CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU TRONG Y SINH HỌC

Chia sẻ: Trịnh Văn Quyết | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

1.140
lượt xem 272
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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)

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU TRONG Y SINH HỌC

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 Vật liệu sinh học tổng hợp học Có tế bào Không có tế bào Có nước Khan Không đẳng hướng Đẳng hướng Không đồng nhất Đồng nhất Viscoelastic Mềm dẻo, đàn hồi 1
Có khả năng tự sửa chữa/sống Không sống 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 Polytetrafluoroethylene Poly(ethylene terephthalate) Kính sát tròng Polymethylmethacrylate Hông Ti-6Al-4V Co-Cr-Mo Răng Amalgam Ti 2.2. Phân loại vật liệu sinh học I. Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh II. Vật liệu sinh học tổng hợp học 1. Mô mềm 1. Polymer Da, gân, màng ngoài tim, giác mạc Ultra High Molecular Weight Polyethylene ( UHM WPE), Polymethylmethacarylate (PMMA), Polyethyletherketone (PEEK), Silicone, Polyurethane (PU), Polytetrafluoroethylene (PTFE) 2. Mô cứng 2. Kim loại Xương, răng 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 của stent động mạch vành (loại vật liệu y học được sử dụng rộng rãi nhất) 3
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 - Th). Sau đó, tế bào Th trình diện kháng nguyên đã được xử lý cho một tế bào lympho T khác là tế bào T độc (T cytotoxic cell - Tc ) 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 Các tế bào liên Các chất trung Kết quả thể quan gian I IgE Tế bào B Histamin, các amin Ngứa, viêm mũi, vận mạch giãn mạch II IgG, IgM Tế bào B Histamin, các amin Giãn mạch vận 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 Th còn biểu hiện CD4, trong khi tế bào Tc 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 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…) 6
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 H3 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 10
tính ổn định cơ học và giải phóng các sản phẩm phân hủy. (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 11
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 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 12
trưởng do sự tương đồng của chúng với người, thậm chí sự khan hiếm, giá cả và duy trì… bầy động vật này. 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 13
Loại vật liệu Đánh giá ban đầu Đánh giá bổ sung Tiếp xúc Th Đ Độ Độ Độc Độ Độc Sự Tín Độ Sự cơ thể ời ộc nh kíc tính c tính cấ h c sin gia tín ạy h hệ tín di y tươ tín h n h ứn thố h truy ghé ng h kh tiế tế g ng dư ền p hợp mã ối p bà da (cấ ới máu n u xúc o p) mã tín n h tín h Vật liệu bề mặt Da A • • • B • • • C • • • Màng nhầy A • • • B • • • o o o C • • • o • • o o Bề mặt bị A • • • o tổn thương B • • • o o o C • • • o • • o o Vật liệu thông tin bên ngoài Blood path A • • • • • indirect B • • • • o • C • • O • • • o • • • Tissue, A • • • o Bone dentin communicat B • • O o o • • ing C • • O o o • • o • Máu tuần A • • • • O • hoàn B • • • • o • o • C • • • • • • o • • • Xương/ Mô A • • • o 14
Vật liệu cấy ghép B • • O o o • • C • • O o o • • • • 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 15
biến chứng như là đau hoặc gây bất tiện có thể kết hợp với viêm nhiễm và các triệu chứng lâm sàng khác 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. 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 16
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 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. 17
III. CÁC VẬT LIỆU SINH HỌC TIẾP XÚC MÁU: CÁC Ý TƯỞNG ĐỂ CẢI TẠO KHẢ NĂNG TƯƠNG HỢP MÁU 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 DacronTM [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 19
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. IV. GIAÛI QUYEÁT SÖÏ NHIEÃM TRUØNG CAÁP TÍNH VAØ MAÕN TÍNH TRONG CAÙC CA GHEÙP VAÄT LIEÄU SINH HOÏC Taùc haïi do söï sinh saûn töï nhieân cuûa vi khuaån bao goàm söï baøo moøn vaø hö hoûng thaønh phaàn kim loaïi. Söï taïo thaønh biofilm coøn laø moät vaán ñeà nghieâm troïng cuûa y hoïc, theå hieän ôû söï nhieãm truøng maûnh caáy nhö laø oáng khí quaûn, oáng thoâng tónh maïch, thuyû tinh theå tieáp xuùc, oáng nieäu vaø nhöõng maûnh gheùp phuï trôï nhö van tim, khôùp thay theá, maûnh gheùp nha khoa vaø maûnh gheùp xöông soáng. Trong thöïc teá, vieäc gia taêng söû duïng maûnh gheùp laøm baèng vaät lieäu sinh hoïc cho con ngöôøi trong nhöõng naêm gaàn ñaây thöôøng ñi keøm vôùi söï nhieãm truøng vi khuaån, thöôøng do Staphylococcus epidermis gaây ra. Tuyø thuoäc vaøo nhöõng cô cheá lieân quan, nhöõng aûnh höôûng naøy coù theå laø caáp tính hoaëc maõn tính (xuaát hieän nhanh hay chaäm sau khi caáy gheùp). Söï hình thaønh biofilm thöôøng daãn ñeán vieäc loaïi boû hoaëc raø soaùt laïi maûnh gheùp gaây taùc ñoäng, keát quaû gaây ra söï toån thöông ôû beänh nhaân. IV.1. Biofilm laø gì ? Chaát nhaày hình thaønh treân beà maët cuûa caùc maûnh gheùp y hoïc (nuùt xoang nhó, khôùp nhaân taïo, oáng thoâng…) thöôøng laø nôi aån naùu cuaû caùc loaïi vi sinh vaät, chuùng coù theå toàn taïi dai daúng baát chaáp söï hieän dieän cuaû thuoác khaùng khuaån hoaëc khaùng naám. Nhöõng vi sinh vaät naøy (thöôøng laø caùc hoï vi khuaån, naám, vaø caùc vi sinh vaät khaùc) taïo thaønh moät quaán theå thöôøng ñöôïc bieát vôùi teân goïi biofilm. 20