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 [...]... bỏ vật liệu c y ghép Sự tiếp xúc của các vật liệu sinh học trong mơi trường làm lành vết thương (giàu hóa chất phản ứng và các hợp chất hoạt động sinh học) có thể g y ra xói mòn kim loại và phân h y polymer làm giải phóng các ion và các monomer (các chất ổn định, y u tố polymer hóa, chất nhũ tương…), hoạt động hóa học của các hợp chất n y có thể ảnh hưởng đến hóa học và làm thay đổi hình thể bề mặt vật. .. tĩnh mạch được l y từ máu của động vật, qua thử nghiệm vật liệu và đưa trở lại cơ thể động vật Trong trường hợp n y, các dữ liệu thu nhận được để xác định tính tương hợp sinh học máu của vật liệu là sự tích l y protein, sự bám dính tế bào máu và sự đóng cục trên bề mặt vật liệu iii) Các thử nghiệm chức năng Thử nghiệm n y cần ghép một vật liệu có chức năng, ví dụ ghép khớp háng và tim trong những vùng... nay, các vật liệu được sử dụng trong lâm sàng đã đạt u 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 g y đơng và cần chất chống đơng máu Các vật liệu sử dụng thời gian dài tương tự tác nhân tạo cục máu đơng như DacronTM [poly(ethylene... của các ion kim loại vẫn chưa được hiểu rõ Phần lớn các polymer sử dụng trong các ứng dụng y sinh hiện tại khơng g y phản ứng miễn dịch quan trọng Các vật liệu được thiết kế từ các polymer có thể phân h y sinh học và khi phân h y 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 ngồi qua con đường trao đổi... 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 khơng chức năng Trong trường hợp n y, các mẫu có hình dạng bất kỳ được ghép vào mơ mềm (dưới da, trong cơ, trong bụng) qua quy trình tiểu phẫu Nghiên cứu n y cần khoảng thời gian ngắn (vài ng y đến vài tháng) nhưng cung cấp thơng tin giá trị về các tương tác mơ – vật liệu sinh học tại... tác hệ sinh học /vật liệu sinh học bằng cách biến đổi bề mặt của polymer mà khơng 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 khơng nghẽn mạch của polymer Việc cố định các nhóm chức như nhóm hydroxyl, carboxyl, amino... 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 n y tạo ra sự khác các vật liệu di truyền hiện có Có thể minh 22 hoạ ý n y 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. .. 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)... ứng n y là mục tiêu trong việc thiết kế các vật liệu tương hợp máu - Những tiến bộ trong kỹ thuật ni c y tế bào đã cung cấp một mơ 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. .. 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 mơ’ Mục tiêu của kỹ nghệ mơ là khắc phục những hạn chế của các phương pháp điều trị truyền thống dựa trên c y ghép cơ quan và vật liệu sinh học Nó có tiềm . 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. 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