DACN tìm hiểu về vật liệu y sinh bản sửa 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGHÀNH KTVL

TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU Y SINH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Th.S Nguyễn Việt Bách

Huỳnh Trường An

B1705336

Nguyễn Lý Tâm Anh B1705337
Lê Mạnh Can

B1705339

Nghành: Kỹ thuật vật liệu-Khóa 43

Tháng 06/2020



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
------------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGHÀNH KTVL

TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU Y SINH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Th.S Nguyễn Việt Bách

Huỳnh Trường An

B1705336

Nguyễn Lý Tâm Anh B1705337
Lê Mạnh Can

B1705339

Nghành: Kỹ thuật vật liệu-Khóa 43

Tháng 06/2020


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh

LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th.S Nguyễn Việt Bách là
cán bộ hướng dẫn cũng là người trực tiếp chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi
nhất để chúng em có thể hoàn thành tốt đồ án này. Nếu không có lời hướng dẫn, dạy bảo
của thầy thì chúng em nghĩ bài báo cáo này rất khó có thể thực hiện được. Một lần nữa,
em xin chân thành cảm ơn thầy.
Trong quá trình thực hiện đề tài, sai sót là điều khó tránh khỏi, cũng như kinh
nghiệm thực tiễn còn hạn chế, chúng em rất mong nhận được những ý kiến góp ý, hỗ
trợ của thầy, cô để chúng em có thể học tập thêm kinh nghiệm và nâng cao kiến thức
của mình và sẽ hoàn thành tốt hơn các đồ án sắp tới.
Trân trọng cảm ơn ǃ
Tháng 06/2020
Nhóm 01

Nhóm 01

i


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i
MỤC LỤC ............................................................................................................. ii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................... iv
DANH SÁCH HÌNH ..............................................................................................v
DANH SÁCH BẢNG ........................................................................................... vi
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................... vii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Y SINH .........................................1
1.1

KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU Y SINH ....................................................1

1.2

LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU Y SINH
.................................................................................................................1

1.3

PHÂN LOẠI VẬT LIỆU Y SINH ..........................................................3

1.4

CÁC YÊU CẦU KHI LỰA CHỌN VẬT LIỆU Y SINH .......................3

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT SẢN XUẤT VẬT LIỆU Y SINH..............................5
2.1

KỸ THUẬT IN 3D ..................................................................................5

2.1.1 In li-tô lập thể ......................................................................................5
2.1.2 Mô hình hóa lắng đọng nóng chảy ......................................................6
2.1.3 Thiêu kết laser chọn lọc.......................................................................6
2.1.4 In 3D sinh học .....................................................................................6
2.2

KỸ THUẬT PHỦ BỀ MẶT ....................................................................7

2.2.1 Phun plasma ........................................................................................7

2.2.2 Kỹ thuật sol-gel ...................................................................................8
CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC CỦA
VẬT LIỆU Y SINH ĐỐI VỚI CƠ THỂ NGƯỜI ...........................................................9
3.1

ĐÁNH GIÁ IN VITRO ...........................................................................9

3.1.1 Kiểm tra độc tính .................................................................................9
3.1.2 Kiểm tra nhiễm độc gen ....................................................................10
3.1.3 Kiểm tra tính tương thích máu ..........................................................10
Nhóm 01

ii


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh
3.2

ĐÁNH GIÁ TRÊN MÔ HÌNH ĐỘNG VẬT ........................................11

3.2.1 Thử nghiệm tính chức năng của vật liệu ...........................................11
3.2.2 Thử nghiệm tính không chức năng....................................................11
3.2.3 Thử nghiệm ex vivo ..........................................................................11
3.3

ĐÁNH GIÁ SỬ DỤNG LÂM SÀNG ...................................................11

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU Y SINH VÀO TRONG CÁC
LĨNH VỰC Y HỌC.......................................................................................................13
4.1 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU Y SINH VÀO TRONG LĨNH VỰC

NHA KHOA PHỤC HỒI ..........................................................................................13
4.1.1 Vật liệu sứ nha khoa trong nha khoa phục hồi ..................................13
4.1.2 Vật liệu kim loại/hợp kim trong nha khoa phục hồi .........................15
4.1.3 Vật liệu composite trong nha khoa phục hồi .....................................17
4.2 ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU Y SINH TRONG LĨNH VỰC
CHẤN THƯƠNG CHỈNH HÌNH .............................................................................19
4.2.1 Silicone trong chấn thương chỉnh hình .............................................19
4.2.2 Vật liệu gốm y sinh Hydroxyaphatit (HAp) ......................................20
4.2.3 Cacbon nano composite trong chấn thương chỉnh hình ....................20
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN ...................................................................................21
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................22

Nhóm 01

iii


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
FDA

Cục quản lí thực phẩm và dược phẩm Mĩ

ISO

Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế

Hb

Huyết sắt tố

ASTM

Hiệp hội thử nghiệm vật liệu Mĩ

USP

Hội đồng dược điển hoa kỳ

ADA

Hiệp hội nha khoa hoa kỳ

Bis-GMA

Bisphenol A-glycidyl methacrylate

UDMA

Urethane dimethacrylate

TEGDMA

Triethylene Glycol Dimethacrylate

MPS

3-Methacryloxy propyl trimethoxy silane

CAD/CAM

Thiết bị có sử dụng thiết kế máy tính và hỗ trợ máy tính

VNH

Độ cứng Vicker

HAp

Hydroxyaphit

CNT

Ống nano cacbon

CNF

Sợi nano cacbon

PND

Hạt nano cacbon

SLA

In li-tô lập thể

SLS

Thiêu kết laser chọn lọc

FDM

Mô hình hóa lắng đọng nóng chảy

Nhóm 01

iv


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh

DANH SÁCH HÌNH
Hình 1-1 Vật liệu y sinh thay thế chức năng xương khớp ....................................................... 1
Hình 1-2 Số lượng bài báo khoa học qua các năm và tốc độ tăng trưởng ............................. 2
Hình 2-1 Cánh tay giả được tạo bằng phương pháp in li-tô lập thể ....................................... 5
Hình 2-2 Quá trình thiêu kết laser chọn lọc ............................................................................. 6
Hình 2-3 Quá trình phun plasma............................................................................................... 7
Hình 2-4 Sơ đồ thể hiện quy trình sol-gel ................................................................................. 8
Hình 3-1 Quy trình kiểm tra nhiễm độc gen .......................................................................... 10
Hình 4-1 Phục hồi răng bằng phương pháp cấy ghép implant ............................................. 13
Hình 4-2 Cấu trúc hóa học của silicone................................................................................... 19
Hình 4-3 Công thức hóa học của HAp .................................................................................... 20

Nhóm 01

v

Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1-1 Sự khác biệt của vật liệu y sinh có nguồn gốc sinh học và vật liệu y sinh có
nguồn gốc tổng hợp ............................................................................................................................... 3
Bảng 4-1 Độ bền uốn của sứ nha khoa phụ thuộc vào bản chất pha tinh thể và phương pháp
gia công................................................................................................................................................. 14
Bảng 4-2 Phân loại vật liệu dựa trên cơ sở thành phần kim loại quý .................................. 16
Bảng 4-3 Đặc tính cơ học của hợp kim trong nha khoa ........................................................ 16
Bảng 4-4 Cấu tạo và đặc điểm của các nhóm răng sứ-kim loại ........................................... 17

Nhóm 01

vi


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh

LỜI MỞ ĐẦU
Khi xã hội ngày càng phát triển, con người mong muốn có một cuộc sống chất
lượng hơn, thoải mái hơn và vấn đề sức khỏe luôn luôn được đặt lên hàng đầu. Theo đó
y học phát triển vượt bậc, nhiều loại thuốc mới ra đời, máy móc trang thiết bị hiện đại
cũng lần lượt xuất hiệt đặc biệt là sự phát triển của một nhân tố quan trọng chính là Vật
liệu y sinh - các dạng vật liệu mới có khả năng thích ứng với cơ chế sinh học – sinh lý
của cơ thể người. Thông thường, vật liệu y sinh sẽ được tìm thấy ở các ca phẫu thuật
thẩm mỹ (filter độn cằm V-Line, silicone độn ngực ở phụ nữ), nha khoa (răng sứ), phẫu
thuật chỉnh hình (ốc vít cố định xương bị gãy),… Nhu cầu sử dụng đến vật liệu y sinh
ngày một cao, mở ra cho Công nghệ vật liệu y sinh một kỉ nguyên mới, kỉ nguyên của
sự phát triển vượt bậc về các loại vật liệu y sinh.
Ở Việt Nam, các vật liệu y sinh đã và đang được sử dụng rất rộng rãi và được con

người tiếp nhận theo một chiều hướng rất tích cực, ví dụ như: filter, silicone, gốm sứ,..
Hơn nữa, ở nước ta đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về Vật liệu y sinh như Nhóm
nghiên cứu tại Phòng Vật liệu Nano Y sinh, Viện Khoa học Vật, Viện Hóa học tiến hành
nghiên cứu ứng dụng của chitosan cấu trúc nano trong y sinh học (chế tạo hệ dẫn thuốc,
gốm y sinh…) và xử lý môi trường (kháng khuẩn, hấp phụ kim loại nặng), bằng phương
pháp điện hóa, các nhà khoa học thuộc Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam đã tổng hợp thành công màng hydroxyapatit (HAp) để phủ lên
bề mặt vật liệu hợp kim y sinh, sử dụng trong ngành phẫu thuật chấn thương chỉnh
hình,…
Chính vì vậy, bài báo cáo “Tìm hiểu về vật liệu y sinh” được thực hiện nhằm mục
đích đưa cái nhìn khái quát về vật liệu y sinh, những yêu cầu khắc khe khi lựa chọn vật
liệu, các kỹ thuật sản xuất vật liệu và một số ứng dụng của chúng.

Nhóm 01

vii


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Y SINH
1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU Y SINH [1]
Vật liệu y sinh là các loại vật liệu có sẵn trong tự nhiên hoặc được tổng hợp (không
phải là thuốc) khi đưa vào cơ thể con người thì có khả năng thích ứng với cơ chế sinh
học – sinh lí của cơ thể nhằm mục đích chuẩn đoán, phòng ngừa, chữa bệnh hoặc thay
thế các bộ phận hư hỏng của con người (Hình 1-1). Một số vật liệu y sinh phổ biến hiện
nay như da nhân tạo, van tim nhân tạo, răng giả, mạch máu nhân tạo,…

Hình 1-1 Vật liệu y sinh thay thế chức năng xương khớp[16][2]

1.2 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU
Y SINH [1][17][18][1],[3],[4]
Vật liệu y sinh đã được sử dụng vào các lĩnh vực y học từ rất lâu đời mặc dù lúc
đó vẫn chưa có khái niệm về vật liệu y sinh, điển hình là người Maya đã tạo ra được
những chiếc răng xà cừ từ vỏ sò vào khoảng 600 năm sau công nguyên và ở châu Âu
người ta phát hiện được chiếc răng bằng sắt được cấy ghép vào miệng tử thi có niên đại
khoảng 200 năm sau công nguyên. Qua từng thời kỳ việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu
y sinh vào trong y học ngày càng phát triển không dừng lại ở việc nghiên cứu ứng dụng
thay thế thế răng mà còn nghiên cứu ứng dụng thay thế nhiều bộ phận khác đặc biệt là
trong thời kỳ cuối chiến tranh thế giới thứ hai nhiều loại vật liệu như kim loại, gốm,
Nhóm 01

1


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh
polymer được sử dụng với tần suất cao. Sau chiến tranh thế giới thứ hai kết thúc thì việc
nghiên cứu phát triển ứng dụng vật liệu y sinh vào y học phát triển chậm lại nguyên
nhân là do các bác sĩ có rất ít cơ hội để hợp tác với những nhà khoa học và kỹ sư. Bên
cạnh đó ở thời kỳ này sự quan tâm của chính phủ đến chăm sóc sức khỏe của con người
rất hạn chế. Đến khoảng 60 năm trở lại đây thì việc áp dụng vật liệu y sinh vào trong y
học bắt đầu bùng nổ mạnh mẽ và đạt được nhiều thành tựu như năm 1969 Levitt và các
cộng sự đã nghiên cứu và ứng dụng thành công Hydroxyaphatite vào trong việc chữa trị
bệnh về xương. Trong khoảng thời gian năm 1982 - 1985 bác sĩ William DeVries đã
ghép tim nhân tạo có tên “Jarvik” vào một bệnh nhân và giúp bệnh nhân đó sống 620
ngày sau khi cấy ghép. Bên cạnh đó 10 năm trở lại đây số lượng bài báo nghiên cứu
khoa học về lĩnh vực vật liệu y sinh xuất bản hàng năm vô cùng lớn (Hình 1-2).

Hình 1-2 Số lượng bài báo khoa học qua các năm và tốc độ tăng trưởng[19][5]

Năm 2009 số lượng bài báo nghiên cứu khoa học về lĩnh vực y sinh là 9015 bài báo và
số bài báo tăng dần qua các năm đến năm 2019 số lượng bài báo đạt 23539, tốc độ tăng
trưởng mỗi năm dao động từ 7,4% – 15,71% duy nhất năm 2012 tốc độ tăng trưởng là
2,66% nguyên nhân tốc độ tăng trưởng năm 2012 thấp hơn so với các năm khác là do
sự biến động lớn về chính trị như Đông Bắc Á dậy sóng trong tranh giành biển đông,
Triều Tiên hai lần phóng tên lửa đưa vệ tinh lên vũ trụ, nhiều cuộc biểu tình của người
Nhóm 01

2


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh
Hồi giáo ở Mỹ, khủng hoảng kinh tế vây hãm ở Châu Âu, … Từ đó dẫn đến các nguồn
kinh phí tài trợ nghiên cứu về lĩnh vực vật liệu y sinh giảm xuống.
1.3 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU Y SINH [1]
Dựa vào nguồn gốc, vật liệu y sinh được chia làm hai loại là vật liệu y sinh có
nguồn gốc sinh học và vật liệu y sinh có nguồn gốc tổng hợp. Vật liệu y sinh có nguồn
gốc sinh học và vật liệu y sinh có nguồn gốc tổng hợp có sự khác biệt nhau về các đặc
tính ví dụ như vật liệu y sinh có nguồn gốc sinh học có nhiều tế bào, có khả năng tự sửa
chữa một phần hoặc toàn bộ tế bào còn vật liệu có nguồn gốc tổng hợp thì ngược lại. Sự
khác biệt được thể hiện cụ thể thông qua bảng 1-1.
Bảng 1-1 Sự khác biệt của vật liệu y sinh có nguồn gốc sinh học và vật liệu y sinh có nguồn
gốc tổng hợp

STT Vật liệu y sinh có nguồn gốc sinh học Vật liệu y sinh có nguồn gốc
tổng hợp
1

Có tế bào

Không có tế bào

2

Có nước

Khan

3

Không đẳng hưởng

Đẳng hướng

4

Không đồng nhất

Đồng nhất

5

Tính nhớt, dẻo

Đàn hồi, mền dẻo

6

Có khả năng tự sửa chữa/sống

Không sống

Dựa vào tương tác vật liệu với môi trường cơ thể, vật liệu y sinh được chia làm hai
loại là vật liệu hoạt tính sinh học và vật liệu có tính trơ sinh học. Vật liệu hoạt tính sinh
học là loại vật liệu khi cấy ghép vào cơ thể con người sẽ xảy ra các tương tác hóa học
giữa vật liệu với môi trường sống. Vật liệu trơ sinh học là vật liệu khi đưa vào cơ thể
con người chúng không có bất kỳ một tương tác hóa học nào trong môi trường sống.
1.4 CÁC YÊU CẦU KHI LỰA CHỌN VẬT LIỆU Y SINH [1][14][13][1],[6],[7]
Việc lựa chọn vật liệu để trở thành vật liệu y sinh cần phải chú ý đến tính tương
hợp sinh học, khả năng khử trùng, có tính chức năng, khả năng chế tạo. Ngoài ra vật liệu
còn phải kháng được sự xói mòn, không sinh độc tính cũng như không sinh khối u khi
đi vào cơ thể con người.

Nhóm 01

3


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh
Tính tương hợp sinh học là khả năng hòa hợp giữa vật liệu và cơ thể. Nếu tính
tương hợp sinh học kém thì vật liệu sẽ bị đào thải hoặc làm cho các tế bào ở nơi cấy
ghép vật liệu bị hoại tử.
Khả năng khử trùng là khả năng vật liệu chịu được sự khử trùng. Các kỹ thuật khử
trùng như khử trùng tia gamma, khí ethylen oxit, hấp hơi nước, ...
Tính chức năng phụ thuộc vào hình dáng của vật liệu.
Khả năng chế tạo: nhiều loại vật liệu có tính tương hợp sinh học nhưng không thể
chế tạo được do đó không có khả năng ứng dụng vào y sinh. Vì vậy khả năng chế tạo
cũng là một yếu tố quan trọng trong các yêu cầu lựa chọn vật liệu y sinh.

Nhóm 01

4


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh

CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT SẢN XUẤT VẬT LIỆU Y SINH

Việc lựa chọn các phương pháp chế tạo phù hợp để sản xuất vật liệu y sinh là một
trong những vấn đề thách thức trong lĩnh vực khoa học y tế bởi vì những loại vật liệu
khác nhau sẽ mang những đặc tính khác nhau.
2.1 KỸ THUẬT IN 3D [2][8]
In 3D là một kỹ thuật mới và hiện đại cho thấy tiềm năng lớn để cung cấp khả năng
kiểm soát hoàn toàn các chi tiết cấu tạo như kích thước lỗ rỗng, ảnh hưởng của tính chất
lỗ xốp. Trong in 3D, các lớp vật liệu được đắp chồng lên nhau và định dạng dưới sự
kiểm soát của máy tính để tạo ra vật thể. Có nhiều công nghệ in 3D khác nhau như
in li-tô lập thể (SLA) , mô hình hóa lắng đọng nóng chảy (FDM), thiêu kết laser chọn
lọc (SLS)và in 3D sinh học.
2.1.1 In li-tô lập thể [2][8]
SLA là một quy trình sản xuất hoàn thành trong thời gian ngắn và cho phép tạo ra
các sản phẩm chức năng trong vòng một ngày. Trong phương pháp này, bằng cách
áp dụng chùm tia điện tử hoặc tia UV, một phản ứng dây chuyền sẽ bắt đầu. Các
monomer có hoạt tính UV và sẽ chuyển đổi chuỗi này thành chuỗi polymer. Một
mô hình 3D được xây dựng từng lớp trên nền tảng di động. Sau đó, một tia laser chạm
vào vật chứa, củng cố các bộ phận cần thiết để đạt được việc tạo ra nguyên mẫu SLA.

Hình 2-1 Cánh tay giả được tạo bằng phương pháp in li-tô lập thể[20][9]

Nhóm 01

5


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh
2.1.2 Mô hình hóa lắng đọng nóng chảy [2][8]
FDM là một kỹ thuật in 3D thường được áp dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau,
đặc biệt là các polymer. Các vật liệu được chế tạo qua quá trình ép đùn, các bộ phận tạo
thành từng lớp. Một trong những vấn đề thách thức trong phương pháp này là khó khăn
trong việc sản xuất trực tiếp vật liệu tổng hợp polymer-gốm. Các kỹ thuật sản xuất bổ
sung khác như ép đùn là cần thiết để tạo ra các sợi nhỏ phù hợp cho FDM.
2.1.3 Thiêu kết laser chọn lọc [2][8]
Về cơ bản SLS tương tự như SLA, sử dụng chùm tia laser như nguồn năng lượng
để thiêu kết vật liệu dạng bột, định hướng các laser tự động tại các điểm trong không
gian nhờ một mô hình 3D, kết nối vật liệu với nhau để tạo ra một kết cấu vững chắc.

Hình 2-2 Quá trình thiêu kết laser chọn lọc[12][10]

2.1.4 In 3D sinh học [2][8]
In 3D sinh học là việc sử dụng kỹ thuật in 3D để kết hợp các tế bào, các yếu tố
tăng trưởng để bắt chước đặc điểm của mô tự nhiên. Quá trình in 3D sinh học được thực
hiện theo ba bước: chuẩn bị, in và xử lí sau in.
2.1.4.1

Chuẩn bị

Chuẩn bị là quá trình tạo ra một mô hình mà sau này máy in sẽ tạo. Một trong
những bước đầu tiên là thu thập sinh thiết của cơ quan. Các công nghệ phổ biến được
sử dụng cho in sinh học là chụp cắt vi tính (CT) và chụp cộng hưởng từ (MRI). Để in
theo từng lớp, việc tái tạo cấu trúc chụp cắt lớp được thực hiện trên hình ảnh. Các hình

ảnh 2D hiện tại sau đó được gửi đến máy in sẽ được thực hiện. Khi hình ảnh được tạo,
Nhóm 01

6


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh
các ô nhất định sẽ được tách biệt và nhân lên. Những tế bào này sau đó được trộn với
một vật liệu hóa lỏng đặc biệt cung cấp oxy và các chất dinh dưỡng khác để giữ cho
chúng sống.
2.1.4.2

In

Trong bước thứ hai hỗn hợp chất lỏng của các tế bào và các chất dinh dưỡng sẽ
được gọi là mực sinh học và được đặt trong hộp mực máy in. Kế đó, đốt nóng đầu in
để tạo ra các xung áp suất không khí từ đó tạo ra các giọt từ vòi phun.
2.1.4.3

xử lí sau in

Quá trình hậu xử lý giúp tạo ra một cấu trúc ổn định từ vật liệu sinh học. Nếu quá
trình này không được duy trì tốt, tính toàn vẹn và chức năng cơ học của vật thể in 3D có
nguy cơ thay đổi.
2.2 KỸ THUẬT PHỦ BỀ MẶT
2.2.1 Phun plasma [10][11]
Công nghệ phun plasma nhờ năng lượng cao của nguồn nhiệt hồ quang plasma
gián tiếp của đầu phun mà vật liệu được nung chảy và phun vào chi tiết. Khái niệm hồ
quang plasma gián tiếp ở đây có nghĩa là hồ quang được tạo nên trong các bộ phận
cathode và anode của đầu phun, còn chi tiết không được tiếp xúc với nguồn điện. Khí

trơ hoặc các chủng loại khí khử dưới áp lực lớn được thổi vào khoảng giữa cathode và
anode, dưới tác động của hồ quang bị ion hoá ở nhiệt độ rất lớn. Luồng plasma được
phun qua đầu phun với vận tốc cao, bột phun được hút vào luồng khí này, nóng chảy và
bay ra phủ lên bề mặt chi tiết. Trên bề mặt chúng liên kết lại thành lớp phủ xốp. Sự liên
kết giữa các hạt chủ yếu bằng quá trình chảy kết và bám dính lên bề mặt bằng lực cơ
học. Bề mặt vật phủ có nhiệt độ thấp nên không xảy ra quá trình khuếch tán.

Hình 2-3 Quá trình phun plasma[22][12]

Nhóm 01

7


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh
2.2.2 Kỹ thuật sol-gel [2][8]
Phương pháp sol-gel là phương pháp đơn giản nhất để tạo ra gốm có kích thước
micro. Để tổng hợp theo phương pháp này trước hết cần phải tạo sol bằng cách phân tán
các hạt rắn vào dung môi thích hợp để tạo thành dung dịch keo. Từ sol sẽ được xử lý
hoặc để lâu dần cho già hóa thành gel. Kế đó sấy khô ở nhiệt độ cao để loại nước, từ đó
tạo thành sản phẩm.

Hình 2-4 Sơ đồ thể hiện quy trình sol-gel

Nhóm 01

8


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh

CHƯƠNG 3
QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC CỦA
VẬT LIỆU Y SINH ĐỐI VỚI CƠ THỂ NGƯỜI

Trong nhiều thập kỷ, những rủi ro của các vật liệu y sinh trong y học đã dẫn đến
sự chú ý của các nhà khoa học. Nhiều chuyên gia và tổ chức tiêu chuẩn đã đề nghị
kiểm tra và đưa ra những quy định về tính tương thích sinh học giữa vật liệu với cơ thể
người. Tiêu chuẩn được đề xuất bởi các tổ chức như cơ quan quản lí thực phẩm và dược
phẩm (FDA) và tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO). Đánh giá tính tương hợp sinh học
thường xảy ra theo một quy trình từ các nghiên cứu invitro, nghiên cứu động vật và cuối
cùng đến kiểm tra việc sử dụng lâm sàng.
3.1 ĐÁNH GIÁ IN VITRO [3][13]
Kiểm tra In vitro được thực hiện bên ngoài cơ thể của một sinh vật sống nơi vật
liệu được kiểm tra đặt tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với các tế bào hoặc một thành
phần riêng biệt của sinh vật. Có hai loại tế bào có thể được sử dụng: tế bào sơ cấp và
dòng tế bào liên tục. Tế bào sơ cấp được lấy từ một sinh vật sống sau đó trực tiếp nuôi
cấy và phát triển tế bào trong môi trường nhân tạo. Các tế bào chỉ phát triển ở một thời
gian nhất định trong trường môi nuôi cấy, nhưng có thể giữ lại nhiều tế bào có tính đặc
trưng ở cơ thể sinh vật. Dòng tế bào liên tục được biến đổi thành tế bào sơ cấp có thể
phân chia với tần số không giới hạn. Do sự biến đổi đó, những tế bào có thể không giữ
lại được tất cả những điểm đặc trưng ở cơ thể sinh vật, nhưng chúng có thể biểu hiện
được nhiều tính đặc trưng của cơ thể. Kiểm tra In vitro nói chung là nhanh hơn, rẻ hơn,
và có thể lặp lại nhiều lần hơn so với các thử nghiệm in vivo. Ngoài ra kiểm tra in vitro
cho phép kiểm soát được môi trường của tế bào và việc xác định chi tiết của phản ứng
của vật liệu đối với tế bào. Tuy nhiên, việc kiểm tra in vitro trong các thử nghiệm lâm
sàng vẫn còn đáng nghi ngờ.
3.1.1 Kiểm tra độc tính [3][23][26][13],[14],[15]
Theo tiêu chuẩn quốc tế (ISO 10993-5) về kiểm tra độc tính trong in vitro. Các tế
bào sẽ được nuôi trong môi trường nhân tạo sau đó sẽ được tiếp xúc với vật liệu thử

nghiệm trong một khoảng thời gian. Tùy thuộc vào bản chất vật liệu, nơi sử dụng và bản
chất sử dụng, các tế bào sẽ được kiểm tra bằng các phép thử tiếp xúc trực tiếp, tiếp xúc
gián tiếp hoặc phép thử chiết xuất chất lỏng.
Khả năng gây độc tố của vật liệu sẽ được đánh giá bằng phương pháp định lượng
hoặc định tính:
Nhóm 01

Định tính: Các tế bào sẽ được đánh dấu bằng chất nhuộm màu tế bào.
Những tế bào sống sẽ có màu giống với màu chất nhuộm và gắn liền với
9


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh

-

môi trường nuôi cấy, những tế bào chết sẽ tách khỏi môi trường nuôi cấy
trong quá trình định hình. Kết quả độc tố của đánh giá định tính được đo
bằng số tế bào thiếu hụt trong môi trường.
Định lượng: Đánh giá độc tố định lượng bằng cách đánh giá hàng loạt các
thông số khác nhau như: số lượng tế bào còn sống, lượng protein, lượng
giải phóng chất nhuộm,…

3.1.2 Kiểm tra nhiễm độc gen [25][26][16],[17]
Vật liệu “ nhiễm độc gen” là bất kỳ vật liệu có thể gây hại cho gen hay các thành
phần khác của tế bào kiểm soát tính toàn vẹn của gen.
Phương pháp thử nghiệm Ames thường được sử dụng trong đánh giá nhiễm độc
gen của vật liệu. Theo phương pháp này (Hình 3-1), chủng vi khuẩn Salmonella
typhimurium mang đột biến điểm để ngăn ngừa sự tổng hợp axit amin histidine. Điều
này có nghĩa là tế bào có chứa vi khuẩn Salmonella typhimurium sẽ không thể phát triển

được nếu không có axit amin. Tế bào này sẽ được nuôi cấy trong môi trường có chứa
vật liệu cần khảo sát độc tính. Nếu đột biến gen xảy ra quá trình đảo ngược gen sẽ bắt
đầu các khuẩn lạc sẽ xuất hiện, số lượng khuẩn lạc xuất hiện sẽ quyết định vật liệu đó
có ảnh đến gen hay không.

Hình 3-1 Quy trình kiểm tra nhiễm độc gen
3.1.3 Kiểm tra tính tương thích máu [3][13]
Kiểm tra khả năng tương thích máu chính là kiểm tra sự tương tác của vật liệu đó
đối với máu có thể tạo ra các Hb (huyết sắc tố). Vật liệu sẽ được ủ ở một khoản thời

Nhóm 01

10


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh
gian nhất định trong dung dịch máu được pha loãng bằng nước muối. Kết quả của khả
năng tương thích máu của vật liệu được thể qua số lượng các Hb, thời gian đông máu.
3.2 ĐÁNH GIÁ TRÊN MÔ HÌNH ĐỘNG VẬT [3][13]
Động vật được thử ngiệm trong việc đánh giá tính tương hợp sinh học của vật liệu
thường là động vật có vú như chuột, thỏ, khỉ, … nguyên nhân là do cấu tạo của cơ thể
động vật này có tính tương đồng với cấu tạo của thể người từ đó có thể dự đoán được
khả năng gây hại của vật liệu đến con người. Đánh giá tính tương hợp sinh học trên động
vật phải tuân thủ theo tiêu chuẩn của các tổ chức chính phủ như FDA và các cơ quan
điều hành như ASTM, ISO, USP.
Các nhà nghiên cứu phải tối thiểu sự tín nhiệm về mặt khoa học trong việc sử dụng
các động vật sống và phải giảm đến mức tối thiểu việc gây ra đau đớn, nguy hiểm và
các tác hại khác cho động vật thử nghiệm.
3.2.1 Thử nghiệm tính chức năng của vật liệu [1]
Thử nghiệm này cần ghép một vật liệu có chức năng vào cơ thể động vật ví dụ như

ghép khớp háng và tim trong những vùng tổ chức của động vật theo cách phẫu thuật
tương tự của người. Những vật liệu sử dụng ngắn hạn sẽ được cấy vào các loài gậm
nhấm hay thỏ; những vật liệu sử dụng dài hạn sẽ được cấy ghép vào những loài động
vật có tuổi thọ trung bình hoặc dài như chó, cừu, lợn. Sau khi vật liệu được cấy ghép
vào động vật sẽ được quan sát và kiểm tra về độ bám dính, tính tương thích, khả năng
tụ máu của vật liệu.
3.2.2 Thử nghiệm tính không chức năng [3][13]
Trong trường hợp này, các mẫu có hình dạng bất kỳ được ghép vào mô mềm (dưới
da, trong cơ, trong bụng) qua quy trình tiểu phẫu. Nghiên cứu này cần khoảng thời gian
ngắn (vài ngày đến vài tháng) nhưng cung cấp thông tin giá trị về các tương tác mô-vật
liệu y sinh tại chỗ và các biến chứng hệ thống như gây kích ứng da, sưng, viêm,…
3.2.3 Thử nghiệm ex vivo [1]
Các động mạch – tĩnh mạch và tĩnh mạch – tĩnh mạch được lấy từ máu của động
vật, qua thử nghiệm vật liệu và đưa trở lại cơ thể động vật. Trong trường hợp này, các
dữ liệu thu nhận được để xác định tính tương hợp sinh học máu của vật liệu là sự tích
lũy protein, sự bám dính tế bào máu và sự đóng cục trên bề mặt vật liệu.
3.3 ĐÁNH GIÁ SỬ DỤNG LÂM SÀNG [1]
Nếu các thử nghiệm in vitro và trên động vật đã thành công thì cũng không thể tiên
đoán được tác động của vật liệu trên người nếu không có các thử nghiệm lâm sàng. Các
thử nghiệm lâm sàng phải thành công trước khi các bộ phận giả được sử dụng rộng rãi
cho bệnh nhân. Quy trình đánh giá sử dụng lâm sàng chỉ được thực hiện trên các
Nhóm 01

11


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh
tình nguyện viên (người khỏe mạnh và người mắc bệnh cụ thể tương ứng với các loại
vật liệu). Người tham gia thử nghiệm phải được mua bảo hiểm cho các rủi ro khi cấy
ghép vật liệu mới. Hơn nữa, các quy trình chi tiết mô tả vật liệu, quá trình phẫu thuật,

xử lý hậu phẫu, chăm sóc người thử nghiệm và các đánh giá khác như so sánh sức khỏe
của người nhận trước và sau khi cấy ghép, so sánh người nhận với người khỏe mạnh
cùng nhóm thích hợp (tuổi, giới tính, môi trường sống và làm việc…) phải phù hợp với
các quy định của FDA nhằm bảo vệ quyền lợi của những người tham gia trong thử
nghiệm lâm sàng.

Nhóm 01

12


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh

CHƯƠNG 4
ỨNG DỤNG VẬT LIỆU Y SINH VÀO TRONG CÁC LĨNH VỰC Y HỌC

4.1 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU Y SINH VÀO TRONG LĨNH VỰC NHA KHOA
PHỤC HỒI [14][6]
Nha khoa phục hồi là một nhóm nghành của y nha khoa, nghiên cứu về việc tái lập
các mô cứng của răng hoặc một nhóm răng bị tổn thương do bệnh lý hoặc chấn thương.
Thủ thuật phổ biến để tái lập răng là nhổ bỏ răng. Sau đó, răng mất sẽ được lắp
bằng răng giả hoàn toàn hoặc một phần. Đối với những bệnh nhân mất răng bẩm sinh
hoặc có sự bất thường trong cấu trúc hàm mặt do chấn thương, ứng dụng thủ thuật tái
lập trên sẽ không hiệu quả cao. Trong trường hợp này, phẫu thuật cấy ghép răng là giải
pháp tốt nhất (Hình 3-1). Những vật liệu thường được sử dụng trong tái lập và cấy ghép
là vật liệu kim loại/hợp kim, gốm và vật liệu composite.

Hình 4-1 Phục hồi răng bằng phương pháp cấy ghép implant[27][18]

4.1.1 Vật liệu sứ nha khoa trong nha khoa phục hồi

4.1.1.1

Giới thiệu [4][19]

Vật liệu sứ sử dụng trong nha khoa phục hồi có bản chất là vật liệu vô cơ không
kim loại và đòi hỏi nhiệt độ cao trong quá trình gia công.
Vật liệu sứ có độ cứng lớn nhưng có tính giòn và độ bền kéo kém. Đặc tính này
tương tự đặc tính của răng nên việc áp dụng sứ vào trong nha khoa có phần thích hợp.
Bên cạnh đó vật liệu sứ có tính cách nhiệt tốt, bền vững trong môi trường miệng có màu
giống răng thật và chịu được các loại khử trùng. Sứ trong nha khoa được xử lí thông qua
Nhóm 01

13


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh
công nghệ sản xuất phụ gia bằng các kỹ thuật khác nhau như: ép đùn, phun vật liệu,
phun chất kết dính.
4.1.1.2

Phân loại sứ nha khoa [4][19]

Cấu trúc của sứ nha khoa gồm pha thủy tinh bao bọc xung quanh pha tinh thể. Tỉ
lệ pha thủy tinh càng cao, sứ càng trong và độ bền chống nứt gãy càng thấp. Bên cạnh
tỉ lệ pha thủy tinh thể hiện độ trong của vật liệu sứ nha khoa thì bản chất, mật độ của
pha tinh thể và phương pháp chế tạo (bảng 3-1) thể hiện các đặc tính cơ học của sứ nha
khoa.
Bảng 4-1 Độ bền uốn của sứ nha khoa phụ thuộc vào bản chất pha tinh thể và phương pháp
gia công

Pha tinh thể

Độ bền uốn (Mpa)

Phương pháp gia công

Zirconia (ZrO2)

900

CAD/CAM

Alumina (Al2O3)

650

Feldspar (KAlSi3O8)

105

Leucite (KalSi2O6)

135

Alumina (Al2O3)

446

Spinel (MgAl2O4)

378

Zirconia (ZrO2)

604

Leucite (KalSi2O6)

121

Lithium disilicate (Li2Si2O5)

350

Lithium Phosphate (Li3PO4)

164

Leucite (KalSi2O6)

104

Alumina (Al2O3)

139

Fluorapatite (Ca5(PO4)3F)

80

Leucite (KalSi2O6)

70

Đút trược

Ép nhiệt

Thiêu kết

Sứ-kim loại thiêu kết

Vật liệu sứ trong nha khoa được sử dụng cho phục hình sứ-kim loại (mão và cầu),
phục hình toàn sứ (mão, cầu, inlay, onlay) và phục hình tháo lắp (răng sứ cho hàm giả).
Nhóm 01

14


Đề tài: Tìm hiều về vật liệu y sinh
4.1.2 Vật liệu kim loại/hợp kim trong nha khoa phục hồi
4.1.2.1

Giới thiệu [1]

Kim loại và hợp kim (hỗn hợp pha trộn hai hay nhiều nguyên tố kim loại hoặc phi
kim nhằm cải thiện mội số đặc tính cơ học và lý học) được sử dụng trong nha khoa phục
hồi vì có độ bền và độ cứng cao, tuy nhiên hợp kim được sử dụng phổ biến hơn kim loại
bởi vì những đặc tính của hợp kim ưu việt hơn kim loại.
Kim loại/hợp kim trong nha khoa phục hồi thường được sử dụng để làm inlay,

onlay, mão và các phục hình cố định kim loại-sứ, kim loại- nhựa,… vì vậy kim loại/hợp
kim cần phải đáp ứng được các đòi hỏi chung như sau:
-

Có tính tương hợp sinh học, không gây độc tính và dị ứng đối với người
sử dụng.
Có tính kháng ăn mòn và không bị thay đổi trong môi trường miệng.
Các tính chất cơ học và lí học phải đáp ứng với các giá trị tối thiểu và thay
đổi phù hợp cho các ứng dụng khác nhau trong phục hình.
Dễ gia công và không phản ứng với vật liệu làm khuôn đúc, giá của vật
liệu tạo thành không được quá đắt.
4.1.2.2

Phân loại [20]

Hợp kim trong nha khoa được phân loại từ năm 1932 bởi hiệp hội nha khoa Hoa
Kỳ (ADA) và Ban vật liệu nha khoa tại Văn phòng quốc gia về tiêu chuẩn Hoa Kỳ và
được hoàn thiện dần cho đến hiện tại năm 2003.
Năm 1932, Ban vật liệu nha khoa tại Văn phòng quốc gia về tiêu chuẩn Hoa Kỳ
đã phân loại hợp kim thành bốn typ:
-

Typ I: mền, số độ cứng Vickers (VNH) từ 50 – 90
Typ II: trung bình, VNH 90 – 120
Typ III: cứng, VNH 120 – 150
Typ IV: rất cứng, VNH ≥ 150

Phân loại của ADA cũng gồm bốn loại như trên nhưng chỉ áp dụng cho hợp kim vàng.
Năm 1984, ADA dựa trên cơ sở thành phần kim loại quý phân loại hợp kim thành
hợp kim rất quý, hợp kim quý, hợp kim thường (bảng 4-2) nhằm mục đích ước lượng

giá cả của phục hồi cần cho bác sĩ, kỹ thuật viên, bệnh nhân và các cơ quan bảo hiểm.

Nhóm 01

15