệu: viêm, đùn đấy vật liệu ra ngoài
25