Luận án Tiến sĩ Y học: Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim Magie AZ31 phủ hydroxyapatite trên thực nghiệm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:184

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Y học "Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim Magie AZ31 phủ hydroxyapatite trên thực nghiệm" trình bày các nội dung chính sau: Đánh giá khả năng tương thích sinh học của vật liệu cấy ghép Magie AZ31 phủ Hydroxyapatite; Đánh giá tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của vật liệu cấy ghép Magie AZ31 phủ Hydroxyapatite.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Y học: Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim Magie AZ31 phủ hydroxyapatite trên thực nghiệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Y DƯỢC LÂM SÀNG 108 --------------------------------------------------- LÊ HANH ĐÁNH GIÁ TÍNH TƯƠNG THÍCH SINH HỌC VÀ TÁC DỤNG HỖ TRỢ QUÁ TRÌNH LIỀN XƯƠNG CỦA HỢP KIM MAGIE AZ31 PHỦ HYDROXYAPATITE TRÊN THỰC NGHIỆM Chuyên ngành: Ngoại khoa / Chấn thương chỉnh hình và tạo hình Mã số: 9720104 LUẬN ÁN TIẾN SỸ Y HỌC HÀ NỘI – 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Y DƯỢC LÂM SÀNG 108 ------------------------------------------------------- LÊ HANH ĐÁNH GIÁ TÍNH TƯƠNG THÍCH SINH HỌC VÀ TÁC DỤNG HỖ TRỢ QUÁ TRÌNH LIỀN XƯƠNG CỦA HỢP KIM MAGIE AZ31 PHỦ HYDROXYAPATITE TRÊN THỰC NGHIỆM Chuyên ngành: Ngoại khoa / Chấn thương chỉnh hình và tạo hình Mã số: 9720104 LUẬN ÁN TIẾN SỸ Y HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1.KH NGUYỄN THẾ HOÀNG 2.TS. NGUYỄN VIỆT NAM HÀ NỘI – 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nghiên cứu khác. Tác giả luận án Lê Hanh
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH. Nguyễn Thế Hoàng, TS. Nguyễn Việt Nam là người thầy đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo giúp đỡ tôi để tôi hoàn thành luận án này. Trong suốt quá trình thực hiện và nghiên cứu đề tài này tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ cũng như tạo điều kiện của Đảng ủy Ban Giám đốc Bệnh viện TWQĐ 108, Viện Chấn thương Chỉnh hình, khoa Phẫu thuật khớp cùng các phòng ban trong bệnh viện. Tôi xin bày tỏ lòng chân thành và sâu sắc nhất về sự giúp đỡ đó. Tôi xin chân thành cảm ơn tới Bộ môn Sinh lý bệnh, Trung tâm động vật, Bộ môn khoa Giải phẫu bệnh - Học viện Quân Y, Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu trường Đại Học Bách khoa đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tới các thầy, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình của tôi đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này. Xin chân hành cảm ơn! Nghiên cứu sinh Lê Hanh
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC ........................................................................................................ 3 DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ 4 DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... 7 DANH MỤC VIẾT TẮT…………………………………………………….9 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................... 3 1.1. Sơ lược về kim loại sử dụng trong ngoại khoa ...................................... 3 1.2. Các loại vật liệu kim loại dùng trong kết xương bên trong và cấy ghép…………………………………………………………………………………………………………. 4 1.2.1. Thép không gỉ ................................................................................... 4 1.2.2. Hợp kim coban .................................................................................. 7 1.2.3. Hợp kim titan .................................................................................... 8 1.2.4. Hợp kim magie ............................................................................... 10 1.3. Tính tương thích sinh học………………………………………………………… …… 15 1.3.1. Khái niệm tính tương thích sinh học............................................... 15 1.3.2. Một số loại tiêu chuẩn đánh giá tính tương thích sinh học ............. 16 1.3.3. Các phương pháp đánh giá tính tương thích sinh học .................... 17 1.3.3.1. Độc tính với gen……………….. ………………… ………..… 17 1.3.3.2. Khả năng gây ung thư …………………………………………. 18 1.3.3.3. Vật liệu cấy ghép ……………………………………… ……....19 1.3.3.4. Tính kích ứng ………………………………………………. . 20 1.3.3.5. Đánh giá độc tính toàn thân ………………………………. . … 21 1
1.4. Các nghiên cứu đánh giá tính tương thích sinh học của hợp kim Magie . ……………………………………………………………………………………………. … 26 1.4.1. Đánh giá độc tính tế bào ................................................................. 26 1.4.2. Đánh giá hình thái ........................................................................... 27 1.4.3. Đánh giá nhiễm độc toàn thân ........................................................ 28 1.4.4. Biểu hiện gen và sự thay đổi nồng độ các Cytokin ........................ 29 1.5. Các nghiên cứu đánh giá khả năng hỗ trợ liền xương của hợp kim Magie…………………………………………………………………………………………………………. 30 1.5.1. Thử nghiệm trên động vật ............................................................... 30 1.5.2. Thử nghiệm lâm sàng trên người .................................................... 32 1.6. Tiêu chuẩn của một hệ thống nẹp và vít hợp kim khi sử dụng trong nghiên cứu………………………………………………………………………………………………34 1.6.1. Các tiêu chẩn của nẹp và vít hợp kim ............................................. 34 1.6.2. Nẹp và vít hợp kim Magie AZ31 ................................................... 35 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............. 38 2.1. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát……………………………………………………………..38 2.2. Nghiên cứu trên ống nghiệm - In vitro………………….……… .. …………….38 2.2.1. Sơ đồ nghiên cứu In vitro................................................................ 38 2.2.2 Đối tượng nghiên cứu ...................................................................... 39 2.2.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................ 40 2.2.4. Các chỉ số nghiên cứu ..................................................................... 41 2.2.5. Kỹ thuật và công cụ thu thập số liệu ............................................... 42 2.3. Nghiên cứu thực nghiệm trên động vật - Invivo ……………………………..44 2.3.1. Sơ đồ nghiên cứu in vivo ................................................................ 44 2.3.2. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................... 44 2
2.3.3. Thời gian và địa điểm nghiên cứu .................................................. 46 2.3.4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................ 46 2.3.5. Phẫu thuật và thu thập số liệu ......................................................... 47 2.3.6. Các chỉ tiêu đánh giá nghiên cứu .................................................... 55 2.3.7. Quy trình lấy mẫu bệnh phẩm mô bệnh học ................................... 56 2.3.8. Đạo đức nghiên cứu trong thử nghiệm In vivo ............................... 56 2.4. Vật liệu, máy móc, trang thiết bị……………………………………………………..57 2.5. Xử lý số liệu.............................................................................................58 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................... 59 3.1. Nghiên cứu trên ống nghiệm- In vitro……. ……………………………………….59 3.1.1. Sự thay đổi của các thành phần trong môi trường giả định – dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người ............................................................. 59 3.1.2. Kết quả thử nghiệm vật liệu trong môi trường nuôi cấy tế bào trong môi trường MEM-α ................................................................................... 60 3.2. Nghiên cứu trên động vật (thỏ) - In vivo ……………………………………… .63 3.2.1. Đáp ứng toàn thân của thỏ nghiên cứu ........................................... 63 3.2.2. Kết quả xét nghiệm huyết học và sinh hóa ..................................... 66 3.2.3. Kết quả trên XQ .............................................................................. 82 3.2.4. Kết quả mô bệnh học ...................................................................... 90 CHƯƠNG 4: BÀN LUẬN ............................................................................ 94 4.1 Về nghiên cứu In vitro………………………………………………………………………94 4.1.1. Sự thay đổi của các thành phần trong môi trường giả định – dung dịch mô phỏng dịch cơ thể người ............................................................. 94 4.1.2. Kết quả thử nghiệm vật liệu trong môi trường tế bào..................... 95 4.2. Về nghiên cứu In Vivo……………………………………………………………………..98 4.2.1. Đáp ứng toàn thân của thỏ .............................................................. 98 4.2.2. Kết quả đánh giá độc tính ............................................................... 99 3
4.2.3. Kết quả cấy ghép vật liệu vào cơ đùi thỏ ...................................... 105 4.2.4. Kết quả cấy ghép khi bắt vít vào xương đùi thỏ ........................... 109 4.2.5. Kết quả cấy ghép đặt nẹp vít vào xương đùi thỏ .......................... 113 KẾT LUẬN .................................................................................................. 121 KIẾN NGHỊ ................................................................................................. 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 124 4
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số loại hợp kim Magie .................... 11 Bảng 1.2 Một số loại test cần đánh giá đối với các thiết bị y tế dựa trên đặc điểm tiếp xúc của thiết bị với cơ thể người theo tiêu chuẩn ISO 10993-1:2009 [55] ............................................................................................................... 17 Bảng 1.3. Chỉ tiêu đánh giá sự tăng sinh của tế bào ....................................... 28 Bảng 1.4. Bảng tổng hợp về các tiêu chuẩn của các vật liệu khác nhau so với xương ............................................................................................................... 34 Bảng 1.5. Thành phần hợp kim Magie AZ31 ................................................ 35 Bảng 1.6. Các tiêu chuẩn về cơ lý của vật liệu kết xương Magie AZ31 ....... 36 Bảng 2.1. Thành phần dịch mô phỏng SBF dựa trên dịch Hanks................... 42 Bảng 3.1. Lượng Ion Magie2+ giải phóng ra dung dịch trong quá trình thử nhúng hợp kim Magie AZ31 phủ HA và hợp kim magie AZ31 không phủ HA ............................................................................................... 59 Bảng 3.2. Số lượng tế bào tại năm vị trí được chọn trong hình 3.4 ................ 62 Bảng 3.3. Nồng độ tế bào thay đổi theo thời gian .......................................... 62 Bảng 3.4. Nồng độ IL-1β huyết tương trước và sau phẫu thuật ..................... 64 Bảng 3.5. Nồng độ IL-6 huyết hương trước và sau phẫu thuật ở ba nhóm thỏ được kết xương bằng nẹp vít ........................................................................... 64 Bảng 3.6. Nồng độ TNF-α huyết hương trước và sau phẫu thuật................... 65 Bảng 3.7. Các chỉ số hồng cầu ở 2 nhóm thỏ cấy đĩa vào cơ đùi ................... 66 Bảng 3.8. Các chỉ số bạch cầu ở 2 nhóm thỏ cấy đĩa vào cơ đùi.................... 67 Bảng 3.9. Các chỉ số tiểu cầu ở 2 nhóm thỏ cấy đĩa vào cơ đùi ..................... 68 Bảng 3.10. Các chỉ số hồng cầu ở 3 nhóm thỏ cấy vít vào xương đùi ........... 69 Bảng 3.11. Các chỉ số tiểu cầu ở 3 nhóm thỏ cấy vít vào xương đùi ............. 70 Bảng 3.12. Các chỉ số bạch cầu của 3 nhóm thỏ cấy vít vào xương đùi ........ 71 Bảng 3.13. Các chỉ số hồng cầu ở 3 nhóm thỏ kết xương bằng nẹp vít ......... 73 Bảng 3.15. Các chỉ số bạch cầu của 3 nhóm thỏ kết xương nẹp vít ............... 76 5
Bảng 3.16. Các chỉ số đánh giá chức năng thận ở 3 nhóm thỏ cấy đĩa vào cơ đùi ............................................................................................................... 77 Bảng 3.17. Các chỉ số đánh giá chức năng gan ở 3 nhóm thỏ cấy đĩa vào cơ đùi ............................................................................................................... 78 Bảng 3.18. Các chỉ số đánh giá chức năng thận ở 3 nhóm thỏ cấy vít vào xương đùi......................................................................................................... 79 Bảng 3.19. Các chỉ số đánh giá chức năng gan ở 3 nhóm thỏ cấy vít vào xương đùi......................................................................................................... 79 Bảng 3.20. Các chỉ số đánh giá chức năng thận ở 3 nhóm thỏ kết xương bằng nẹp vít .............................................................................................................. 80 Bảng 3.21. Các chỉ số đánh giá chức năng gan ở 3 nhóm thỏ kết xương bằng nẹp vít .............................................................................................................. 81 Bảng 3.22. Hình ảnh bóng khí trên phim XQ của 3 nhóm thỏ được cấy đĩa kim loại vào cơ đùi .......................................................................................... 82 Bảng 3.23. Hình ảnh vật liệu trên phim XQ của 3 nhóm thỏ cấy đĩa kim loại vào cơ đùi ........................................................................................................ 82 Bảng 3.24. Hình ảnh bóng khí trên phim XQ của 3 nhóm thỏ được cấy vít vào xương đùi......................................................................................................... 84 Bảng 3.25. Hình ảnh tiêu hủy vật liệu của 3 nhóm thỏ cấy vít vào xương đùi85 Bảng 3.26. Hình ảnh XQ xương đùi của 3 nhóm thỏ cấy vít vào xương đùi . 86 Bảng 3.27. Hình ảnh bóng khí trên phim XQ của 3 nhóm thỏ được kết xương nẹp vít xương đùi ............................................................................................ 87 Bảng 3.28. Hình ảnh vật liệu trên phim XQ của 3 nhóm thỏ được kết xương nẹp vít xương đùi ............................................................................................ 88 Bảng 3.29. Hình ảnh xương đùi thỏ trên phim XQ của 3 nhóm thỏ kết xương nẹp vít xương đùi ............................................................................................ 89 Bảng 3.30: Kết quả mô bệnh học phần mềm tại vị trí đặt đĩa của thỏ theo các mốc thời gian ................................................................................................... 90 6
Bảng 3.31: Kết quả mô bệnh học xương và phần mềm tại vị trí vít của thỏ theo các mốc thời gian .................................................................................... 91 Bảng 3.32: Kết quả mô bệnh học xương và mô cơ vân tại vị trí nẹp vít của thỏ theo các mốc thời gian .................................................................................... 92 Bảng 3.33: Kết quả mô bệnh học mô não và mô gan tại của thỏ sử dụng nẹp vít sau 6 tháng ................................................................................................. 93 7
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Hình ảnh gãy của vật liệu kết xương bên trong trước khi ................ 5 liền xương.......................................................................................................... 5 Hình 1.2. Bộ phận khớp làm từ hợp kim CoCrMo ........................................... 8 Hình 1.3. Hình ảnh gãy chuôi trong thay khớp háng ........................................ 9 ở bệnh nhân ....................................................................................................... 9 Hình 1.4. Liên kết sinh học, các sợi collagen chèn vào lớp bề mặt của mô cấy hydroxyapatite sau khi cấy 3 tháng, được mô tả bằng các mũi tên [27]......... 10 Hình 1.5. Một số phương tiện kết xương từ Magie và hợp kim Magie[49], [50] 15 Hình 1.6. Quá trình phân chia nhân tế bào...................................................... 18 Hình 2.1. Mô hình thử nhúng trong dung dịch Hank...................................... 40 Hình 2.2. Năm vị trí được chọn để khảo sát mật độ tế bào còn sống sau thí nghiệm nuôi cấy. ............................................................................................. 43 Hình 2.3. Hình ảnh thiết kế vít và sản phẩm ................................................... 45 Hình 2.4. Hình ảnh thiết kế nẹp vít và sản phẩm ............................................ 46 Hình 2.6. Hình ảnh nhóm đang cấy mẫu đĩa vào đùi thỏ................................ 48 Hình 2.7. Tiến hành đặt vít lên xương đùi thỏ ................................................ 51 Hình 2.8. Ảnh nẹp và vít AZ 31 phủ và không phủ HA, titan ........................ 53 Hình 2.9. Tiến hành đặt nẹp vít lên xương đùi thỏ ......................................... 54 Hình 3.1. Bề mặt của các mẫu sau 14 ngày thử nhúng ................................... 60 Hình 3.2. Năm vị trí được chọn để khảo sát mật độ tế bào còn sống sau thí nghiệm nuôi cấy( gồm 4 vị trí ở rìa đĩa và 1 vị trí ở trung tâm) ..................... 61 Hình 3.3. Ảnh hiển vi quang học của mẫu không phủ (a và c) và mẫu phủ HA (b và d) sau 24 giờ nuôi cấy tế bào trong môi trường giả định MEM- ........ 61 Hình 3.4. Ảnh hiển vi quang học của năm điểm được chọn trên bề mặt mẫu vật Magie AZ 31 phủ HAp sau thí nghiệm nuôi cấy tế bào 24 giờ ................ 62 Hình 3.5. Hình ảnh biểu thị số lượng tế bào trên bề mặt của mẫu Magie AZ31 8
không phủ sau 24 giờ ngâm ............................................................................ 63 Hình 4.1. Hình ảnh tế bào bám dính trên bề mặt đĩa MagieAZ31 phủ HA .... 98 Hình 4.2. Hình ảnh XQ cấy đĩa vào cơ đùi thỏ sau 1 tháng và sau 6 tháng . 107 Hình 4.3. Ảnh mô bệnh học nhóm cấy đia kim loại vào cơ đùi thỏ ............ 108 Hình 4.4. Ảnh chụp XQ nhóm cấy vít vào xương đùi thỏ sau 6 tháng......... 111 Hình 4.5. Hình ảnh mô bệnh học nhóm cấy vít magie AZ31 không phủ HA, nhóm cấy vít Magie AZ31 phủ HA và nhóm cấy vít titan ở tháng thứ 6 .... 112 Hình 4.6. Hai nhóm được đặt nẹp hợp kim và hợp kim Magie AZ31 không tráng phủ Ca-P( a-c) AZ31 phủ Ca–P(d-f) khi cắt thành xương tạo 1 đường hầm 114 Hình 4.7. Mô hình nghiên cứu của Govindaraj Perumal và cộng sự [128] .. 115 Hình 4.8. Hình ảnh tấm magieAZ31 phủ F2 trong nghiên cứu của Weilin Yu [129] ............................................................................................................. 116 Hình 4.9. Hình XQ thỏ nẹp vít vào xương đùi thỏ 6 tháng .......................... 117 Hình 4.10. Hình ảnh mô bệnh học nhóm nẹp vít Magie AZ31 không phủ HA, nhóm magie AZ31 phủ HA và nhóm Titan ở tháng thứ 6 ........................... 120 9
DANH MỤC VIẾT TẮT CNHA: Calci Nano hydroxyapatite. CT: Cắt lớp vi tính. Dung dịch mô phỏng huyết tương: SBS. HA: Hydroxyapatite. Implant: Vật liệu cấy ghép. In vivo: Nghiên cứu thực nghiệm trên động vật. In vitro: Nghiên cứu thực nghiệm trên ống nghiệm. MBH : Mô bệnh học. Magie: Magie . NC : Nghiên cứu. OM: Kính hiển vi quang học. PMMA : Polymethylmethacrylate. PT : Phẫu thuật. SEM: Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscope). STT: Số thứ tự. TTSH: Tương thích sinh học. TN : Thử nghiệm . VL : Vật liệu. 10
ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, sự gia tăng các bệnh lý liên quan đến xương khớp như: thoái hóa, thấp khớp, tai nạn lao động, tai nạn thể thao đã và đang thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của nền công nghiệp vật liệu nhằm hỗ trợ và phục vụ tốt hơn cho các yêu cầu lâm sàng trong chuyên ngành chấn thương chỉnh hình [1], [2]. Điều này có ý nghĩa quan trọng và góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống của người bệnh, giảm các chi phí điều trị … Một trong những phương pháp điều trị quan trọng trong chấn thương chỉnh hình là kết xương bên trong, sử dụng các phương tiện để cố định xương gãy. Việc sử dụng các phương tiện kết xương trong chấn thương chỉnh hình đã có từ khoảng 300 năm trước [3]. Kim loại là một trong những nguyên liệu được sử dụng từ khá sớm. Theo các kết quả khảo cổ học thu được, ngay từ trước công nguyên con người đã sử dụng vật liệu kim loại làm implant [3]. Sắt, vàng bạc được sử dụng đầu tiên và sau đó là các hợp kim. Bắt đầu từ thế kỷ XX, ngành công nghiệp luyện kim và nghiên cứu chế tạo vật liệu mới phát triển mạnh. Gần đây một số loại kim loại có có cơ tính tốt hơn đã được chế tạo thành công như thép không gỉ 316L, hợp kim Crom - Ni ken và hợp kim Titan....giúp chuyên ngành chấn thương chỉnh hình phát triển ngày càng mạnh mẽ. Các kim loại sử dụng trong chấn thương chỉnh hình từ khi ra đời đã luôn được cải tiến tùy theo mục đích sử dụng. Thế hệ đầu tiên là các vật liệu chế tạo từ các kim loại trơ với môi trường như: thép không gỉ 316L, Coban… Chúng giúp đạt được kết quả tốt về phục hình xương ban đầu nhưng trong quá trình cấy ghép lâu dài lại gây hiện tượng liên kết lỏng lẻo với xương do các đặc tính cơ học cũng như sức bền, chịu lực của vật liệu cao hơn xương rất nhiều. Thêm vào dó là hiện tượng mỏi kim loại do ăn mòn và ma sát khi vận động. Thế hệ dụng cụ kim loại thứ hai ra đời nhằm khắc phục các nhược điểm trên với các ưu điểm vượt trội hơn về khả năng liên kết, khả năng kích thích quá trình tái tạo và liền xương như các hợp kim của titan phủ hydroxyapatite (HA)… Cùng với sự phát triển của vật liệu, cũng như những đòi hỏi ngày càng cao hơn trong chấn thương chỉnh hình, các nhà lâm sàng mong muốn tìm ra được một loại vật liệu vừa có khả năng đảm bảo chức năng chỉnh hình 1
xương, nhưng thời gian tồn tại chỉ cần đủ dài để quá trình liền xương hoàn thành và sau đó chúng có khả năng tự phân hủy sau khi xương đã liền do đó không cần phải tháo bỏ phương tiện kết xương. Theo những ý tưởng này, các nghiên cứu về vật liệu kim loại mới trên thế giới đã có những công bố bước đầu về sử dụng các loại vật liệu có khả năng tự phân hủy như hợp kim magie, TiNi [4], [5], [6]. Ở Việt Nam hiện tại các công trình nghiên cứu về vật liệu kim loại để sản xuất dụng cụ kết xương có khả năng tự phân hủy sau khi liền xương còn chưa nhiều, chưa có sản phẩm cụ thể và còn rất ít được nghiên cứu, thông báo trong y văn[7], [8] . Xuất phát từ thực tế này, nhóm nghiên cứu chúng tôi thực hiện đề tài nghiên cứu “ Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm” với hai mục tiêu như sau: Mục tiêu 1: Đánh giá khả năng tương thích sinh học của vật liệu cấy ghép Magie AZ31 phủ Hydroxyapatite. Mục tiêu 2: Đánh giá tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của vật liệu cấy ghép Magie AZ31 phủ Hydroxyapatite. 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Sơ lược về kim loại sử dụng trong ngoại khoa Trong số các vật liệu được sử dụng trong ngoại khoa, kim loại có lịch sử dài nhất. Trước công nguyên, cách đây khoảng 9000 năm, các nhà khảo cổ tìm thấy một người đàn ông gần Kennewick, Washington, Mỹ với một cái mác đóng vào vùng háng nhưng hoàn toàn liền bình thường và không làm ảnh hưởng vận động. Khoảng năm 200 trước công nguyên, implant răng sắt rèn được sử dụng [9]. Đa số các loại implant trước năm 1950 đều có khả năng thành công thấp do những hiểu biết chưa đầy đủ về tính tương thích sinh học và vô khuẩn. Thí nghiệm đầu tiên đánh giá tính tương thích sinh học của các vật liệu implant được thực hiện bởi Levert H.S.. Vàng, bạc, đồng và platinum được nghiên cứu trên chó và platinum hầu như được dung nạp. Năm 1886, đĩa kết xương bằng tấm thép mạ nickel và chỉ mạ nickel được nghiên cứu. Năm 1924, A. Zierold mô tả các phản ứng tại mô với các kim loại trên chó. Sắt và thép nhanh chóng bị ăn mòn dẫn đến sự hấp thụ vào xương. Đồng, magie , lõi nhôm, kẽm và nickel không làm đổi màu tổ chức xung quanh. Vàng, bạc, chì và nhôm được chấp nhận nhưng bị ăn mòn. Trong năm 1926, M.Large ghi nhận tính trơ của thép không gỉ 18-8 chứa molybden. Khoảng 1929, hợp kim Vitall (65% Co- 30% Cr – 5% Mo) được phát triển và sử dụng thành công trong nha khoa. Trong năm 1947, J.Cotton đã đề nghị sử dụng titanium và hợp kim trong implant [9]. Hợp kim Chrom-cobalt và thép không gỉ được chế tạo thành công đã mở ra những ứng dụng mới trong cả y học [10], [11]. Đầu thế kỷ XX, ngành công nghiệp luyện kim và nghiên cứu chế tạo vật liệu mới phát triển, một số loại kim loại có đặc tính chống ăn mòn và có cơ tính tốt hơn đã được chế tạo thành công như hợp kim crôm - ni ken, hợp 3
kim cô ban, titan và hợp kim titan.... một số loại có thể đạt được tương thích sinh học và các đặc tính cơ học phù hợp để sử dụng làm phương tiện cấy ghép bên trong trong chấn thương chỉnh hình. Các phương tiện kết xương được chế tạo từ những vật liệu này đã đạt được nhiều thành công trên lâm sàng như nẹp Lane (1914), dây thép chế tạo từ hợp kim crôm-ni ken mang ký hiệu AS2, AS4 (Böhler-1919), đinh Smith - Peterson (1931), đinh Küntscher (1940), nẹp Danis (1949), nẹp nén ép AO (Müller - 1965) [12]. Cho đến nay, nhu cầu về sử dụng vật liệu kim loại trong ngoại khoa vẫn tăng dần. Ước tính nhu cầu của thế giới cho ngành công nghiệp vật liệu sinh học có trị giá khoảng 135,4 tỷ đô la năm 2021, và nó có thể tăng thêm 15,4% vào năm 2030. Trong đó, vật liệu tương thích sinh học sử dụng cho chỉnh hình chiếm thị phần lớn nhất tới 23% tổng nhu cầu, đứng thứ hai là tim mạch, sau đó đến nha khoa [13]. 1.2. Các loại vật liệu kim loại dùng trong kết xương bên trong và cấy ghép 1.2.1. Thép không gỉ Thép không gỉ là tên gọi chung cho một số loại làm từ hợp kim sắt có chứa tỷ lệ cao crom (11–30% trọng lượng) và niken với tỷ lệ khác nhau, là loại thép không bị ô-xy hoá trong môi trường khí quyển, bền trong môi trường ăn mòn và xâm thực.Thép không gỉ có thể được chia thành 2 nhóm chính dựa vào thành phần của vật liệu là: loại chỉ chứa crom và loại chứa hỗn hợp crom-niken. Năm 1926, thép không gỉ 18-8 (18% Chromium - 8% Nickel) được sử dụng để chế tạo các phương tiện kết xương. Thép có khả năng chống ăn mòn trong môi trường dịch của cơ thể. Đến cuối năm 1926, thép không gỉ 18- 8SMo có chứa một lượng nhỏ molipdenium để tăng tính chống ăn mòn trong môi trường nước muối đã được ứng dụng và gọi là thép 316. Đến năm 1950, hàm lượng carbon trong thép này giảm từ 0,08% xuống còn 0,03%, có độ chống ăn mòn tốt hơn và được gọi là thép 316L [11]. Đây là loại thép được sử 4
dụng chế tạo phương tiện kết xương phổ biến nhất hiện nay do đáp ứng được các tiêu chuẩn mà Pidhorz L. đã đưa ra một cách tương đối nhất. * Các đặc tính cơ học của thép không gỉ Thép không gỉ 316L cứng hơn nhiều so với xương. Mô đun đàn hồi của thép không gỉ là 200Gpa, của xương là 10- 30 Gpa; giới hạn bền kéo của vật liệu UTS của thép không gỉ là 540 – 1000 Mpa, của xương là 130 – 150 Mpa [4]. Xét về mô đun đàn hồi, giới hạn bền kéo của vật liệu và độ dẻo dai khi gãy, lịch sử ứng dụng lâm sàng của chúng đã cho thấy rằng chúng không an toàn để sử dụng cho một thiết bị cố định ở các vị trí chịu lực. Điều này là do các điều kiện làm việc cơ học bên trong cơ thể phức tạp hơn nhiều so với tải nén đơn giản. Sức chịu đựng của thép không gỉ là khá thấp trong cấy ghép so với coban hay các loại hợp kim titan [14]. Thép không gỉ để cấy ghép là hợp kim rèn (tức là chúng được chế tạo bằng cách rèn và gia công). Khả năng chịu đựng của thép không gỉ 316L trong dung dịch muối kém hơn trong không khí. Trong môi trường dịch sinh học, nó có khả năng chịu lực khoảng 200 – 300 Pa. Ở xương đùi, ứng suất tối đa kéo khoảng 200Pa. Tuy nhiên, việc rèn lại tạo ra các lỗ trên vật liệu, từ đó cộng hợp với các lực kéo tạo thành các vết nứt gãy. Hình 1.1. Hình ảnh gãy của vật liệu kết xương bên trong trước khi liền xương 5
* Các ứng dụng của thép không gỉ trong chấn thương chỉnh hình Việc sử dụng thép không gỉ 316L trong các thiết bị cấy ghép lâu dài thành công của nó là nhờ công của Sir John Charnley, người đã thúc đẩy quy trình thay khớp háng toàn bộ [15], [16]. Số lượng phẫu thuật thay khớp háng toàn bộ tăng nhanh từ năm 1970. Tuy nhiên, tỉ lệ gãy xương đùi với thép không gỉ nhiều hơn so với coban. Phân tích hư hỏng cho thấy nguyên nhân xuất phát từ khả năng chịu đựng và bắt nguồn từ các khiếm khuyết ở thân xương. Từ những năm 1990, bắt đầu có các báo cáo về các lỗi do nới lỏng thiết bị. Phân tích hư hỏng thấy nguyên nhân do sự ăn mòn trên bề mặt thân hoặc đầu của thiết bị cấy ghép, tương quan với chu kỳ hỏng hóc và thoái hóa của kim loại. Để khắc phục những hạn chế từ loại thép không gỉ cũ trước đây, các nhà sản xuất đã khắc phục bằng cách sử dụng thép không gỉ 316L không chứa niken và sử dụng nitơ thay thế. Tại Việt Nam đã có các công trình nghiên cứu về thép không gỉ K92, ứng dụng sản xuất phương tiện kết xương trong chấn thương chỉnh hình của các tác giả Lưu Hồng Hải (năm 2003) [17], [18] và Trần Anh Tuấn năm 2009 [19], [20] * Độc tính của từng yếu tố đối với cơ thể: Nồng độ sắt tự do trong máu cao sẽ phản ứng với peroxit để tạo ra các gốc tự do, các gốc này có tính phản ứng cao và có thể làm hỏng DNA, protein, lipid và các thành phần tế bào khác. Sắt thường làm tổn thương các tế bào ở tim và gan, có thể gây ra các tác dụng phụ đáng kể, bao gồm hôn mê, nhiễm toan chuyển hóa, sốc, suy gan, rối loạn đông máu, hội chứng suy hô hấp ở người lớn, tổn thương cơ quan lâu dài và thậm chí tử vong nếu không được điều trị. Con người bị nhiễm độc sắt trên 20 magie/kg khối lượng cơ thể, và 60 magie/kg được coi là liều lượng gây chết người. Hiện nay chưa có báo cáo nào công bố về tác dụng phụ do giải phóng sắt từ việc cấy ghép dụng cụ từ thép không gỉ [4]. Crom trong thành phần thép không gỉ có tác dụng chống 6