Nghiên cứu phương pháp thiết kế chi tiết 3d cấy ghép trên xương người sử dụng vật liệu peek sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN THÀNH QUYẾT

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CHI TIẾT 3D CẤY GHÉP TRÊN
XƯƠNG NGƯỜI SỬ DỤNG VẬT LIỆU PEEK SINH HỌC

Chuyên ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
Mã số:17BKH- CĐT 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. NGUYỄN VĂN VINH

HÀ NỘI – Năm 2019

1


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan những kết quả có trong Luận văn là do bản thân tôi thực hiện
dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Vinh, các số liệu và kết quả

thực nghiệm là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào
khác.
Hà nội, ngày tháng 6 năm 2019
Người thực hiện

Nguyễn Thành Quyết

Nguyễn Thành Quyết

2


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn
Vinh người thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian,
tâm sức trao đổi góp ý cùng tơi trong q trình thực hiện luận văn.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Nguyễn Thị Kim Cúc cùng
các bạn sinh viên trong phòng lab 307 C45- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tơi có thể hồn thành luận văn.
Cuối cùng, nhưng rất quan trọng là lòng biết ơn xin được gửi tới Gia Đình
tơi, những người thân yêu nhất đã cùng chia sẻ, gánh vác công việc để tơi n tâm
hồn thành luận văn.

Tác giả

Nguyễn Thành Quyết

Nguyễn Thành Quyết

3


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA ......................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................2
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................3
MỤC LỤC ...................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................8
ĐẶT VẤN ĐỀ...........................................................................................................11
+ Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................13
+ Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................13
+ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: ......................................................13
+ Cấu trúc của luận văn.....................................................................................14
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP XƯƠNG NGƯỜI
SỬ DỤNG VẬT LIỆU PEEK SINH HỌC ...............................................................15
1.1

Kết quả nghiên cứu về phương pháp cấy phép xương người sử dụng vật

liệu PEEK sinh học trên thế giới và ở Việt Nam. .................................................15
1.1.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới ..............................................................15
1.1.2 Kết quả nghiên cứu tại Việt Nam.............................................................17

1.2 Vật liệu nhựa PEEK sinh học..........................................................................19
1.3 Phương pháp thiết kế dựng mảnh vá xương lấy mẫu từ xương tổn thương ...24
CHƯƠNG II: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CHI TIẾT 3D MẢNH
GHÉP KHUYẾT XƯƠNG .......................................................................................28

Nguyễn Thành Quyết

4


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

2.1 Nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết kế mảnh ghép xương từ dữ liệu
Dicom ....................................................................................................................28
2.2 Nghiên cứu thực nghiệm phương pháp thiết kế mảnh ghép xương sọ từ dữ
liệu Dicom .............................................................................................................31
2.3 Đặc điểm thiết kế một số sản phẩm theo công nghệ chế tạo gia công 3D .....36
2.3.1 Đặc điểm thiết kế, chế tạo khuôn mảnh vá hộp sọ bằng công nghệ ép
phun 3D .............................................................................................................37
2.3.2 Định hướng thiết kế, chế tạo khuôn lồi cầu xương hàm dưới bằng công
nghệ in 3D .........................................................................................................40
2.4 Đo lường kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm ..........................................43
Kết luận chương II: ...............................................................................................45
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM MẢNH GHÉP XƯƠNG SỌ VÀ HỐC
MẮT ..........................................................................................................................46
3.1 Thiết kế thực nghiệm mảnh vá xương hộp sọ .................................................46
3.1.1 Khái niệm về mảnh vá hộp sọ ..................................................................46
3.1.2 Cách dạng hư hỏng về mảnh vá hộp sọ ...................................................46

3.1.3 Yêu cầu của mảnh vá khuyết sọ ...............................................................48
3.1.4 Quy trình thiết kế .....................................................................................49
3.2 Thiết kế thực nghiệm mảnh vá xương hốc mắt ...............................................59
3.1.1 Khái niệm về mảnh vá xương hốc mắt ....................................................59
3.1.2 Cách dạng hư hỏng mảnh vá xương hốc mắt ...........................................60
3.1.3 Yêu cầu của mảnh vá xương hốc mắt ......................................................60
3.1.4 Quy trình thiết kế .....................................................................................60
Nguyễn Thành Quyết

5


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

3.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ ỨNG DỤNG THỰC TẾ ...............................................63
3.3.1 Ứng dụng thực tế phương pháp thiết kế vào một số bệnh nhân bị hội chứng
khuyết xương .........................................................................................................63
Kết luận chương III ...............................................................................................73
Kết quả chung ...........................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................75

Nguyễn Thành Quyết

6


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Một số tính năng của nhựa PEEK so với các loại nhựa nhiệt dẻo cao cấp
khác ...........................................................................................................................22
Bảng 2: So sánh phương pháp thiết kế từ dicom với phương pháp lấy mẫu trực tiếp
từ vết tổn thương .......................................................................................................30
Bảng 3: Đặc điểm thiết kế mảnh vá khuyết xương theo công nghệ chế tạo .............36

Nguyễn Thành Quyết

7


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mảnh vá hộp sọ phổ thơng bằng PEEK dạng tạo hình sẵn ......................18
Hình 1.2: Miếng vá bằng titan ..................................................................................19
Hình 1.3: Hình ảnh một bệnh nhân mắc hội chứng khuyết sọ ..................................20
Hình 1.4. Phương pháp thiết kế theo cơng nghệ cũ ..................................................25
Hình 2.1: Phương pháp thiết kế từ dữ liệu dicom .....................................................29
Hình 2.2: Sơ đồ các bước thực hiện thiết kế mảnh khuyết xương ............................31
Hình 2.3: Ảnh DICOM của một bệnh nhân bị chấn thương xương sọ. ....................33
Hình 2.4: Ảnh 3D thu được sau khi tải ảnh DICOM vào phần mềm........................33
Hình 2.5: Mơ hình 3D xương sọ ...............................................................................34
Hình 2.6: Mơ hình 3D xương sọ sau khi đã loại bỏ các thông tin không cần thiết. .35
Hình 2.7: Mơ hình xương sọ sau khi đã được tái tạo. ..............................................35

Hình 2.8 Mơ hình 3D mảnh vá sọ .............................................................................36
Hình 2.9 Qui trình dự kiến chế tạo mảnh vá hộp sọ .................................................37
Hình 2.10. Qui trình dự kiến chế tạo mảnh vá lồi cầu xương hàm dưới bằng cơng
nghệ in 3D .................................................................................................................40
Hình 2.11. Quy trình đo lường kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm..................43
Hình 3.1 Hình ảnh bệnh nhân bị khuyết sọ do tai nạn..............................................47
Hình 3.2 Hình ảnh bệnh nhân bị tiêu xương do phép xương tự thân .......................47
Hình 3.3: Đặc điểm của mảnh vá hộp sọ ..................................................................49
Hình 3.4. Quy trình thiết kế mảnh vá hộp sọ. ...........................................................50
Nguyễn Thành Quyết

8


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

Hình 3.5 Hình ảnh dữ liệu điểm 3D của bệnh nhân chụp bệnh của bệnh nhân sau
khi chụp cắt lớp .........................................................................................................51
Hình 3.6 Ảnh 3D tổn thương xương sọ của bệnh nhân.............................................51
Hình 3.7 Loại bỏ phần phần mảnh vá xương tự thân ...............................................52
Hình 3.8 Phần vỏ hộp sọ của bệnh nhân sau khi loại bỏ phần ghép xương tự thân 52
Hình 3.9 Tiến hành tái tạo lại phần xương khuyết nhờ biên dạng ngồi của vỏ hộp
sọ ...............................................................................................................................53
Hình 3.10 Phần vỏ hộp sọ sau khi được tiến hành vá...............................................53
Hình 3.11 Tiến hành tách phần mảnh vá hộp sọ ......................................................54
Hình 3.12 Hình ảnh mảnh vá hộp sọ ........................................................................54
Hình 3.13 dạng bề mặt của mảnh vá hộp sọ .............................................................55
Hình 3.14 Lắp phần mảnh vá vào phần vỏ hộp sọ ....................................................55

Hình 3.15 Tạo độ dày cho phần mảnh vá hộp sọ ......................................................56
Hình 3.16 Mảnh vá hộp sọ sau khi tạo độ dày được lắp trở lại hộp sọ ....................56
Hình 3.17 Tạo phần tai bắt vít của mảnh vá hộp sọ .................................................57
Hình 3.18 Hình ảnh mảnh vá hộp sọ sau khi thiết kế ...............................................57
Hình 3.19 Hình ảnh mảnh vá hộp sọ và vỏ hộp so in bằng cơng nghệ in 3D..........58
Hình 3.20 Hình ảnh mảnh xương ghép bằng cơng nghệ ép phun ............................59
Hình 3.22 Tổn thương tụt sàn hốc mắt xem dưới sạng 3D .......................................61
Hình 3.23 Tái tạo sàn hốc m .....................................................................................61
Hình 3.24 Tái tạo sàn hốc mắt ..................................................................................62
Hình 3.31 Ảnh chụp bệnh nhân .................................................................................63

Nguyễn Thành Quyết

9


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

Hình 3.3.3: Thiết kế hai mảnh ghép từ dữ liệu phục dựng 3D .................................64
Hình 3.3.5 Ảnh bệnh nhân sau khi phẫu thuật ghép .................................................65
Hình 3.3.6 Ảnh bệnh nhân trước khi điều trị ...........................................................65
Hình 3.3.7 Hình ảnh mảnh vá hộp sọ ......................................................................66
Hình 3.3.8 Ảnh bệnh nhân sau phẫu thuật ...............................................................67
Hình 3.3.9: Ảnh phục dựng 3D tổn thương của bệnh nhân ......................................67
Hình 3.3.10 Ảnh thiết kế mảnh ghép từ vùng tổn thương .........................................68
Hình 3.3.11: Ảnh file thiết kế mảnh vá hộp sọ ..........................................................68
Hình 3.3.12: Hình ảnh hộp sọ bệnh nhân sau khi tái tạo lại phần khuyết ...............69
Hình 3.3.14 : Hình ảnh dựng 3D sọ não bệnh nhân thứ hai bị bệnh khuyết sọ .......70

Hình 3.3.15: hình ảnh hộp sọ bệnh nhân sau khi tái tạo lại phần khuyết sọ .............70
Hình 3.3.1: Hình ảnh hộp sọ bệnh nhân sau khi tái tạo lại phần khuyết sọ .............71
Hình 3.3.17: Hình ảnh dựng 3D sọ não bệnh nhân thứ ba bị bệnh khuyết sọ..........72
Hình 3.3.18 Ảnh file thiết kế mảnh vá hộp sọ bệnh nhân. .......................................72
Hình 3.3.19 Ảnh chi tiết mảnh ghép được in bằng nhựa thường công nghệ in 3D ..73

Nguyễn Thành Quyết

10


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay dân số ngày càng tăng nhanh kéo theo đó là các thương tật, bệnh
tật và các tai nạn xảy ra trong xã hội. Các tai nạn thường gặp trong lao động sản
xuất, tai nạn giao thông… làm cho con người bị hư hỏng hoặc khiếm khuyết bộ
phận nào đó trên cơ thể. Nhưng bộ phận bị hư hỏng hay mất đi sẽ làm cho con
người cảm thấy khó khăn trong sinh hoạt và ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của họ.
Nếu như trước kia những bệnh nhân bị khuyết sọ hay các bệnh lý về xương …. phải
sống mặc cảm với mọi người xung quanh về vẻ bề ngồi của mình và khó khăn
trong đời sống sinh hoạt, thì giờ đây với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật cũng với
sự hỗ trợ của các loại của các vật liệu y sinh trong y học đã giúp cho cuộc sống của
họ được trở lại giống như người bình thường khác. Vì vậy tơi quyết định chọn đề
tài” Nghiên cứu phương pháp thiết kế chi tiết 3d cấy ghép trên xương

người sử dụng vật liệu PEEK sinh học “để tìm hiểu thêm cũng như góp phần
vào việc hồn thiện thêm cơng nghệ mới này sớm đưa cơng nghệ này vào thực tiễn

cuộc sống.
+ Tính cấp thiết của đề tài
Một cơ thể hoàn thiện là sự kết hợp của nhiều cơ quan. Mỗi một cơ quan lại
có một nhiệm vụ khác nhau, chức năng khác nhau nhưng đều là duy trì một cơ thể
hồn thiện nhất. Bộ xương người cũng vậy là một bộ phận không thể thiếu của cơ
thể, xương đóng vai trị cực kỳ quan trọng trong việc định hình khung cơ thể, cho
phép con người di chuyển và bảo vệ các cơ quan nội tạng. Có thể nói xương là một
bộ phận thiết yếu của cơ thể và con người không thể hoạt động bình thường nếu
thiếu các xương của bộ phận quan trọng này.

Nguyễn Thành Quyết

11


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

Xương người có vai trị quan trọng như vậy, tuy nhiên hiện nay có rất nhiều
ngun nhân gây ra tình trạng Khuyết xương. Nguyên nhân có thể do các vấn đề về
bệnh lý, cũng như các tác động của môi trường bên ngoài như các chấn thương do
tai nạn lao động hay tai nạn giao thơng dẫn tới tình trạng Khuyết xương hay phần
xương đó khơng đảm bảo được chức năng, nhiêm vụ vốn có của nó.
Do đó nhu cầu điều trị của bệnh nhân các chứng khuyết xương ngày càng
nhiều. Vật liệu và các phương pháp phẫu thuật có vai trị quan trọng trong việc tái
tạo thành cơng phần xương bị khiếm khuyết.
Hiện nay có nhiều phương pháp điều trị các bệnh lý về khuyết xương như
các phương pháp ghép xương tự thân với các tổn thưởng do tại nạn mà miếng
xương bị nứt vỡ đó cơ bản cịn nguyên vẹn, hoặc một số phương pháp thay thế

mảnh xương ghép bằng vật liệu khác như lưới Titan, vật liệu sinh học. Tuy nhiên
các phương pháp này bên cạnh có nhưng ưu điểm nhất định thì vẫn cịn tồn tại
những hạn chế.
Phương pháp điều trị bệnh lý khuyết xương bằng phương pháp sử dụng vật
liệu sinh học học C-PEEK đã và đang được nghiên cứu ứng dụng trên thế giới.
Tại Việt Nam phương pháp điều trị bệnh lý khuyết xương bằng vật liệu sinh
học PEEK đã bước đầu được nghiên cứu và thử nghiệm và đã đạt được một số kết
quả khả quan trong ứng dụng thực tế lâm sàng.
Tuy nhiên hiện nay phương pháp thiết kế, chế tạo họ vật liệu C-PEEK tại
việt nam cịn gặp nhiều khó khăn do đặc tính của vật liệu cũng như giá thành của
loại vật liệu này rất là cao. Vì vậy tác giả chọn hướng nghiên cứu này góp phần làm
hồn thiện công nghệ thiết kế cũng như chế tạo loại vật liệu này để có thể ứng dụng
một cách rộng rãi vào thực tế cuộc sống.

Nguyễn Thành Quyết

12


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

+ Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu phương pháp thiết kế 3D bộ phận xương cấy ghép trên người
sử dụng vật liệu PEEK sinh học từ dữ liệu ảnh chụp cắt lớp được chế tạo bằng
công nghệ 3D như in 3D, phun ép hoặc phay CNC.
+ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Bênh nhân bị các bệnh lý, khuyết tật về xương có nhu cầu thay thế xương để
đảm bảo các vấn đề về sức khỏe.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là xây dựng phương pháp thiết kế các mảnh
ghép từ dữ liệu chụp cắt lớp (chụp CT) một số bộ phận chính nhằm phục vụ nhu cầu
thực tế của các bác sỹ bên y tế.
+ Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn là kết hợp lý thuyết với thí nghiệm
kiểm chứng, sử dụng các phần mềm thiết kế 3D, kết hợp với nghiên cứu các kết quả
trong nước và trên thế giới để xây dựng phương pháp thiết kế thử nghiệm.
Thực hiện thiết kế thử nghiệm trên một số mảnh ghép khuyết xương của
bệnh nhân.
+ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
Nhu cầu nghành y về vật liệu cấy ghép, tạo hình, tái tạo khuyết hổng trong
cơ thể bằng vật liệu sinh học ngày càng tăng. Đây là thị trường có nhu cầu lớn và
lợi nhuận tăng tốc rất nhanh trên thế giới. Tại Việt nam, nhu cầu tạo hình điều trị và
thẩm mỹ có liên quan đến vật liệu sinh học tăng cao và được nhiều người biết đến.
Việc sử dụng mảnh vá hộp sọ trong các khoa Phẫu thuật thần kinh và lồi cầu xương
hàm dưới trong các khoa Răng Hàm Mặt của các bệnh viện, thay thế xương đùi
xương cánh tay các bệnh nhân ưng thư xương, thay thế các sản phẩm xương đỡ hốc
mắt. Tuy nhiên chủng loại sản phẩm chưa phong phú, chưa phù hợp cho từng bệnh
nhân và đắt do phải nhập từ nước ngồi. Vì vậy kết quả thu được từ nghiên cứu này
Nguyễn Thành Quyết

13


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

sẽ được ứng dụng tại các các địa chỉ trên và mở rộng cho các bệnh viện trên khắp cả
nước nhằm đạt hiệu quả điều trị cũng như hiệu quả kinh tế cao. Với nền tảng nghiên

cứu kế thừa từ các đề tài, nghiên cứu trước của các giáo sư ngành y, vật liệu y sinh
và phối hợp thực hiện của chủ nhiệm đề tài, nhóm nghiên cứu tiếp tục phát huy thiết
kế vừa khớp với từng tổn thương của từng bệnh nhân.
Ngồi ra, với việc ứng dụng cơng nghệ in 3D có thể chế tạo các mảnh vá
nhân tạo nhanh chóng và giá thành giảm sản phẩm sẽ đến được với nhiều bệnh nhân
cần cấy ghép hoặc thay thế xương hơn nữa, đặc biệt là các bệnh nhân nghèo.
+ Cấu trúc của luận văn
Luận văn được trình bày theo bố cục gồm 3 chương:
CHƯƠNG I: Tổng quan về phương pháp cấy ghép xương người sử dụng vật liệu
peek sinh học
CHƯƠNG II: Xây dựng phương pháp thiết kế chi tiết 3D mảnh phép khuyết xương
CHƯƠNG III: Thiết kế thực nghiệm mảnh ghép xương sọ và hốc mắt

Nguyễn Thành Quyết

14


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP XƯƠNG
NGƯỜI SỬ DỤNG VẬT LIỆU PEEK SINH HỌC
1.1 Kết quả nghiên cứu về phương pháp cấy phép xương người sử dụng vật
liệu PEEK sinh học trên thế giới và ở Việt Nam.
1.1.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới
Tạo hình khuyết xương là một trong những phẫu thuật lâu đời nhất trong lịch
sử tạo hình y khoa. Những vật liệu đầu tiên được tìm thấy khi khai quật là vỏ quả
bầu, quả dừa khô. Một sự kiện đáng chú ý là người ta tìm thấy một hộp sọ cổ xưa

tại Peru có niên đại đến 2000 năm với mảnh vá khuyết sọ trước trán bên trái bằng
vàng. Vật liệu được sử dựng tạo hình khuyết sọ trong thời gian này phụ thuộc vào
thứ hạng về kinh tế xã hội của bệnh nhân. Các kim loại quý chỉ được sử dụng cho
tầng lớp quý tộc. Trải qua hàng trăm năm cho đến nay con người vẫn đang cố gắng
tìm ra những vật liệu tạo hình khuyết xương lý tưởng. Có hai loại tái tạo mảnh vá
khuyết xương là tái tạo tự thân và tái tạo dị chất.
Vào cuối thế kỷ 19 Meekeren là người đầu tiên nghiên cứu thử nghiệm tạo
hình khuyết sọ bằng xương tự thân. Đối với tái tạo tự thân sử dụng mảnh sọ bằng
xương sọ của bệnh nhân hoặc của người hiến tặng được bảo quản lạnh sâu ở ngân
hàng mô. Đây là phương pháp sử dụng phổ biến đem lại kết quả khả quan cho bệnh
nhân. Tuy nhiên sau thời gian vài năm mảnh xương sọ tự thân có thể bị tiêu để lại di
chứng có thể sập mảnh sọ ảnh hưởng đến áp lực sọ lên các bộ phận khác như mắt.
Do vậy hiện nay loại ghép sọ tái tạo dị chất hay nhân tạo đang được lựa chọn khá
nhiều.
Trong thế chiến I và II do có nhiều thương binh có nhu cầu tạo hình khuyết
sọ nên hàng loạt các thử nghiệm với nhiều loại vật liệu được tiến hành như: Vàng,
bạc, nhôm, gốm sứ và các loại vật liệu tổng hợp như cement y sinh, titan,
hydroxyapatit methyl methacrylat, polyether ether ketone (PEEK)…

Nguyễn Thành Quyết

15


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

Trong vài năm qua vật liệu PEEK sinh học đã thu hút rất nhiều sự quan tâm
từ các nhà khoa học vật liệu và chỉnh hình vì nó phù hợp cho cấy ghép. Năm 2014

Ng Zy, Nawaz thông báo 12 bệnh nhân (75% nam giới, tuổi trung bình = 43,
khoảng 16-67) được tạo hình khuyết sọ bằng PEEK chế tạo từ chụp cắt lớp vi tính
có độ phân giải cao với kích thước phù hợp với mỗi bệnh nhân. Thời gian theo dõi
trung bình là 7 tháng. Thời gian tạo hình lại khuyết sọ sau phẫu thuật khoảng 10
tháng. Kích thước mảnh PEEK trung bình là 11 x 8 cm (khoảng 7×6 đến 14x8 cm).
Kết quả khơng có biến chứng của sự cố vỡ cấy ghép, nhiễm trùng vết thương, hoặc
rò rỉ dịch não tủy trong thời gian theo dõi. Tác giả kết luận: mảnh PEEK thiết kế
bằng máy tính là một phương pháp thay thế hữu hiệu khi mảnh xương tự thân
khơng có hoặc khơng phù hợp. Việc đạt độ chính xác cao của mảnh vá sẽ làm giảm
thời gian phẫu thuật đáng kể, nâng cao tính thẩm mỹ cho bệnh nhân.
Năm 2007 Horati u Rotaru và cộng sự thuộc trường Đại học Y dược Iuliu
Hatieganu – Romania [7] đã trình bày quy trình tạo ra các mảnh ghép thay thế cho
một ca phẫu thuật bằng cách sử dụng dữ liệu thu được từ ảnh chụp cắt lớp CT, tạo
mẫu nhanh và ép phun khuôn bằng thạch cao hoặc silicone cao su, sau đó sử dụng
vật liệu sinh học để ép phun các mảnh sọ thay thế cho bệnh nhân từ khn này.
Năm 2011 TS Lê Chí Hiếu và nhóm nghiên cứu của ơng ở trường ĐH Tổng
hợp Cadiff đã đề cập đến vấn đề thiết kế các mô hình thay thế riêng cho từng bệnh
nhân, nghiên cứu cũng chỉ giới thiệu đến một số phương pháp để tạo ra mơ hình
thay thế y sinh [8].
Năm 2014, một bệnh nhân bị bệnh dày cấu trúc xương sọ, gây ra áp lực ngày
càng tăng lên của não dẫn đến mất thị lực, suy giảm phối hợp cơ có nguy cơ tử
vong. Các nhà khoa học tại Đại học (UMC) ở Utrecht, Hà Lan đã nghiên cứu chế
tạo một hộp sọ bằng nhựa, đúng với kích thước để thay thế tồn bộ hộp sọ cho bệnh
nhân. Toàn bộ hộp sọ được sản xuất với sự giúp đỡ của Anatomics, một công ty
thiết bị y tế của Úc chuyên về in ấn 3D
Nguyễn Thành Quyết

16

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

. Theo Aherwar 2015: từ 2002 đến 2010 sử dụng vật liệu cấy ghép tăng 7 lần.
Gãy lồi cầu xương hàm dưới là loại chấn thương gãy xương khá phức tạp ở vùng
hàm mặt, chiếm tỉ lệ khá cao khoảng 30-55% trong gãy xương hàm dưới. Gãy lồi
cầu xương hàm dưới bao gồm gãy đầu lồi cầu và gãy cổ lồi cầu, trong đó gãy cổ lồi
cầu chiếm tỉ lệ trội hơn, khoảng 59% trong gãy lồi cầu. Gãy cổ lồi cầu sẽ ảnh hưởng
rõ rệt đến chức năng của hệ thống nhai, có thể để lại các di chứng như loạn năng
kớp, cứng khớp, rối loạn vận động hàm dưới, rối loạn tăng trưởng hàm dưới, sai
khớp cắn… Hiện nay, điều trị gãy cổ lồi cầu bằng phương pháp phẫu thuật đang
được chỉ định và thực hiện rộng rãi. Tuy nhiên thế giới đang có xu hướng sử dụng
lồi cầu nhân tạo được làm từ vật liệu y sinh, trong đó có PEEK.
Ở Mexico các mảnh ghép được chế tạo với một bộ cấy ghép tùy chỉnh bằng
Titan có giá khoảng 5000 USD, những bộ cấy ghép làm từ PEEK khoảng 7000
USD trở lên tùy thuộc vào kích thước của mảnh ghép và mảnh ghép làm bằng
PMMA có giá từ 600 USD.Song những tính chất của mảnh cấy ghép từ PEEK có
nhiều ưu điểm vượt trội về phù hợp sinh học.
1.1.2 Kết quả nghiên cứu tại Việt Nam
Hiện nay hướng nghiên cứu chế tạo mảnh ghép thay thế trong cơ thể người
đã được các nhà nghiên cứu tại Việt Nam nghiên cứu trong chục năm trở lại đây và
đạt được một số kết quả nhất định.
Năm 1996, Viện ứng dụng Công nghệ bắt đầu nghiên cứu chế tạo một số sản
phẩm vá khuyết hộp sọ dạng modun bằng composit carbon.
Năm 2012, Bùi Cơng Khê chủ trì đề tài cấp Bộ Y tế: “Nghiên cứu thiết kế,
chế tạo lồi cầu và thân xương hàm dưới bằng vật liệu y sinh C-PEEK”. Tuy nhiên
chưa áp dụng công nghệ 3D sản phẩm được thiết kế đơn giản chỉ có một kích thước
duy nhất, không dựa vào cấu trúc tổn thương trên bệnh nhân, chế tạo bằng ép phun
[11] . Trước khi thử nghiệm lâm sàng, sản phẩm cũng đã thử nghiệm trên động vật

về khả năng cấy ghép tại chỗ. Mặc dù đã được ứng dụng trên lâm sàng tại một số
Nguyễn Thành Quyết

17


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

bệnh viện như Quảng Ninh, Thanh Hóa nhưng do đơn điệu về kích thước bắt buộc
phải gia cơng lại nên hiện nay hầu như khơng cịn được các bác sỹ sử dụng.
Sau khi thử nghiệm đánh giá tính phù hợp sinh học, năm 2012 Bùi cơng Khê,
Ngơ Duy Thìn [12] đã nghiên cứu chế tạo hàng loạt những mảnh vá hộp sọ phổ
thơng, có đường kính 10cm, có khoan các lỗ (Hình 1.1) tại Trung tâm vật liệu mới
và được ứng dụng tại một số bệnh viện phía Bắc như Bệnh viện Quân y 17 Đà
Nẵng, Bệnh viện Đa khoa khu vực Bãi cháy - Quảng Ninh, Bệnh viện Đa khoa
Thanh Hóa. Kết quả đánh giá phẫu thuật tạo hình khuyết sọ băng tấm vá sọ trên 30
bệnh nhân tại Bệnh viện Đa khoa khu vực Bãi Cháy-Quảng ninh từ tháng 6/2011
đến tháng 10/2012 cho thấy kết quả tốt tương tự như cơng trình đã cơng bố tại Đại
học Washington Mỹ, đại học Maastrich -Hà Lan các tấm vá này là bằng vật liệu y
sinh PEEK đáp ứng hoàn toàn các tiêu chuẩn y học để đưa vào ứng dụng lâm sàng.
Tuy nhiên vì chế tạo đồng loạt và chỉ có một kích thước nên trước khi sử dụng bắt
buộc phải gia công lại cho phù hợp với từng ổ khuyết của từng bệnh nhân. Việc gia
công lại chưa kiểm sốt được quy trình và thời gian phẫu thuật tăng lên do phải gia
cơng lại ngay trong phịng mổ chưa đảm bảo được tính an tồn cho bệnh nhân. Do
vậy hướng nghiên cứu tiếp theo của nhóm nghiên cứu là tạo hình viếng vá cho phù
hợp với từng tổn thương của từng bệnh nhân.

Hình 1.1: Mảnh vá hộp sọ phổ thơng bằng PEEK dạng tạo hình sẵn

bệnh nhân tạo hình khuyết sọ tại BV Bãi Cháy

Nguyễn Thành Quyết

18


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

Năm 2017, nghiên cứu chế tạo bi sinh học từ vật liệu PEEK để độn hốc mắt
phục hình nhãn cầu đã được Công ty cổ phần Y sinh Ngọc Bảo thực hiện.
1.2 Vật liệu nhựa PEEK sinh học
Nước ta hiện nay cho thấy tỉ lệ tai nạn giao thông và tai nạn lao động liên
quan đến chấn thương sọ não chiếm tỉ lệ lớn. Trong số những vụ tai nạn đó, có rất
nhiều trường hợp bệnh nhân gặp phải tình trạng vỡ, mất đi một phần của hộp sọ.
Ngoài ra còn những trường hợp bệnh nhân làm phẫu thuật liên quan đến sọ não có
thể gặp những tình trạng khuyết hổng xương vòm sọ. Hiện nay ở Việt Nam và trên
thế giới đã có những biện pháp vá hộp sọ bằng những mảnh vá tự thân hay nhân tạo,
nhưng những biện pháp đó vẫn tồn tại những hạn chế.
Đối với miếng vá tự thân, nhược điểm của phương pháp này là giá thành
cao, kỹ thuật điều trị phức tạp và dễ xảy ra nguy cơ hoại tử, tiêu biến, gây nguy
hiểm cho não.
Đối với các miếng vá nhân tạo (hình 1.2), các nhà khoa học đã sử dụng giải
pháp tạo miếng vá bằng titan có độ bền cao, nhưng vẫn tồn tại những nhược điểm
như giá thành cao, nặng nề và dễ hấp thụ nhiệt độ

Hình 1.2: Miếng vá bằng titan
Nguyễn Thành Quyết

19


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

Sự phát triển của công nghệ 3D đã mang đến những giải pháp tạo ra những
miếng vá bằng vật liệu nhựa y sinh, khắc phục được nhiều hạn chế của những
phương pháp trước đó. Từ đó nhóm đã tập trung nghiên cứu và phát triển công nghệ
3D đối với những vật liệu y sinh, phù hợp để cấy ghép vào cơ thể người như PEEK,
PMMA và đã cho những kết quả tốt.

Hình 1.3: Hình ảnh một bệnh nhân mắc hội chứng khuyết sọ
Trước những yêu cầu về thay thế và ghép các mảnh vá xương hộp sọ tại Việt
Nam, cần có một cơng nghệ mới khắc phục nhược điểm của các phương pháp trước
đó, có ưu thế vượt trội hơn.
Cần lựa chọn vật liệu làm mảnh ghép mảnh sọ để đảm bảo cơ tính và an tồn
sinh học cao. Các vật liệu truyền thống như kim loại trơ (Titanium) thì có hiệu ứng
điện thế dẫn tới kim loại hóa tế bào và mô đun đàn hồi cao. Phát triển hơn là vật liệu
xi măng y sinh nhưng nó cũng mang nhược điểm là đóng rắn nhanh khơng kịp tạo
hình hồn chỉnh và phụ thuộc vào sự khéo léo của kĩ thuật viên, đặc biệt là khi
Nguyễn Thành Quyết

20


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

mảnh sọ cần ghép có kích thước lớn hoặc ở các vị trí có biên dạng đặc biệt như hốc
mắt. Ghép sọ tự thân là thích hợp nhất đối với cơ thể nhưng quá trình quá phức tạp,
tỉ lệ thành cơng thấp, hơn nữa chi phí lại q cao. Với sự phát triển trong ngành vật
liệu gần đây, sự ra đời của compozit cacbon (PEEK) đang được chú trọng với sự ưu
việt là thích ứng cao với cơ thể người. Hơn nữa loại vật liệu này đã được thử
nghiệm lâm sàng, được chế tạo thành mảnh vá hộp sọ và cấy ghép thành công cho
bệnh nhân khuyết sọ trên thế giới. Do đó vật liệu nhựa PEEK là phù hợp.
Cơng nghệ để chế tạo các mảnh vá hộp sọ hay các khớp xương nối tay là
chưa có, chủ yếu vẫn là nhập ngoại. Tuy rằng đã có ghép xương tự thân, nhưng như
đã nói ở trên thì nó q phức tạp và đắt, hơn nữa ở Việt Nam thì tỉ lệ thành cơng là
rất thấp.
*Vật liệu C-PEEK: dạng hạt kích thước 3-5mm. Hàm lượng nhựa
PEEK/nanocarbon: 95/5. Nhựa hạt VICTREX C-PEEK 450G dễ chế tạo dụng cụ y
tế, xuất sứ Anh quốc với tiêu chuẩn kỹ thuật sau:
Tỷ trọng ở 23oC: 1,4g/cm3
Điểm nóng chảy: 370-375oC
Độ bền uốn: 300 Mpa
Modun đàn hồi: 21 Gpa (tương xứng ở xương người là 17 Gpa)
Đây là loại vật liệu đã được quốc tế thương mại hóa và được Bộ Y tế cấp
giấy phép sử dụng trong y tế.
* Vật liệu C-PEEK (cacbon polyether ether keton) là vật liệu gồm:
- Nhựa nền (PEEK- polyether ether keton): có nhiều ưu điểm ứng dụng
trong y học (Modul đần hồi tương ứng với modul của xương người; không cản
quang; tương thích sinh học và bền sinh học lâu dài, vật liệu không nhiễm từ, dễ tiệt
trùng, đặc biệt bền hoá học, bền va đập, bền mỏi và bền bào mòn tuyệt vời…)
Nguyễn Thành Quyết

21

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

Nhựa PEEK được đặc trưng độ bền cao, đặc biệt trong môi trường thuỷ phân
và bền với các bức xạ ion hoá. PEEK hiện được xem là một trong những vật liệu
sinh học có tiềm năng, có thể tiệt trùng bằng phương pháp khác nhau: hơi khô, hơi
ẩm, chiếu xạ gamma… mà độ bền, cấu trúc, các đặc trưng cơ lý hố khác khơng
hoặc ít bị thay đổi.
Tính chất cơ học của PEEK được trình bày ở Bảng 1.
Ở nhiều nước, PEEK được cấp chứng chỉ bởi tiêu chuẩn tương thích sinh học
ISO 10993, chứng chỉ cho phép sử dụng trong sản xuất dụng cụ cấy ghép (medical
devices) MAF; trong sản xuất thuốc MDF (drug masterfile). PEEK là nhựa chịu
nhiệt cao, là nhịp cầu giữa Polyamid và nhựa Polyimid. Tính chất cơ học của PEEK
nguyên chất chưa gia cường (so sánh với PA12 và K (polyimid)).
Bảng 1. Một số tính năng của nhựa PEEK so với các loại nhựa nhiệt dẻo cao cấp
khác
Các đặc trưng cơ lý

PA12

PEEK

Độ bền kéo (MPa)

52

100

Độ bền uốn (MPa)

95

170

Modul uốn (GPa)

1,5

4

3,8

6,4

1,9

Độ bền va đập (KJ/m2)

K (polyimid)

Độ hút ẩm (%)

1,5

0,5

2

Đỉnh kết tinh Tg (DSC)

45

144

250

220

390

550

0

C

Nhiệt độ gia cường (0C)

Nguyễn Thành Quyết

22


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

Đặc biệt những thí nghiệm trước đây cho thấy ngâm nhựa PEEK trong
huyết thanh sinh lý 5000 giờ không làm ảnh hưởng tới tính chất cơ lý của nó là vật
liệu khơng hề bị ăn mịn.
Với các tính năng nêu trên, khi PEEK được gia cường bởi sợi carbon,
chúng ta hồn tồn có thể chế tạo compozit với một vài tính năng mong muốn.
- Sợi gia cường :
Các loại sợi cacbon và nanocarbon được chọn làm sợi gia cường cho
compozit trên nền nhựa PEEK.
Ống nanocarbon cũng có thể chứa các phân tử sinh học và vì vậy chúng
cũng đang được chú ý nghiên cứu trong công nghệ sinh học. Độ bền, độ đàn hồi độc
đáo cũng tìm được những ứng dụng mới trong công nghệ nano. Compozit trên cơ sở
ống nanocarbon có thể có độ bền lý tưởng cho các ứng dụng như làm cơ, gân nhân
tạo cho y học.
Cơ sở cho nghiên cứu này là các kết quả nghiên cứu ngoài nước về lĩnh
vực này đã được đăng trên các tạp chí Journal of Material Science, Composites,
Biomaterials, 2002-2005.
Nhựa PEEK vốn có độ bền cao. Khi gia cường bằng sợi nanocarbon 510%, độ bền và modul, tính dẫn điện và nhiệt của nhựa PEEK tăng tuyến tính.
Trong nghiên cứu này, nhựa PEEK gia cường bằng sợi nanocarbon được
tạo thành màng để dùng làm nền cho compozit sợi carbon-PEEK. Hàm lượng sợi
nanocarbon được chọn 5-10%.
Cùng với những tiến bộ mới của khoa học công nghệ về vật liệu, từ 2004,
Trung tâm Công nghệ Vật liệu đã chế tạo các sản phẩm y sinh mới bằng vật liệu

Nguyễn Thành Quyết

23


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

compozit C-PEEK (carbon polyetheretherketon), vật liệu này có nhiều tính năng ưu
việt sau:
-

Modun đàn hồi tương thích với modun của xương người;

-

Khơng cản quang;

-

Tương thích sinh học và bền sinh học lâu dài;

-

Vật liệu không nhiễm từ;

-

Bền trong môi trường hoá học;

-

Dễ tiệt trùng;

-

Bền va đập, bền mỏi và bền mài mòn cao.

1.3 Phương pháp thiết kế dựng mảnh vá xương lấy mẫu từ xương tổn thương
Nước ta hiện nay cho thấy tỉ lệ tai nạn giao thông và tai nạn lao động liên
quan đến chấn thương sọ não chiếm tỉ lệ lớn. Trong số những vụ tai nạn đó, có rất
nhiều trường hợp bệnh nhân gặp phải tình trạng vỡ, mất đi một phần của hộp sọ.
Ngồi ra cịn những trường hợp bệnh nhân làm phẫu thuật liên quan đến sọ não có
thể gặp những tình trạng khuyết hổng xương vòm sọ. Hiện nay ở Việt Nam và trên
thế giới đã có những biện pháp vá hộp sọ bằng những mảnh vá tự thân hay nhân tạo,
nhưng những biện pháp đó vẫn tồn tại những hạn chế.
Hiện nay ở Việt Nam, ngành y chưa thể tạo được file 3D của các mảnh vá
xương khuyết xương này dù đã liên kết với ngành kỹ thuật từ trước đó, xong vẫn
chưa thực sự hiệu quả. Đây cũng chính là nguyên nhân khiến ngành y chưa làm chủ
được công nghệ 3D trong việc thay thế xương. Bài tốn khó khăn này có thể giải
quyết triệt để khi thực hiện thành công xây dựng file 3D xương mảnh vá hộp sọ từ
file chụp CT của bệnh nhân.
Dưới đây là hình trình bày phương pháp tạo một mảnh vá ghép xương đang
được sử dụng trong thực tế (hình 1.4)
Nguyễn Thành Quyết

24


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

Bước 1: Bệnh nhân bị khuyết xương sẽ được tạo hình mảnh khuyết xương từ thạch
cao lấy mẫu tại nơi tổn thương
Bước 2: Số hóa 3D mảnh ghép xương bằng việc sử dụng các phương pháp quét 3D

Bước 3: Tạo hình mảnh ghép bằng việc sử dụng các phần mềm chỉnh sửa 3D
Bước 4: Gia công mảnh ghép xương bằng việc sử dụng các cơng nghệ 3D tương
ứng.

Hình 1.4. Phương pháp thiết kế theo công nghệ cũ
Đặc điểm của phương pháp thiết kế này là.
Ưu điểm

Nguyễn Thành Quyết

25