Tài liệu CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU TRONG Y SINH HỌC pptx

CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU TRONG Y SINH HỌC
ThS. Trần Lê Bảo Hà
I. VẬT LIỆU SINH HỌC
1. Khái niệm
Một vật liệu sinh học là bất kỳ chất hoặc hợp chất nào (không phải là
thuốc) có nguồn gốc tổng hợp hoặc tự nhiên, được dùng để điều trị, tăng cường
hoặc thay thế mô, cơ quan hoặc chức năng của cơ thể (NIH)
Vật liệu sinh học là các vật liệu (tổng hợp và tự nhiên, rắn và lỏng) được sử
dụng trong các thiết bị y học (medical device) hoặc trong tiếp xúc với hệ sinh học
(University of Washington Engineered Biomaterials).
Mặc dù các vật liệu sinh học chủ yếu được ứng dụng trong y học nhưng
chúng cũng được sử dụng trong nuôi cấy tế bào, xử lý các phân tử sinh học trong
công nghệ sinh học, thủy sản, nông nghiệp…
2. Phân loại
Vật liệu sinh học được phân thành: vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học và vật
liệu sinh học tổng hợp.
- Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học: vật liệu mô mềm và mô cứng
- Vật liệu sinh học tổng hợp: kim loại, polymer, gốm, composit
2.1. Sự khác biệt giữa vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học và vật liệu sinh
học tổng hợp
Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học và vật liệu sinh học tổng hợp có các
đặc tính khác nhau đáng kể. Ví dụ, mô gồm nhiều tế bào; kim loại, gốm, polymer
thì không có tế bào. Mô có khả năng tự sửa chữa một phần hoặc toàn bộ; kim loại,
gốm, polymer thì không…
Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học Vật liệu sinh học tổng hợp
Có tế bào
Có nước
Không đẳng hướng
Không đồng nhất
Viscoelastic
Có khả năng tự sửa chữa/sống

Không có tế bào
Khan
Đẳng hướng
Đồng nhất
Mềm dẻo, đàn hồi
Không sống
1
Ví dụ về sự khác nhau giữa mô và vật thay thế mô: thành mạch máu. Lót trong
lòng mạch máu là các tế bào nội mô. Các thành phần cấu trúc chính dưới nội mô
gồm các tế bào cơ trơn, collagen và elastin. Số lượng các thành phần này và hướng
của các sợi phụ thuộc vào vị trí trong mô mạch, loại mạch (động mạch, tĩnh mạch)
và kích thước của mạch máu. Để thay thế mô phức tạp này, các ống polymer
polytetrafluoroethylene hoặc poly(ethylene terephthalate) thường được sử dụng
làm vật ghép tổng hợp.
Các loại mô và một số vật liệu sinh học được sử dụng để thay thế
Mô Vật liệu tổng hợp thay thế
Mạch máu
Kính sát tròng
Hông
Răng
Polytetrafluoroethylene
Poly(ethylene terephthalate)
Polymethylmethacrylate
Ti-6Al-4V
Co-Cr-Mo
Amalgam
Ti
2.2. Phân loại vật liệu sinh học
I. Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh
học

II. Vật liệu sinh học tổng hợp
1. Mô mềm
Da, gân, màng ngoài tim, giác mạc
1. Polymer
Ultra High Molecular Weight
Polyethylene
( UHM WPE),
Polymethylmethacarylate
(PMMA), Polyethyletherketone
(PEEK),
Silicone, Polyurethane (PU),
Polytetrafluoroethylene (PTFE)
2. Mô cứng
Xương, răng
2. Kim loại
Thép không gỉ, hợp kim Cobalt (Co-Cr-
Mo), hợp kim Titan (Ti-Al-V),vàng,
2
bạch kim
3. Gốm
Alumina (A 1203), Zirconia (Zr02),
Carbon,
Hydroxylapatite [CalO( PO&( OH)z],
Tricalcium Phosphate [Caj(PO4)2],
Bioglass [Na20( CaO)(P203)(Si02)],
Calcium Aluminate [Ca(A1204)]
4. Composit
Carbon Fiber (CF)/PEEK,
CF/UHMWPE,
CF/PMMA , Zircon idSil icdB IS –

GMA
3. Yêu cầu
Các vật liệu sinh học phải có các đặc tính đặc biệt như: tính tương hợp sinh
học, không sinh khối u, kháng xói mòn, có độc tính thấp. Tuy nhiên, tùy thuộc vào
ứng dụng, các vật liệu cần đạt các yêu cầu khác nhau. Đôi khi, các yêu cầu này
ngược nhau hoàn toàn. Ví dụ: trong công nghệ mô xương, khung (scaffold)
polymer cần có khả năng phân hủy sinh học để khi các tế bào tạo ra chất nền ngoại
bào của riêng chúng thì vật liệu polymer sẽ được thay thế hoàn toàn. Trong van
tim cơ học, các vật liệu cần có tính ổn định sinh học, kháng xói mòn và không
phân hủy theo thời gian (tồn tại hơn 20 năm).
Nói chung, các yêu cầu của vật liệu sinh học có thể được phân thành 4
nhóm:
1) Tính tương hợp sinh học: vật liệu phải không gây phản ứng không tốt
của vật chủ nhưng kích thích sự hòa hợp mô - vật ghép tốt. Sự xuất hiện phản ứng
viêm là điều cần thiết trong tiến trình lành hóa vết thương. Tuy nhiên, sự viêm kéo
dài có thể chỉ ra sự hoại tử mô hoặc không có tính tương hợp.
2) Có thể khử trùng: vật liệu có thể chịu được sự khử trùng. Các kỹ thuật
khử trùng gồm: tia gamma, khí (ethylene oxid) và hấp hơi nước. Một số polymer
như polyacetal sẽ khử polymer hóa và sinh ra khí độc formaldehyd khi được chiếu
dưới tia gamma năng lượng cao. Do đó, cách tốt nhất để khử trùng các polymer
này là khí ethylene oxid.
3) Có tính chức năng: Tính có chức năng của một bộ phận giả tùy thuộc
vào khả năng tạo được hình dáng phù hợp với một chức năng đặc biệt. Do đó, vật
liệu phải được tạo hình dáng bằng các quy trình chế tạo công nghệ. Sự thành công
3
của stent động mạch vành (loại vật liệu y học được sử dụng rộng rãi nhất) được
cho là nhờ quy trình chế tạo hiệu quả thép từ việc xử lý nhiệt để tăng độ bền của
nó.
4) Có thể chế tạo: Nhiều vật liệu có tính tương hợp sinh học nhưng trong
khâu cuối cùng (khâu chế tạo thành công cụ) không thực hiện được.

II. TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC CỦA VẬT LIỆU
II.1. TỔNG QUÁT VỀ ĐÁP ỨNG MIỄN DỊCH ĐẶC HIỆU (THE
SPECIFIC IMMUNE RESPONSE)
Đáp ứng miễn dịch đặc hiệu là phản ứng bình thường của động vật có
xương sống khi một vật lạ được đưa vào cơ thể. Đây là một phản ứng bảo vệ để
giải độc, trung hòa và giúp loại trừ vật lạ.
Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các phản ứng với những vật không độc
có thể gây hại cho cơ thể chủ như các phản ứng dị ứng hoặc quá mẫn.
Các đáp ứng được phân thành bốn loại: loại I, loại II, loại III, loại IV. Bốn
đáp ứng này theo một cơ chế thông thường, được kích động do sự hiện diện của
một vật lạ là kháng nguyên (antigen). Các tế bào trình diện kháng nguyên (antigen
processing cell - APC), thường là tế bào đơn nhân (monocyte) hoặc đại thực bào
(macrophage) hay tế bào bạch tuộc (dendritic) da, bắt kháng nguyên, xử lý nó (cắt
bằng enzym) và chuyển nó (trình diện) đến tế bào khác là tế bào lympho T hỗ trợ
(T helper cell - T
h
). Sau đó, tế bào T
h
trình diện kháng nguyên đã được xử lý cho
một tế bào lympho T khác là tế bào T độc (T cytotoxic cell - T
c
) hoặc cho tế bào
lympho B (tế bào B). Tế bào nhận (tế bào T hoặc B) bắt đầu một đáp ứng tác động
kháng nguyên đã được xử lý, tạo một phức hợp hoạt động. Trong trường hợp tế
bào nhận là tế bào T thì đáp ứng miễn dịch là loại IV hay miễn dịch qua trung gian
tế bào. Trường hợp tế bào nhận là tế bào B, kết quả cuối cùng là giải phóng kháng
thể tự do, dẫn đến đáp ứng loại I, II, III thuộc thể dịch. Trong đáp ứng tế bào T,
các tế bào T sẽ tập trung ở vùng hiện diện vật lạ. Trong khi các tế bào B vẫn ở xa
(trong các mô bạch huyết), các kháng thể lưu thông và xuất hiện tại vùng có vật lạ.
Các đặc điểm chính của bốn loại đáp ứng:

Loại Kháng
thể
Các tế bào liên
quan
Các chất trung
gian
Kết quả
I IgE Tế bào B Histamin, các
amin vận mạch
Ngứa, viêm mũi,
giãn mạch
II IgG, IgM Tế bào B Histamin, các
amin vận mạch
Giãn mạch
III IgG, IgM Tế bào B Các amin vận Đau, sưng, nghẽn
4
mạch mạch, giãn mạch
IV Không có Tế bào T Cytokin Đau, sưng
Tế bào T và tế bào B tăng sinh từ một tế bào gốc và trải qua quá trình xử lý
trong tuyến ức để trở thành các tế bào T hoặc trong một vùng chưa biết (có lẽ là
tủy xương) để trở thành các tế bào B. Rất khó phân biệt hai loại tế bào này. Có thể
nhận diện các tế bào T thông qua các marker duy nhất trên bề mặt tế bào nhờ sử
dụng các kháng thể đơn dòng. Các kháng nguyên này là các dấu ấn cụm biệt hóa
(cluster differentiation markers - CDs). Có nhiều loại CD và tầm quan trọng của
mỗi loại đang được đánh giá. Tuy nhiên, tất cả tế bào T đều biểu hiện CD3 và
được xem là dấu ấn tế bào T Pan (Pan = all - tất cả). CD2 cũng có thể là một dấu
ấn tế bào T Pan. Ngoài ra, tế bào T
h
còn biểu hiện CD4, trong khi tế bào T
c

biểu
hiện CD8.
Tế bào B có một ít kháng thể trên bề mặt và có thể nhận diện tế bào B dựa
vào các kháng thể này. Đáp ứng tế bào B dẫn đến biệt hóa thành tương bào sản
xuất nhiều kháng thể hơn. Kháng thể là một globulin miễn dịch (Immunoglobulin
- Ig) có các vùng kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên. Kháng thể có thể hòa tan,
tuần hoàn trong huyết tương.
Có 5 lớp Ig. Nồng độ Ig trong máu người bình thường từ cao nhất đến thấp
nhất là IgG, IgM, IgA, IgE, IgD. IgE là kháng thể có liên quan đến đáp ứng loại I.
IgA là một Ig tiết, có nồng độ cao trong nước bọt, dạ dày-ruột, sữa và các cơ quan
liên quan. IgG và IgM có nồng độ cao trong máu và là các kháng thể “xuất sắc”
cho thử nghiệm miễn dịch học vì chúng có thể tham gia đáp ứng loại II và loại III.
Kết quả của đáp ứng loại I và loại II là giống nhau nhưng cơ chế khác nhau.
Đáp ứng loại I được biết rõ nhất là sốt và dị ứng bụi và là đáp ứng miễn dịch với
các kháng nguyên qua trung gian kháng thể cố định trên da (IgE). Đáp ứng loại II
liên quan đến phản ứng của IgG (hiếm khi IgM) với một kháng nguyên bề mặt tế
bào. Kết quả là ly giải tế bào cùng với giải phóng các sản phẩm. Điều này thường
thấy trong dị ứng thuốc mà gắn với tiểu cầu máu.
Đáp ứng loại III được xem là các phản ứng phức hợp miễn dịch và xảy ra
khi cả kháng nguyên và kháng thể hiện diện cùng một lúc với số lượng lớn. Trong
đáp ứng miễn dịch bình thường, kháng nguyên được xử lý, đáp ứng miễn dịch bắt
đầu và kháng nguyên nhanh chóng biến mất. Tuy nhiên, nếu kháng nguyên bền thì
số lượng rất lớn các phức hợp miễn dịch có thể được tạo ra làm tắc nghẽn các
mạch máu nhỏ và kết quả là hư hỏng mô hoặc cơ quan.
Đáp ứng loại IV liên quan đến sự hiện diện thường xuyên của vật ngoại lai,
như là một vật liệu sinh học ghép. Điển hình là chứng viêm da tiếp xúc do cây
thường xuân (ivy) độc.
5
Trong mỗi trường hợp, một kháng nguyên kích thích đáp ứng miễn dịch và
đáp ứng miễn dịch trở lại phản ứng đặc hiệu với kháng nguyên. Mỗi tế bào T, mỗi

tế bào B và mỗi kháng thể lưu thông chỉ nhận biết một kháng nguyên. Để một chất
là sinh kháng nguyên, nó phải lạ với cơ thể chủ, trọng lượng phân tử cao (> 3000),
và có thể được xử lý bởi một APC. Tuy nhiên, một số chất nhỏ cũng có thể trở
thành sinh kháng nguyên nhờ gắn với các phân tử vật mang lớn hơn, thường là các
protein, trong cơ thể chủ. Một chất nhỏ như vậy được gọi là hapten và đáp ứng
miễn dịch xảy ra với phức hợp vật mang – hapten.
II.2. PHÁT HIỆN ĐÁP ỨNG MIỄN DỊCH ĐẶC HIỆU
II.2.1. Phát hiện kháng thể
Để đánh giá một bệnh nhân có sản xuất kháng thể chống lại một vật lạ (như
vật ghép) hay không, bệnh nhân cần được lấy và kiểm tra mẫu máu, sau đó kết quả
được so sánh với nhóm đối chứng. Chọn lựa đối chứng thích hợp là một vấn đề
lớn. Quy trình kiểm tra yêu cầu một đối chứng dương đã biết (thường khó để đạt
được một đánh giá đáp ứng với vật ghép), và một đối chứng âm đã biết (thường là
nước muối, môi trường nuôi cấy mô hoặc huyết thanh bò, ngựa dùng trong nuôi
cấy mô). Các mẫu đối chứng cho bệnh nhân được thu nhận từ các cá thể bình
thường không ghép và không bệnh, các cá thể bị bệnh (ví dụ viêm khớp) nhưng
không ghép (ví dụ thay thế khớp toàn bộ), các cá thể ghép và không có trục trặc,
các cá thể đã được chẩn đoán ghép thất bại. Các kết quả cần được phân tích để
chắc chắn liệu kháng thể có tăng ở bệnh nhân hay không và liệu sự hiện diện của
kháng thể có liên quan đến sự thất bại vật ghép hay không.
Thử nghiệm phổ biến nhất dựa trên sự cố định kháng nguyên vào một bề
mặt rắn như là polystyren. Quy trình chung được chỉ ra trong Hình 1
6
Hình 1: Thử nghiệm miễn
dịch chuẩn. Một kháng
nguyên được cố định với
một giá thể rắn và gắn với
một kháng thể đặc hiệu
trong dung dịch. Kháng thể
gắn kết được phát hiện nhờ

gắn với một kháng thể thứ
cấp được đánh dấu (enzym,
đồng vị…)
Phát hiện kháng thể gắn bằng cách sử dụng enzym (thử nghiệm EIA hoặc ELISA)
hay một kháng thể đánh dấu đồng vị phóng xạ (RIA).
II.2.2. Phát hiện đáp ứng qua trung gian tế bào (loại IV)
Phương pháp phát hiện các đáp ứng qua trung gian tế bào phức tạp và khó
khăn hơn nhiều so với phát hiện kháng thể. Phần lớn các xét nghiệm cần sử dụng
tế bào sống nên phải thực hiện nhanh sau khi thu tế bào. Các đối chứng có thể
thực hiện tại thời điểm khác.
Hai phương pháp thử nghiệm in vitro được sử dụng thông thường nhất là
thử nghiệm ức chế sự di cư và tăng sinh tế bào lympho. Cơ sở lý thuyết của cả hai
phương pháp này là trên bề mặt các tế bào T có các thụ quan (receptor), mỗi thụ
quan đáp ứng với một kháng nguyên đặc hiệu. Trong quá trình đáp ứng, các chất
có thể hòa tan (các cytokin hoặc lymphokin) được sản xuất và được phóng thích.
Các chất này, chủ yếu là yếu tố tạo phôi (blastogenic factor) và yếu tố ức chế sự di
cư, hoạt động trên các tế bào khác kể cả các tế bào T khác.
Yếu tố tạo phôi (Lymphocyte transformation factor - Yếu tố chuyển dạng tế bào
lympho):
Yếu tố này làm các tế bào lympho khác chuyển dạng và phân chia. Số lượng tế
bào tăng lên. Nếu bổ sung thymidin H
3
vào môi trường nuôi thì các tế bào đang
phân chia sẽ hấp thu đồng vị và số đếm tăng lên. Thử nghiệm này, thường được
gọi là LTT cho thử nghiệm chuyển dạng tế bào lympho, cần các tế bào sống để
sản xuất và đáp ứng với yếu tố. Thử nghiệm này mất 7 ngày (7 ngày là khoảng
thời gian bình thường cho một đáp ứng với kháng nguyên). Một số chất kích thích
(mitogen) đối chứng như là PHA (phytohemagglutinin) hoạt động trong 4 – 5
ngày.
Yếu tố ức chế sự di cư (Migration inhibition factor - MIF)

Các tế bào T được kích thích sẽ sản xuất MIF. MIF hoạt động trên các tế bào
thường di động là dòng tế bào đơn nhân/ đại thực bào và các bạch cầu đa hình
nhân polys (polymorphonuclear leukocyte). Do đó, thử nghiệm, thường được gọi
là thử nghiệm yếu tố ức chế bạch cầu (leukocyte inhibition factor - LIF), cần các tế
bào lympho sống và các tế bào đang di cư sống được thu nhận từ máu toàn phần
tươi. Thử nghiệm LIF sẽ có kết quả trong 18 – 24 giờ. Nếu máu không chứa đủ tế
bào đơn nhân để đánh giá sự ức chế di cư của chúng thì tế bào chỉ thị này thường
được thu nhận từ khoang bụng của những động vật khác như chuột hoặc bọ. Tế
bào này có thể kích thích các tế bào lympho người nuôi cấy trong 24 – 48 giờ, sau
đó thu nhận dịch nuôi cấy và bổ sung vào các đại thực bào được thu nhận từ động
vật. Sự di cư (hoặc sự ức chế di cư) của các tế bào được quan sát bằng cách đặt
chúng trong môi trường nuôi mô đã được hóa cứng bằng agarose tinh và quan sát
dưới kính hiển vi trong 18 – 24 giờ hoặc đưa vào ống mao quản và quan sát sau
vài giờ.
Thử nghiệm trực tiếp lymphokin hoặc cytokin
7
Vì các thử nghiệm LTT và LIF hoặc MIF có hạn chế là cần sử dụng tế bào sống
nên thử nghiệm lý tưởng là dùng lymphokin. Các thử nghiệm dựa trên ELISA
hoặc RIA có thể được sử dụng để phát hiện và định lượng cytokin.
Thử nghiệm sự sản xuất cytokin
Hiện tại có một thử nghiệm được sử dụng là khảo sát các cytokin được tạo ra để
đáp ứng với vật liệu, đặc biệt là các phần tử nhỏ do phân hủy vật liệu. Nhìn chung,
thử nghiệm được thực hiện dựa trên ELISA hoặc RIA.
Hình 2: Định lượng kháng
nguyên bằng thử nghiệm
cạnh tranh. Một kháng
nguyên cố định gắn với
một kháng thể đặc hiệu
trong dung dịch. Tuy
nhiên, nhiều kháng nguyên

được cho vào dung dịch và
lượng kháng thể kết hợp
với kháng nguyên cố định sẽ giảm theo lượng kháng nguyên tự do. Phát hiện
kháng thể gắn bằng một kháng thể thứ cấp được đánh dấu (enzym, đồng vị…)
Thử nghiệm in vivo
Thử nghiệm kinh điển cho miễn dịch qua trung gian tế bào (Cell-mediated
immunity - CMI) là thử da. Các kháng nguyên được đưa lên da hoặc được tiêm
dưới da và quan sát nốt phồng sau 24 – 72 giờ nếu có CMI. Đáp ứng này khác với
đáp ứng loại I qua IgE. Đáp ứng loại I xảy ra nhanh (trong vài phút) và thường
biến mất sau 24 giờ. CMI bắt đầu sau 24 giờ, có nốt phồng.
Thử da là một quy trình chẩn đoán tuyệt vời cho các bệnh nhân bị nghi ngờ quá
mẫn. Tuy nhiên, thử da với các hapten, như các ion kim loại, liên quan đến rủi ro
nhạy cảm. Để phát hiện được đáp ứng miễn dịch, hapten phải gắn với các tế bào
trung bì hoặc các protein. Tuy nhiên, việc gắn này tạo ra một kháng nguyên hoàn
toàn, có thể kích thích một đáp ứng miễn dịch. Vì phải mất nhiều thời gian để đáp
ứng miễn dịch này xảy ra nên thử da sẽ âm tính, nhưng các thử nghiệm tiếp theo
sau đó sẽ dương tính. Do đó, các thử nghiệm lặp lại có khả năng cảm ứng tính
nhạy cảm và nên tránh.
Các kỹ thuật hóa mô
Có nhiều khảo sát để đánh giá các mô được lấy từ những vùng kế cận vật ghép. Có
thể sử dụng các kỹ thuật miễn dịch để xác định loại tế bào và các sản phẩm tế bào
được tạo ra tại vùng đó. Một kỹ thuật được sử dụng là dùng kháng huyết thanh
kháng các dấu ấn CD để phát hiện và phân loại tế bào lympho. Một thử nghiệm
tương tự đang được đề xuất để phát hiện các cytokin trong mô.
8
II.2.3. Phát hiện đáp ứng miễn dịch với hapten
Hiện tại có một vài kỹ thuật đặc biệt để phát hiện đáp ứng miễn dịch với
hapten. Một phức hợp hapten-vật mang có thể được chuẩn bị in vitro bằng cách
kết hợp trong dung dịch với một protein lớn như albumin hoặc một phân tử nhỏ
hơn như glutathione. Sau đó, các phức hợp này có thể được sử dụng để phủ một cơ

chất rắn. Một phương pháp khác là vật mang protein được phủ lên cơ chất, thêm
hapten và thực hiện thử nghiệm.
II.2.4. Đáp ứng miễn dịch của người với các vật liệu
II.2.4.1. Nhựa
Vật liệu nhựa được dùng để chế tạo găng, bao cao su… là cao su
(elastomer) trích từ thực vật. Dị ứng với nhựa thường là loại I (đáp ứng qua trung
gian IgE) với phản ứng tức thì (trong vòng vài phút) có thể đe dọa sự sống. Tuy
nhiên, nhựa không được sử dụng để chế tạo vật liệu ghép trong thời gian dài nên
các đáp ứng thời gian dài không được chú ý.
II.2.4.2. Collagen
Collagen được thu nhận từ các nguồn vật liệu tự nhiên như da, mô bò…
Đây là một protein ngoại lai nên nó có khả năng kích thích nhiều đáp ứng miễn
dịch. Các kháng thể của lớp IgE, IgM, IgG và các đáp ứng miễn dịch qua trung
gian tế bào đã được quan sát. Phòng ngừa quan trọng là loại bỏ càng nhiều vật
liệu ngoại lai càng tốt. Do collagen của các loài động vật có vú có cấu trúc tương
tự nên có thể loại bỏ các protein nhiễm và để lại vật liệu không sinh dị ứng. Xử lý
hóa học và khâu mạch collagen có thể làm giảm tính sinh kháng nguyên. Các sản
phẩm collagen cần được đánh giá cẩn thận về khả năng khởi động các đáp ứng
miễn dịch.
II.2.4.3. Các polymer tổng hợp
Các vật liệu này dựa trên nền tảng các thành phần carbon, hydro, nitơ và
oxy tạo nên hệ sinh học. Do đó việc tạo ra các vật liệu có tính kháng nguyên là
không thể xảy ra. Tuy nhiên, một số vật liệu polymer có nửa hóa học là đáng quan
tâm như polysiloxane (silicone elastomer), polyurethane,
poly(methyl)methacrylate…
II.3. KẾT QUẢ CỦA MỘT ĐÁP ỨNG MIỄN DỊCH
Đáp ứng miễn dịch dường như có khuynh hướng trung hòa, khử độc tính và
giúp loại trừ một vật liệu ngoại lai. Tuy nhiên, thỉnh thoảng đáp ứng miễn dịch có
thể gây hại.
II.3.1. Hư hỏng vật ghép

Sự viêm, phần khởi đầu của đáp ứng miễn dịch, là một phản ứng oxy hóa.
Các vật ghép bằng polyurethane và polyethylene có thể bị phân hủy.
II.3.2. Hư hỏng các mô kế cận
9
Các sản phẩm, đặc biệt từ các đáp ứng loại II và IV, có thể khởi động sự
phồng và các đáp ứng mạch khác tại vùng ghép. Giải quyết tiếp theo có thể không
có hại nữa hoặc là gây hoại tử mô và/hoặc mất sinh khối mô cùng với sự lỏng lẻo
và di chuyển của vật ghép.
II.3.3. Các đáp ứng hệ thống
Các đáp ứng miễn dịch loại I và loại II sinh ra các chất vận mạch. Các
chất này tuần hoàn và có thể gây giãn mạch. Có thể nhận thấy điều này trong đáp
ứng với các vật liệu nhựa và các thuốc kết hợp với tiểu cầu, tế bào mast hoặc các
bạch cầu ưa acid, dẫn đến một đáp ứng miễn dịch và giải phóng các chất vận mạch
này.
II.3.4. Các bệnh tự miễn
Đây là một kết quả gây tranh cãi nhất của đáp ứng miễn dịch với các vật
ghép. Bệnh tự miễn là kết quả của một đáp ứng miễn dịch với mô chủ. Các bệnh
tự miễn như chứng viêm khớp, viêm cầu thận… xảy ra ở các cá thể do nguyên
nhân nào vẫn chưa biết mặc dù có một số liên quan đến nhiễm trước đó (đặc biệt
là nhiễm streptococci). Việc chứng minh nguyên nhân và hậu quả là một vấn đề
dịch tể học với các nghiên cứu quần thể lớn. Vấn đề quan trọng là phải cải tiến kỹ
thuật thử nghiệm miễn dịch để giải thích nguyên nhân, hậu quả liên quan đến các
vật ghép và thực hiện kỹ các khảo sát dịch tể học.
Các đáp ứng này có thể do vài cơ chế. Hai cơ chế có thể xảy ra nhất đối với
vật ghép là (i) vật ghép gắn với mô chủ làm cho nó trở thành một vật ngoại lai như
là phức hợp hapten - vật mang hoặc (ii) biến đổi mô chủ thông qua cuộn (gấp)
protein, phân hủy tế bào hay protein tạo kháng nguyên đối với mô chủ. Đây là hậu
quả chính của việc bơm ngực silicon.
II.4. QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC CỦA VẬT
LIỆU

Khi vật ghép tiếp xúc với hệ sinh học, các phản ứng sau được quan sát:
(1) Trong vòng vài giây đầu tiên, các protein từ dịch cơ thể sẽ lắng
đọng. Lớp protein này điều hòa nhiều phản ứng của hệ thống tế bào. Cấu trúc
của các protein hấp phụ phụ thuộc vào các đặc tính bề mặt của vật ghép.
(2) Mô xung quanh vật ghép phản ứng giống như phản ứng của cơ thể
với tổn thương hoặc nhiễm trùng. Do các kích thích cơ học và hoá học, vật
ghép có thể gây ra viêm kéo dài. Kết quả là mô hạt hình thành xung quanh vật
ghép.
(3) Trong suốt quá trình tiếp xúc giữa vật liệu sinh học và cơ thể, môi
trường cơ
thể sẽ gây ra sự phân hủy. Các quá trình thủy phân và oxid hóa có thể làm mất
tính ổn định cơ học và giải phóng các sản phẩm phân hủy.
10
(4) Kết quả của sự chuyển vận các sản phẩm phân hủy có khả năng hòa tan qua hệ
mạch và bạch huyết là phản ứng của toàn cơ thể với vật ghép là không thể
tránh khỏi. Ngoài ra, sự nhiễm khuẩn của vật ghép cũng được xem là một trở
ngại.
II.4.1. Các thử nghiệm tiên quyết để đánh giá tính tương hợp sinh học
Các thử nghiệm thành công về đặc tính in vitro của các vật liệu và các sản
phẩm đầu tiên là điều kiện tiên quyết để đánh giá tính tương hợp sinh học. Đặc
tính lý hóa (như bề mặt, diện tích) và các đặc tính thích hợp khác (như cơ, điện,
vận chuyển, phân hủy sinh học nếu có thể ứng dụng) phải được đánh giá trên vật
liệu thô. Các dữ liệu này phải được so sánh với các kết quả tại các thời điểm chế
tạo, tiệt trùng, đóng gói, bảo quản và bất kỳ tiến trình nào có thể ảnh hưởng bất lợi
đến tính ổn định của sản phẩm, tính an toàn và hiệu quả sau khi ghép. Các vật liệu
không qua các thử nghiệm tiên quyết này thì không được đánh giá tính tương hợp
sinh học.
II.4.2. Các phương pháp thử nghiệm và đánh giá tính tương hợp sinh học
Đánh giá tính tương hợp sinh học của vật liệu gồm nhiều thử nghiệm: in vitro
(sử dụng tế bào và mô), ex vivo, mô hình động vật và các thử nghiệm lâm sàng.

Các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia có thể cung cấp những thông tin thích
hợp: the American Society for Testing and Materials (ASTM), the International
Organization for Standardization (ISO), FDA và the National Institutes of Health
(NIH).
II.4.2.1. Thử nghiệm In Vitro
Ưu điểm chính của phương pháp này là giá cả hợp lý, đầu tư nhỏ trong
phòng thí nghiệm, và quan trọng nhất là quá trình thực hiện nhanh với số lượng
lớn vật liệu.
- Tính tương hợp máu của vật liệu: được xác định bằng cách sử dụng máu
chống đông (một hạn chế không thể tránh của các thử nghiệm này) và đánh giá sự
hình thành cục máu đông trên bề mặt vật liệu cũng như sự hoạt hóa đông huyết
tương, sự bám dính và tụ tập tiểu cầu, sự tổng hợp và giải phóng đồng thời các
hợp chất hóa học hoạt động sinh học (như các tác nhân tụ tập, các nhân tố tăng
trưởng), sự hoạt hóa bổ thể và các bạch cầu khi các thành phần này tương tác với
các vật liệu tổng hợp. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng cuối cùng của vật liệu, các
thử nghiệm tính tương hợp máu phải được bố trí dưới điều kiện tĩnh hay dòng
chảy trong các thử nghiệm cấp và mãn tính. Hồng cầu vỡ sẽ giải phóng
hemoglobin dưới điều kiện dòng chảy trong bộ phận giả, sự hóa vôi liên quan đến
các bộ phận di chuyển cơ học (các lá của van tim) cũng phải được xác định. Tuy
nhiên, không thể loại trừ các phản ứng này khi máu tiếp xúc với các vật liệu tổng
11
hợp. Do đó, kiểm soát và tổi thiểu các phản ứng này là mục tiêu trong việc thiết kế
các vật liệu tương hợp máu.
- Những tiến bộ trong kỹ thuật nuôi cấy tế bào đã cung cấp một mô hình in
vitro hữu ích để đánh giá tính tương hợp sinh học của vật liệu trong tiến trình lành
hóa vết thương. Các tế bào động vật có vú được sử dụng để xác định các chức
năng của tế bào (bám dính, di cư, tăng sinh, tổng hợp và lắng đọng các chất nền
ngoại bào…) trên vật liệu. Nếu mục tiêu của việc thiết kế và đánh giá các vật liệu
mới là những liên kết mạnh giữa mô xung quanh và vật liệu cấy ghép hoặc có sự
tạo thành mô mới thì chỉ những vật liệu hỗ trợ chức năng của các tế bào đặc biệt

và tối thiếu sự tương tác của các dòng tế bào cạnh tranh mới được đánh giá nhiều
hơn. Ví dụ, chỉ những vật liệu tăng cường chức năng nguyên bào xương (tế bào
tạo xương) nhưng giảm tối thiểu chức năng của các nguyên bào sợi (tế bào cạnh
tranh) mới trở thành “ứng cử viên” cho các ứng dụng trong chỉnh hình hoặc nha
khoa.
- Mô hình tế bào động vật in vitro cũng được sử dụng để xác định ảnh
hưởng của các hợp chất hóa học (như loại ion, hàm lượng ion được giải phóng khi
kim loại bị xói mòn, các đại phân tử và các monomer được giải phóng trong suốt
quá trình phân hủy của các polymer có thể tái hấp thu sinh học) được giải phóng
dưới các điều kiện của môi trường sinh lý. Các vật liệu bị thất bại trong thử
nghiệm độc tính cấp sẽ không được đánh giá cũng như xem xét tiếp tục. Ngay cả
khi vật liệu đã qua thử nghiệm khả năng sống của tế bào thì ảnh hưởng của các sản
phẩm được giải phóng đến hình thái (gồm sự tích lũy nội bào của các sản phẩm
phân hủy), sự tăng sinh và các chức năng khác của tế bào từ đầu cho đến kết thúc
sử dụng vật liệu cũng phải được đánh giá.
Các mô hình này rất tốt để khảo sát các chức năng và các cơ chế thích hợp của
một dòng tế bào tại một thời điểm nhưng bị hạn chế trong môi trường phức tạp của
cơ thể. Do đó, cần thiết sử dụng các mô hình khác (như mô hình động vật) để làm
sáng tỏ các sự kiện nhiều khía cạnh, tương tác và linh động mà trực tiếp, trung
gian kiểm soát các tương tác mô – vật liệu bên trong cơ thể.
II.4.2.2. Các mô hình động vật
Tính nhân đạo và các yêu cầu hợp pháp
Các mô hình động vật được sử dụng để xác định tính tương hợp in vivo của các
vật liệu. Các kết quả âm tính (không có kết quả) quyết định khả năng không chấp
nhận hệ thống được thử nghiệm. Tuy nhiên, các kết quả dương tính không nhất
thiết chứng minh tính tương hợp ở người. Do sự khác biệt về loài, việc ngoại suy
các kết luận từ thử nghiệm động vật để tiên đoán các đáp ứng của con người là
không chắc chắn và nguy hiểm. Mô hình động vật thích hợp nhất là linh trưởng do
sự tương đồng của chúng với người, thậm chí sự khan hiếm, giá cả và duy trì…
bầy động vật này.

12
Việc thử nghiệm trên mô hình động vật chỉ được tiến hành sau khi đã thực hiện
thành công các thử nghiệm tiên quyết về đặc tính vật liệu và các thí nghiệm in
vitro. Các nhà nghiên cứu nên xác định loài thích hợp nhất cho mục đích khảo sát,
cẩn thận bố trí thí nghiệm sao cho số lượng động vật sử dụng nhỏ nhất nhưng thu
được kết quả thống kê cao và tránh lặp lại thí nghiệm không cần thiết.
Phân loại các thử nghiệm
Các thử nghiệm động vật để đánh giá tính tương hợp sinh học của vật liệu có
thể được phân thành 3 cách chính:
i) Các thử nghiệm không chức năng
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 sinh học tại chỗ và các biến chứng hệ thống.
ii) Các thử nghiệm ex vivo
Các shunt 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.
iii) Các thử nghiệm chức năng
Thử nghiệm này cần ghép một vật liệu có chức năng, ví dụ ghép khớp háng và
tim trong những vùng tổ chức của động vật theo cách phẫu thuật tương tự của
người. Các thử nghiệm chức năng là các nghiên cứu thời gian dài, cần những suy
xét đặc biệt (như thiết kế, chế tạo và thử nghiệm bộ phận giả), phức tạp và đắt tiền.
Các đáp ứng sinh học tại chỗ và hệ thống
Sự cấy ghép vật liệu trên động vật cung cấp các thông tin quan trọng về sự
tương tác với tính tương hợp máu, cấp tính, mãn tính, sự viêm tại chỗ và hệ thống,
độ nhạy cảm và tiến trình lành hóa vết thương. Các đáp ứng gây sốt, miễn dịch,
độc tính và sinh khối u của động vật cấy ghép vật liệu cũng có thể được xác định.

các phương pháp và quy trình chi tiết của các thử nghiệm này được ASTM, NIH
và các tổ chức chuyên nghiệp khác cung cấp.
Minh họa một khung thử nghiệm dựa trên các nguyên tắc của FDA và ISO
Loại vật liệu Đánh giá ban đầu Đánh
giá bổ
sung
13
Tiếp xúc cơ
thể
Th
ời
gia
n
tiếp
xúc
Độ
c
tín
h
tế
bà
o
Độ
nhạ
y
Độ
kíc
h
ứn
g

da
Độc
tính
hệ
thốn
g
(cấp
)
Độ
c
tín
h
dư
ới
mã
n
tín
h
Độc
tính
di
truy
ền
Sự
cấy
ghé
p
Tín
h
tươ

ng
hợp
máu
Độ
c
tín
h
mã
n
tín
h
Sự
sin
h
kh
ối
u
Vật liệu bề mặt
Da A
• • •
B
• • •
C
• • •
Màng nhầy A
• • •
B
• • •
o o o
C

• • •
o
• •
o o
Bề mặt bị
tổn thương
A
• • •
o
B
• • •
o o o
C
• • •
o
• •
o o
Vật liệu thông tin bên ngoài
Blood path
indirect
A
• • • • •
B
• • • •
o
•
C
• •
O
• • •

o
• • •
Tissue,
Bone dentin
communica
ting
A
• • •
o
B
• •
O o o
• •
C
• •
O o o
• •
o
•
Máu tuần
hoàn
A
• • • •
O
•
B
• • • •
o
•
o

•
C
• • • • • •
o
• • •
Xương/ Mô A
• • •
o
B
• •
O o o
• •
C
• •
O o o
• • • •
14
Vật liệu cấy ghép
Máu A
• • • • • •
B
• • • •
o
• • •
C
• • • • • • • • • •
A – Tiếp xúc ngắn (≤ 24 giờ); B – Tiếp xúc kéo dài (24 giờ - 30 ngày); C – Tiếp
xúc lâu dài (> 30 ngày)
• - Các thử nghiệm đánh giá FDA và ISO; o – Các thử nghiệm bổ sung do FDA
yêu cầu

II.4.2.3. Các thử nghiệm lâm sàng
Các quy trình và các quy định
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.
Ngoài các tiêu chuẩn khoa học, các đánh giá lâm sàng phải tuân theo quy
định pháp luật. Các kết quả thử nghiệm in vitro, ex vivo và in vivo (động vật) phải
được lưu giữ cẩn thận để hỗ trợ cho các thử nghiệm lâm sàng. Người nhận 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
nhận và các đánh giá khác như so sánh sức khỏe của ngưới 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, quốc tế nhằm bảo vệ quyền lợi của những người tham gia trong thử nghiệm
lâm sàng
Sự thất bại khi cấy ghép, sự phục hồi và đánh giá
Một thông tin khác quan trọng và có giá trị có thể được thu nhận từ việc
đánh giá vật liệu cũng như các mô sinh học xung quanh là sự phục hồi của bộ
phận giả từ cơ thể vào cuối đời của người nhận.
Mặc dù các vật liệu sinh học được thiết kế dựa trên cơ sở sinh lý của người
khỏe mạnh bình thường nhưng người nhận các vật liệu này lại chủ yếu là người
lớn tuổi hoặc người bệnh. Do đó, không thể dự đoán hết được tác động của vật
liệu dưới tất cả tình trạng người nhận với nhiều bệnh lý và đơn thuốc khác nhau.
Dưới những trường hợp như thế, các biến chứng không dự kiến trước có thể xảy ra
như là mất chức năng, rối loạn hóa lý… Ngoài ra, những biến chứng như là đau
hoặc gây bất tiện có thể kết hợp với viêm nhiễm và các triệu chứng lâm sàng khác
15
gây nguy hiểm cho sức khỏe người nhận. Khi đó, sự can thiệp của phẫu thuật là
không thể tránh khỏi.

II.5. Các biến chứng (complication) liên quan đến sự lành hóa vết thương
xung quanh vật ghép
Nhiều trường hợp có thể phức tạp, trì hoãn hoặc thậm chí ngừng tiến trình
lành hóa vết thương xung quanh vật liệu cấy ghép. Ví dụ khi máu tiếp xúc với các
vật liệu sinh học cấy ghép, các thành phần bổ thể có thể được hoạt hóa và huy
động bạch cầu. Trong khi sự viêm cấp là một phần thiết yếu trong tiến trình lành
hóa thì sự viêm mãn (kéo dài hàng tuần đến hàng tháng sau cấy ghép ) có thể làm
trì hoãn hoặc ngăn chặn sự lành hóa vết thương tại vùng cấy ghép. Sự viêm mãn
có thể trở thành một vấn đề lâm sàng nghiêm trọng và có thể yêu cầu phẫu thuật
để loại bỏ vật liệu cấy ghép.
Sự tiếp xúc của các vật liệu sinh học trong môi trường làm lành vết thương
(giàu hóa chất phản ứng và các hợp chất hoạt động sinh học) có thể gây ra xói
mòn kim loại và phân hủy polymer làm giải phóng các ion và các monomer (các
chất ổn định, yếu tố polymer hóa, chất nhũ tương…), hoạt động hóa học của các
hợp chất này có thể ảnh hưởng đến hóa học và làm thay đổi hình thể bề mặt vật
liệu.
Một vật liệu cấy ghép có thể là nguồn kích thích viêm vì nhiều lý do. Ví dụ:
vật liệu không được bao bọc và bị ngăn cách hoàn toàn với phần còn lại của cơ
16
Hình : Các bạch cầu được hoạt hóa làm thay đổi
bề mặt vật liệu cấy ghép. (A) Hình kính hiển vi điện
tử quét bề mặt của đĩa poly(etherurethane urea)
(PEUU) đối chứng, không cấy ghép. (B) Hình kính
hiển vi điện tử quét bề mặt của đĩa PEUU sau khi
ghép 28 ngày dưới da của chuột. Người ta tin rằng
cấu trúc bề mặt xù xì là do hoạt động của các bạch
cầu được hoạt hóa
thể; vật liệu lọc các hóa chất tiền viêm (pro-inflammatory); vật liệu bị rã thành
nhiều phần tử nhỏ. Các hạt được tạo ra tại mặt phân cách mô – vật ghép do động
lực, liên quan đến ma sát của hai bề mặt khớp nối (ví dụ trường hợp khớp háng,

khớp hàm tạm thời…). Loại, hàm lượng và hoạt tính sinh hóa của các hợp chất
giải phóng này có thể độc đối với tế bào, cảm ứng viêm và ngăn cản tiến trình lành
hóa vết thương; quan trọng nhất, các hợp chất này cũng có thể gây viêm, dị ứng và
gây phản ứng miễn dịch hệ thống. Ví dụ, sự hiện diện các ion kim loại (như
nickel, chromium, cobalt) có thể gây dị ứng và các phản ứng quá mẫn; các biến
chứng này thường thấy trong lâm sàng khi sử dụng các hợp kim (như cobalt-
chromium-molybden) trong nha khoa. Cơ chế chính xác của sự hoạt hóa hệ miễn
dịch của các ion kim loại vẫn chưa được hiểu rõ.
Phần lớn các polymer sử dụng trong các ứng dụng y sinh hiện tại không
gây phản ứng miễn dịch quan trọng. Các vật liệu được thiết kế từ các polymer có
thể phân hủy sinh học và khi phân hủy sinh ra các sản phẩm phụ (như acid lactic,
acid glycolic, acid caproic) có tính tương hợp sinh học hoặc đã có sẵn trong cơ thể
và sẽ được thải ra ngoài qua con đường trao đổi chất bình thường.
Một số ion kim loại (đặc biệt là nickel) và các monomer (như benzyl
chloride) là những tác nhân gây ung thư. Thông qua hoạt động hóa học, các hợp
chất này có thể tham gia chuyển dạng các tế bào bình thường. Sự phát triển khối u
tại chỗ hoặc gần bề mặt vật ghép phụ thuộc vào hình dạng và đặc tính vật lý của
vật ghép.
Các biến chứng thông thường nhất trong tiến trình lành hóa vết thương
xung quanh vật ghép liên quan đến bao sợi vật ghép. Do mô tổn thương không
lành hoàn toàn, một lượng lớn mô hạt, sợi xơ và sẹo được tạo thành. Sự cô lập vật
ghép bởi bao sợi là một tiến trình bình thường mà cơ thể đối phó với sự xâm nhập
của vật ghép. Tuy nhiên, các biến chứng có thể tăng khi mô dày, không thấm làm
suy giảm các chức năng cơ học của vật ghép hoặc ức chế sự giải phóng các tác
nhân liệu pháp trong trường hợp hệ phân phát thuốc. Vị trí bị cô lập trở nên khó
giải quyết trong trường hợp nhiễm, vi khuẩn và các vi sinh vật khác tìm thấy một
nơi ẩn náu bên trong bao sợi và phát triển mạnh, kháng sinh và các dược phẩm
khác không thể tác động đến do không thấm qua rào cản mô sợi cũng như không
đủ lượng để có hiệu quả. Dưới trường hợp này, phải phẫu thuật loại bỏ vật ghép.
Nếu được ghép dưới da, vật ghép cô lập trong bao sợi rất gần da và có thể bị đẩy

ra ngoài cơ thể.
III. CÁC VẬT LIỆU SINH HỌC TIẾP XÚC MÁU: CÁC Ý TƯỞNG ĐỂ
CẢI TẠO KHẢ NĂNG TƯƠNG HỢP MÁU
17
Hiện nay, các vật liệu được sử dụng trong lâm sàng đã đạt yêu cầu về các
đặc tính cơ học nhưng tính tương hợp tuyệt đối của chúng với máu vẫn chưa đạt
được. Do đó, các vật liệu polymer như polyurethane, silicone, polyolefin,
polu(vinyl chloride) chỉ sử dụng trong thời gian ngắn đã gây đông và cần chất
chống đông máu.
Các vật liệu sử dụng thời gian dài tương tự tác nhân tạo cục máu đông như
Dacron
TM
[poly(ethylene terephthalate)] có cấu trúc mạng sợi tạo thành mạch máu
giả có đường kính lớn hơn 6mm. Cục đông tạo thành để đóng các lỗ mở trong cấu
trúc sợi, fibroblast và fibrin tạo ra sẽ ngăn ngừa máu chảy vào bên trong cấu trúc.
Do dòng máu chảy mạnh và đường kính mạch lớn nên không xảy ra sự đóng mạch
như là kết quả của sự hình thành cục máu đông. Nguyên tắc này không có giá trị
đối với những mạch có đường kính nhỏ hơn 6mm.
Dưới điều kiện sinh lý, bề mặt của mạch tiếp xúc với máu là một lớp tế bào
nội mô. Các tế bào này thực hiện các chức năng điều hòa sự nghẽn mạch, tham gia
tổng hợp, vận chuyển các chất hoạt động trong chuyển hóa. Đặc điểm chính của
các tế bào nội mô là tính tương hợp máu. Do đó, việc phủ bề mặt vật liệu với một
lớp đơn tế bào nội mô người là quan điểm hứa hẹn nhất để tạo được một bề mặt
tương hợp sinh học. Tuy nhiên, việc phát triển một cơ quan lai như vậy vẫn chưa
thực hiện được vì hiện tại các tế bào nội mô người không tăng trưởng trên các bề
mặt lạ.
Trong mạch bình thường, các tế bào nội mô tăng trưởng trên màng cơ bản
tự tạo gồm collagen (loại I, III. IV), proteoglycan, glycoprotein fibronectin và
laminin. Một đoạn fibronectin có trình tự RGD có vai trò trong sự bám dính của
các tế bào nội mô. Nhiều nhóm nghiên cứu đã cố gắng tăng sinh các tế bào nội mô

trên các polymer tổng hợp bằng cách phủ bề mặt polymer với fibronectin hoặc
collagen hoặc bằng cách kết hợp đồng hóa trị các oligopeptide chứa trình tự
tripeptide RGD đặc hiệu.
Việc phát triển một vật liệu cấy ghép có phủ tế bào nội mô để ứng dụng
thời gian dài có lẽ là công việc phức tạp và tiêu tốn nhiều thời gian nhất. Nhiều ý
tưởng đã được thực hiện để cải tạo tính tương hợp máu của vật liệu.
18
Hình : Các ý tưởng để cải tạo tính tương hợp máu của bề mặt vật liệu
III.1. Tối thiểu sự tương tác
Một phương pháp cải tạo tính tương hợp máu của polymer là căn cứ vào bề
mặt polymer có tính ưa nước cao hơn sẽ giảm sự hấp thụ protein và giảm bám
dính tế bào. Để phát triển các hệ polymer tương hợp máu mới, các domain ưa
nước và kỵ nước được điều chỉnh để giảm năng lượng bề mặt. Một thành phần
thích hợp của hỗn hợp polymer hoặc chiều dài các đoạn trong copolymer khối
kiểm soát hình dạng của polymer. Người ta đã quan sát được sự bám dính tiểu cầu
giảm đáng kể trên bề mặt copolymer khối ABA của HEMA ưa nước (A) và styren
kỵ nước (B). Sự thay đổi các đoạn ưa nước mềm và cứng khác nhau của
polyurethane chỉ ra sự hấp thu fibrinogen thấp và albumin cao giúp cải tạo tính
tương hợp máu.
Ngoài ra, có thể tối thiểu sự tương tác hệ sinh học/vật liệu sinh học bằng cách
biến đổi bề mặt của polymer mà không thay đổi các đặc tính khối của polymer. Ví
dụ, bề mặt polymer được ghép với PEO thì tính ưa nước sẽ tăng, làm giảm hoạt
hóa bổ thể và bám dính tiểu cầu. Tương tự, polymer kỵ nước được phủ một lớp
hydrogel như PHEMA sẽ cải thiện tính không nghẽn mạch của polymer. Việc cố
định các nhóm chức như nhóm hydroxyl, carboxyl, amino không chỉ làm giảm
năng lượng bề mặt mà còn hoạt động như là nhóm liên kết đẩy mạnh sự biến đổi
bề mặt hóa học.

III.2. Ghép thuốc
Tính tương hợp máu của các vật liệu sinh học có thể được cải thiện bằng

cách phủ hoặc ghép các chất chống đông, các chất ức chế sự bám dính tiểu cầu
hoặc các chất hoạt hóa tiêu fibrin. Ví dụ phổ biến nhất là bắt cặp ion hoặc đồng
hóa trị của heparin với bề mặt của catheter hoặc stent tiếp xúc với máu. Theo
nguyên tắc này, các chất sinh oxy có heparin gắn đồng hóa trị đã được kiểm tra
trong thử nghiệm lâm sàng. Do hoạt tính của heparin giảm theo thời gian tiếp xúc
nên các ứng dụng thời gian dài vẫn chưa thành công. Nguyên tắc này cũng có thể
được ứng dụng để cố định albumin, urokinase hoặc prostaglandin trên vật liệu sinh
học. Sự bám dính tiểu cầu giảm khi cố định phosphorylcholine, một thành phần
chính của màng tiểu cầu và hồng cầu, trên bề mặt polymer.
III.3. Bắt chước 1 màng sinh học
Một phương pháp đầy hứa hẹn để tránh bất kỳ phản ứng nào chống lại các
bề mặt lạ là bắt chước màng tế bào hồng cầu ở bề mặt tiếp xúc máu.
19
IV. GIẢI QUYẾT SỰ NHIỄM TRÙNG CẤP TÍNH VÀ MÃN TÍNH TRONG
CÁC CA GHÉP VẬT LIỆU SINH HỌC
Tác hại do sự sinh sản tự nhiên của vi khuẩn bao gồm sự bào mòn và hư
hỏng thành phần kim loại. Sự tạo thành biofilm còn là một vấn đề nghiêm
trọng của y học, thể hiện ở sự nhiễm trùng mảnh cấy như là ống khí quản, ống
thông tónh mạch, thuỷ tinh thể tiếp xúc, ống niệu và những mảnh ghép phụ trợ
như van tim, khớp thay thế, mảnh ghép nha khoa và mảnh ghép xương sống.
Trong thực tế, việc gia tăng sử dụng mảnh ghép làm bằng vật liệu sinh
học cho con người trong những năm gần đây thường đi kèm với sự nhiễm trùng
vi khuẩn, thường do Staphylococcus epidermis gây ra. Tuỳ thuộc vào những cơ
chế liên quan, những ảnh hưởng này có thể là cấp tính hoặc mãn tính (xuất
hiện nhanh hay chậm sau khi cấy ghép). Sự hình thành biofilm thường dẫn đến
việc loại bỏ hoặc rà soát lại mảnh ghép gây tác động, kết quả gây ra sự tổn
thương ở bệnh nhân.
IV.1. Biofilm là gì ?
Chất nhầy hình thành trên bề mặt của các mảnh ghép y học (nút xoang
nhó, khớp nhân tạo, ống thông…) thường là nơi ẩn náu cuả các loại vi sinh vật,

chúng có thể tồn tại dai dẳng bất chấp sự hiện diện cuả thuốc kháng khuẩn
hoặc kháng nấm. Những vi sinh vật này (thường là các họ vi khuẩn, nấm, và
các vi sinh vật khác) tạo thành một quấn thể thường được biết với tên gọi
biofilm.
Biofilms are multilayered colonies
of bacteria that often form on
biomedical implants, manifesting
themselves as acute or chronic
infections in a patient. This
atomic force microscope (AFM)
image of the surface structure of
a hydrated biofilm reveals
microcolonies of bacteria, with
channels that are believed to act
as passageways carrying
nutrients to the bacteria. Institute
scientists were the first to
20
generate and study AFM images
of hydrated biofilms.
Biofilm hình thành trong môi trường có nước khi các vi sinh vật tiếp xúc
với các bề mặt rắn và vi sinh vật tiếp xúc với nhau thông qua các polymer
ngoại bào (EPS). Chúng tạo thành một chuỗi lớn trên các bề mặt (kim loại,
plastic, đá, mô sống hoặc chết). Thuật ngữ biofilm có thể gây hiểu lầm vì nó
ngụ ý rằng các tế bào hình thành nên lớp đơn. Thật ra, theo quan sát dưới kính
hiển vi, biofilm bao gồm nhiều chất có cấu trúc không gian ba chiều phức tạp.
Trong tự nhiên, biofilm có thể gồm nhiều loài khác nhau, thông thường chúng
sắp xếp lại thành dãy ngay ngắn. Ví dụ như các vệt tan trên răng người. Có hơn
400 loài vi khuẩn khác nhau, một số tiếp xúc với bề mặt răng, số khác tiếp xúc
với các vi khuẩn gần bên cạnh nó bằng các nội phản ứng phân tử đặc biệt như

sự gắn chặt và các receptor phù hợp với chúng.
Polysacharide được tạo ra bởi các vi sinh vật thường trú hình thành nên
thành phần ngoại bào chính cuả biofilm. Thành phần các chất cơ bản của
biofilm có thể khác nhau, phụ thuộc vào sinh vật liên quan: vi khuẩn gram âm
tạo thành biofilm trung tính hoặc mang tính anion, vi khuẩn gram dương thì tạo
biofilm có tính cation.
Ngược lại, thành phần cuả polysacharide có thể quy đònh cho khả năng
ổn đònh bẩm sinh cuả nó. Ví dụ như polyanionic EPS phản ứng liên kết chéo
với các ion kim loại (ví dụ Fe…), vì vậy ổn đònh các chất. Gần đây người ta
nhận thấy rằng lactoferrin, một protein giàu chất sắt (Fe) là sản phẩm của hệ
miễn dòch bẩm sinh của động vật có vú, có thể ngăn không cho Pseudomonas
aeruginosa hình thành biofilm. Những phát hiện mới này cho một cái nhìn rõ
ràng hơn về mối liên kết phân tử giữa chủ thể và biofilm, và chúng có thể chứa
đựng nhiều manh mối cho những can thiệp trong tương lai.
Những nghiên cứu gần đây trên vi khuẩn gram âm P. aeruginosa và vi
khuẩn gram dương Staphylococus epidermis đã cho ra những thông tin về đặc
trưng sinh lý và phân tử của các biofilm vi khuẩn, bao gồm cả những đặc tính
tổng quát của biofilm và cả những dấu hiệu quan trọng để chọn lọc loài.
P.aeruginosa đã được tập trung nghiên cứu vì nó là tác nhân gây các bệnh cơ
hội thông thường bởi sự nhiễm trùng tập nhiễm trong bệnh viện và nó hình
thành các biofilm nguy hiểm không thể chữa trò được trong phổi người với sự
hoá xơ các nang.
21
S.epidermis chiếm ưu thế trong sự nhiễm trùng cấp và mãn tính liên
quan đến việc cấy ghép cơ quan.
IV.2. Cơ chế hình thành biofilm
Figure : The five stages of bacterial biofilm formation.
(A) Bacteria reversibly
attach to solid support.
(B) Bacteria become

irreversibly attached, and
aggregate to form matrix.
(C) Maturation phase:
cells become layered
and effects of quorum
sensing begin. (D)
Clusters reach maximum
thickness. (E) Escape of
planktonic bacteria from
matrix dispersion.
Việc hình thành
biofilm không chỉ liên
quan đến việc các vi
khuẩn tiếp xúc với bề mặt
rắn; các cá thể riêng lẻ
kết hợp với họ hàng của
chúng và thường tập hợp
lại với các thành viên
thuộc nhiều loài khác. Vi
khuẩn thực hiện việc này thông qua cơ chế truyền tín hiệu. Khi nồng độ ngoại
bào cuả các tín hiệu hoá học đạt đến ngưỡng, số lượng vi sinh vật cũng đạt đến
mật độ trung bình (quorum), quần thể sinh vật trải qua sự biến đổi kiểu hình.
Quá trình điều chỉnh mật độ “dân số” vi sinh vật bằng tác nhân hoá học gọi là
quorum-sensing.
IV.3. Sự kháng kháng sinh ở Biofilm
Vi khuẩn trở nên kháng kháng sinh nhờ các cơ chế tập nhiễm hoặc nội
tại. Sự kháng tập nhiễm là kết quả của đột biến di truyền hoặc sự chuyển các
vật liệu di truyền (ví dụ: plasmid). Sự kháng nội tại xuất hiện bởi sự thay đổi
kiểu hình, điều này tạo ra sự khác các vật liệu di truyền hiện có. Có thể minh
22

hoạ ý này bằng ví dụ: vi khuẩn từ dạng tự do lơ lửng hình thành nên biofilm và
kết quả là tạo ra sự kháng kháng sinh.
dạng biofilm, vi khuẩn có thể kháng kháng sinh mạnh hơn ở dạng sinh
vật lơ lửng. Hầu hết các kháng sinh đều được thiết kế để tiêu diệt các sinh vật
phát triển nhanh nhưng nét đặc biệt quan trọng của vi khuẩn trong biofilm là
chúng sinh sản rất chậm so với vi khuẩn ở dạng lơ lửng. Trong khi nhiều cách
giải thích đã được đưa ra thì vẫn không có nguyên nhân thật sự nào có thể giải
thích tất cả các kiểu kháng thuốc cuả biofilm. Các enzyme biến đổi thuốc và
các đột biến không được coi là nguyên nhân kháng thuốc ở vi khuẩn trong
biofilm. Sự kháng kháng sinh ở biofilm được mô tả như là sự sống sót nhờ bám
chắc hơn là nhờ độc tính tấn công.
Các nhà khoa học đưa ra các giả thuyết rằng:
• Thuốc không xâm nhập sâu vào lớp bề mặt cuả biofilm.
• Một số vi khuẩn biến đổi thành các trạng thái kiểu hình có tính bảo vệ.
• Kháng sinh bò phản tác dụng trong khu vực nghèo chất dinh dưỡng hoặc
khu vực có chất thải bã.
• Sự tăng cường biểu hiện gen điều hoà PvrR. Gen này giữ vi khuẩn ở
dạng biofilm và làm cho vi khuẩn trơ với kháng sinh.
Bằng cơ chế kháng thuốc nào đi nữa thì vi khuẩn trong biofilm vẫn
thường sống sót sau trò liệu. Khi trò liệu bằng kháng sinh chấm dứt, chỉ có một ít
vi khuẩn bò bong ra khỏi biofilm và trở về dạng lơ lửng. Việc tái trò liệu nhanh
chóng cho bệnh nhân với một tác nhân mới sẽ diệt được sự nhiễm trùng mới
được gây ra bởi các vi sinh vật lơ lửng nhưng không chạm được vào nguồn của
biofilm.
IV.4. Các phương pháp giải quyết vấn đề Biofilm
Sự lan toả của hệ thống biofilm là một hiện tượng vẫn chưa được tìm
hiểu rõ, điều này dẫn đến việc khó nghiên cứu và chống lại chúng. Điểm cốt
yếu trong sự hình thành biofilm là những nội phản ứng giữa cơ thể và mảnh
ghép. Những nhà khoa học ở viện nghiên cứu UTHSCSA đang nghiên cứu sự
hình thành biofilm trên nhiều vật liệu sinh học khác nhau (UHMWPE,

polyvinyl chloride, titanium, cobalt chronium) và đang thay đổi tạo vật liệu mới
có thể chống hoặc khoá sự hình thành biofilm.
23
Để giải quyết vấn đề biofilm, các nhà khoa học của SwRI đã thay đổi bề
mặt của một số vật liệu sinh học, làm cho chúng ít hấp dẫn vi khuẩn hơn. Một
loạt các phương pháp xử lý bằng hoá chất, bọc phủ lớp mỏng, thay đổi tia ion
trên bề mặt đã được Dr. Sanford thử nghiệm. Phương pháp thành công nhất là
phủ một lớp bọc mỏng (>>10 µm) trên PVC. Bạc được biết đến như là chất diệt
khuẩn trong nhiều năm qua, nhưng nó mắc tiền và trong một số trường hợp nó
có thể gây độc. Mô hình mẫu PVC phủ bạc của SwRI gắn chặt vào giá thể và
có độ bền hoá học. Thử nghiệm chọn mẫu phủ bạc với Staphycoccus
epidermidis cho thấy sự hình thành biofilm ít so với mẫu không phủ bạc. Những
nghiên cứu sẽ được tiếp tục phát triển để đề ra những phương pháp xử lý bề
mặt và tác động của nó trên nhiều dòng vi khuẩn.
IV.4.1. Bằng các chất ức chế tự nhiên
Trong khi biofilm có thể hình thành trên hầu hết các bề mặt ẩm, nhiều
loại thực vật biển tạo các hợp chất ức chế sự hình thành biofilm, có thể là các
hợp chất này ngăn không cho vi sinh vật tiếp xúc với nhau. Hệ thống có các
đặc tính tốt nhất là tảo đỏ, Delisea pulchra, chúng có thể tạo halogenated
furanones để ngăn chặn sự hình thành biofilm vi khuẩn.
IV.4.2. Bằng các hợp chất tiêu diệt biofilm
AP158 (sản phẩm của công ty Antex Biologicals) tiêu diệt biofilm.
AP158 là kháng sinh có nguồn gốc từ Staphylococcus có thể tiêu diệt các dòng
kháng kháng sinh.
IV.4.3. Bằng cách xử lý các chỗ ghép
Bao phủ mảnh ghép y học để ngăn sự hình thành biofilm.
Mẫn cảm hoá các nối trong biofilm cuả vi khuẩn để kháng sinh hoạt
động.
V. VẬT LIỆU SINH HỌC TẠO KHUNG (SCAFFOLD) TRONG KỸ NGHỆ
MƠ

Kỹ nghệ mơ (Tissue engineering) là một lĩnh vực liên quan đến “ứng dụng
các ngun tắc và các phương pháp kỹ nghệ và khoa học sự sống hướng tới hiểu
biết cơ bản các mối quan hệ cấu trúc – chức năng của các mơ động vật có vú bình
thường và bệnh lý để phát triển các vật thay thế sinh học mà khơi phục, duy trì
24
hoặc cải thiện chức năng của mô’. Mục tiêu của kỹ nghệ mô là khắc phục những
hạn chế của các phương pháp điều trị truyền thống dựa trên cấy ghép cơ quan và
vật liệu sinh học. Nó có tiềm năng để tạo ra các vật thay thế cơ quan và mô ‘nhân
tạo’ chịu được đáp ứng miễn dịch. Điều này đưa đến một giải pháp lâu dài cho cơ
quan hay mô bị hư hỏng mà không cần liệu pháp bổ sung.
Một trong những phương pháp chính của kỹ nghệ mô liên quan đến việc
tăng trưởng các tế bào thích hợp in vitro thành cơ quan hay mô 3D yêu cầu.
Nhưng các tế bào thiếu khả năng tăng trưởng theo các hướng 3D mà chúng di cư
ngẫu nhiên để tạo thành lớp tế bào 2D. Để tạo mô 3D, cần nuôi tế bào vào các nền
xốp (scaffold). Vì vậy, scaffold là một thành phần rất quan trọng trong kỹ nghệ
mô.
V.1. Tổng quát
Các tế bào được nuôi cấy truyền thống trong một môi trường nhân tạo có
thể tăng trưởng và sao chép để tạo thành các cụm tế bào lớn hơn nhưng không
được tổ chức thành mô hay cơ quan. Các cụm tế bào này cần các tín hiệu bên
ngòai để tăng trưởng thành các mô hay cơ quan 3 chiều chức năng. Trong cơ thể,
các tế bào chịu tác động thường xuyên của các tín hiệu cơ học, điện, cấu trúc và
hóa học. Tín hiệu cấu trúc bao gồm tương tác của các tế bào với khuôn nền ngọai
bào (Extracellular matrix - ECM). Thông tin vật lý giữa tế bào và ECM tác động
trực tiếp hoặc gián tiếp đến hình dạng và chức năng của tế bào.
Kỹ thuật nuôi cấy tế bào 3D
được ứng dụng nhằm phát triển các
mô và cơ quan thay thế. Các kỹ thuật
này liên quan đến việc đưa các tế
bào và/hoặc các nhân tố tăng trưởng

vào trong các scaffold tổng hợp
(họat động như ECM tạm thời) để
giúp các tế bào tổ chức thành mô hay
thậm chí là cả cơ quan.
Một scaffold là một khuôn ngọai bào nhân tạo có cấu trúc lỗ xốp giúp điều
tiết tế bào, hướng dẫn tăng trưởng và tái tạo mô ba chiều. Sau khi được đưa vào
scaffold, các tế bào sẽ bám, sau đó sao chép, biệt hóa và tổ chức thành mô khỏe
mạnh bình thường cùng với việc tiết ra các thành phần nền ngọai bào cần để tạo
mô. Vì vậy, việc chọn lựa scaffold là cốt yếu để tạo ra các mô và cơ quan có hình
dạng và kích thước mong muốn.
Phương pháp này được sử dụng để tạo các lọai mô khác nhau như da, sụn,
xương, gan, thần kinh, mạch máu….
V.2. Các đặc tính lý tưởng của scaffold
(1) Có cấu trúc lỗ xốp bên trong (đường kính lỗ ít nhất 60 - 100µm): tăng
trưởng mô, phân bố mạch, cung cấp dưỡng chất.
25