Các Nguyên Lý của Tương Hợp Sinh Học

Mục Tiêu:

Nắm được các đáp ứng của vật liệu đối với cơ thể

Tương hợp cơ học, hóa học, điện học, và sinh học

Nắm được các đáp ứng của cơ thể đối với vật liệu.

Vật liệu sinh học vs. vật liệu tổng hợp

Nắm được các đáp ứng của thiết bị y khoa đối với các mô cơ thể.

Hiểu được các vấn đề và các cơ hội.

Tài Liệu  Môn Học:

Janeway’s Immunobiology, 8th edition, Garland Science

Chapters; Scientific Articles; Review Papers; Lecture Notes.

Định Nghĩa:

Tương hợp sinh học (biocompatibility): là khả năng của một thiết bị y khoa trong việc thực hiện những chức năng mong muốn (tính hiệu quả) mà không gây ra những sự thây đổi nguy hiểm đối với các mô tại chỗ và các mô hệ thống trong suốt thời gian sống của thiết bị đó bên trong cơ thể con người (tính an toàn).

Trong thực tế, cần phải cân nhắc giữa mức độ nguy hiểm và lợi ích của thiết bị. Nếu thiết bị đó khi được cấy vào cơ thể và gây ra ngứa ngáy khó chịu nhưng có thể giúp điều trị ung thư thì có thể đặt lợi ích lên trên mức độ nguy hiểm.

Sơ Đồ Môn Học:

  1. Tương Hợp Cơ Học
  2. Cầm Máu và Tương Hợp Máu
  3. Các Chiến Lược Chống Huyết Khối
  4. Tương Hợp Huyết Động Học
  5. Sự Lành Vết Thương, Miễn Dịch Tự Nhiên, và Đáp Ứng của Cơ Thể
  6. Hệ Thống Bổ Thể
  7. Điều Hòa và Bất Điều Hòa Hệ Thống Bổ Thể
  8. Tương Hợp Điện Học và Sự Lành Vết Thương ở Hệ Thần Kinh
  9. Miễn Dịch Thu Được – Miễn Dịch Tế Bào T
  10. Miễn Dịch Thu Được – Miễn Dịch Tế Bào B
  11. Tương Hợp Tế Bào Gốc

Bài 1: Tương Hợp Cơ Học

  1. Giới Thiệu Các Khái Niệm Về Khoa Học Vật Liệu:

Tài Liệu Tham Khảo:

Chapter 6 – 8: Callister – Materials Science and Engineering – An Introduction 7e (Wiley, 2007)

Vì đây chỉ là phần giới thiệu về Khoa học Vật Liệu, nên nội dung sẽ được lược trích rất nhiều. Các bạn độc giả chỉ cần nắm những khái niệm chính để phục vụ cho việc tìm hiểu về tương hợp cơ học. Các công thức và chứng minh không cần nắm.

Xét một cái xương cẳng chân. Có 3 loại áp lực tác dụng lên xương. Đó là “nén, căng, và trượt.” (compression, tension, and shear). Các áp lực nén và căng được định nghĩa là tỉ số giữa độ lớn của lực vuông góc với thiết diện trên diện tích của thiết diện đó. Còn áp lực trượt được định nghĩa là tỉ số giữa độ lớn của lực song song với thiết diện trên diện tích của thiết diện đó. Trong thực tế, các hệ sinh học luôn chịu các áp lực tổng hợp cả 3 loại này. Ví dụ: động tác nhai và chuyển động của khớp háng.

Độ biến dạng (strain) là tỉ lệ giữa độ lệch so với chiều dài ban đầu của vật liệu.

ε=(l-lo)/lo = Δl/lo

Biến Dạng Đàn Hồi:

Khi các áp lực tác dụng lên vật liệu trong một phạm vi nhất định, vật liệu sẽ bị biến dạng và sẽ có xu hướng quay trở lại trạng thái cân bằng. Điều này tương tự như cái lò xo và tuân theo Định Luật Hooke: F = kΔ, trong đó F: lực tác dụng, K: hệ số lò xo, và Δ: độ dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng. Mối liên hệ giữa áp lực và biến dạng là tuyến tính.

Tension/Compression: δ = Eε, trong đó E là Young’s modulus.

Shear: τ = Gγ, trong đó G là Shear modulus.

Biến Dạng Vĩnh Viễn:

Khi vật liệu chịu một áp lực tăng dần, đến một mức nào đó vật liệu sẽ bị biến dạng vĩnh viễn. Giống như khi các bạn kéo lò xo quá mức, lò xo sẽ không thể co lại trí ban đầu nữa. Đến một lúc nào đó, vật liệu sẽ bị gẫy.

Gẫy (Fracture): xảy ra khi vật liệu chịu một áp lực lớn hơn mức chịu đựng của vật liệu. Các liên kết giữa các nguyên tử bị đứt gây ra gẫy. Vật liệu bị gẫy theo 2 bước.

Bước 1: Hình thành vết nứt.

Bước 2: Vết nứt lan ra cho tới khi gẫy.

Phân loại:

  1. Gãy Dẽo (Ductile): vết nứt lan chậm và ổn định; ở gần đỉnh vết nứt có biến dạng vĩnh viễn. Kết quả của gãy dẽo là một đầu nhọn (cone) và một đầu lõm (cup). Xem hình vẽ.
  2. Gãy Giòn (Brittle): vết nứt lan nhanh và không ổn định; ở gần vết nứt có rất ít biến dạng vĩnh viễn. Kết quả của gãy giòn là cả hai đầu đều phẳng và có dạng các hạt nhỏ (grainy).

Mỏi (Fatigue):

Tài liệu tham khảo: International Journal of Fatigue 22 (2000) 825–837

Mỏi là khi vật liệu chịu đựng một tải trọng động có tính lặp lại liên tục. Vật liệu sẽ bị gẫy sau một thời gian cho dù áp lực gây ra gẫy có thể là nhỏ. Trên bề mặt vật liệu bị gẫy có thể có dạng ductile hoặc brittle. Ngoài ra một đặc trưng của mỏi nữa là bề mặt có các vân.

Dão (Creep):

Mòn (Wear):

Tài liệu tham khảo: Proc InstnMech Engrs Vol 216 Part J: J Engineering Tribology

Mòn là một đáp ứng hệ thống phức tạp. Hiện nay các nhà khoa học vật liệu vẫn chưa hoàn toàn hiểu và dự đoán được mòn. Đây là một vấn đề lớn trong công nghệ y sinh.

Ví dụ: Khớp háng nhân tạo (hip implant). Trong trường hợp này có sự cọ xát giữa ổ khớp và khối ụ mỗi khi bệnh nhân di chuyển. Nếu sử dụng vật liệu kim loại, các hạt kim loại nhỏ rơi ra từ sự cọ sát sẽ nằm trong các mô xung quanh. Các tế bào đại thực bào di chuyển đến và tìm cách thực bào. Tuy nhiên, các hạt kim loại không bị tiêu hủy được. Điều này làm cho các phản ứng viêm kéo dài có khi tới hàng năm. Hơn nữa, các hạt kim loại bám vào các proteins gây biến dạng các proteins này. Sự biến dạng đó làm mất chức năng của proteins và có thể gây ra bệnh tự miễn (autoimmune diseases).

  1. Sự Lệch Pha về Mođun (Modulus Mismatch)

Trong phần I có đề cập đến mối liên hệ giữa stress và strain. Hằng số tỉ lệ giữa hai đại lượng này là mô đun Young (Young’s modulus).

Young’s modulus ≡ E = stress / strain

Young’s modulus đặc trưng cho độ cứng (stiffness) của vật liệu. Young’s modulus càng lớn thì vật liệu càng cứng.

Sự Lệch Pha về Modulus:

Tài liệu tham khảo: JBJS 1997, 791007-12

Ví dụ: Khớp háng nhân tạo. Khi bệnh nhân được cấy ghép khớp háng nhân tạo, Young’s modulus của khớp nhân tạo rất lớn so với Young’s  modulus của xương. Điều này dẫn đến việc các áp lực hầu hết sẽ dồn lên khớp nhân tạo, còn xương sẽ chịu ít áp lực hơn trước. Hiện tượng này gọi là “sự che chắn áp lực” (stress shielding). Kết quả nghiên cứu cho thấy stress shielding gây ra mất xương (bone loss) ở 23% các trường hợp trong tổng số 207 khớp háng nhân tạo được khảo sát.

Số liệu:

E (bone) = 18 GPa

E (Titanium) = 125 GPa

E (SS) = 200 GPa

E (Co-Cr) = 240 GPa

III. Sự Mất Xương (Bone Loss):

  1. Mất Xương Do Sự Lệch Pha về Modulus:

Tài liệu tham khảo: Clin Ortho & Related Res (1992) 274124‐134

Nghiên cứu này cho thấy sự mất xương tập trung ở những khu vực có kích thích cơ học thấp. Điều này phù hợp với phần ở trên. Đó là những nơi gần khớp nhân tạo thì xương ít chịu lực, còn những nơi xa khớp nhân tạo thì xương chịu nhiều lực. Trên hình cho thấy đi từ trên xuống dưới, phần trăm bệnh nhân bị mất xương giảm dần.

  1. Mất Xương Do Vi Trọng Lực:

Tài liệu tham khảo: Vico et al. Lancet, 2000; 355(9215): 1607-1611

Các nhà khoa học quan sát thấy các phi hành gia khi ở trong môi trường không trọng lực sẽ có dấu hiệu mất xương. Ở càng lâu ngoài không gian thì lượng xương bị mất càng nhiều. Khi họ quay trở về Trái Đất và tập luyện thể thao thì lượng xương sẽ được phục hồi nhưng không bao giờ bằng với mức trước khi đi.

Thí nghiệm: Mô phỏng vi trọng lực và sự lành xương.

Có hai nhóm chuột. Nhóm 1: các chú chuột sống bình thường (nhóm control) và bị làm gẫy xương chân.

 

Nhóm 2: đuôi của các chú chuột bị treo lên dây ngang. Các chú chuột này sẽ sống trong tình trạng cơ thể bị treo lơ lững (mô phỏng vi trọng lực). Xương chân bị làm gẫy.

Quan sát trong 28 ngày sau khi xương bị gãy cho thấy: nhóm 1 phục hồi và xương lành trở lại như cũ; nhóm 2 xương không lành.

Thí nghiệm này cho thấy khi ở trong môi trường mô phỏng vi trọng lực, khả năng phục hồi của xương giảm đáng kể.

Nhược điểm: mô hình này không hoàn toàn mô phỏng vi trọng lực.

  1. Mất Xương Do Bất Động (Immobilization) và Không Sử Dụng (Disuse):

– Khi bệnh nhân nằm giường và bị liệt

– Bệnh nhược cơ (muscle atrophy)

-Ví dụ:Cầu răng nhân tạo. Khi lắp 2 răng nhân tạo ở hai bên 1 chiếc răng thật, hai răng nhân tạo này có Young’s modulus lớn hơn răng thật và sẽ chịu hầu hết các lực. Do đó, sự mất xương sẽ xảy ra xung quanh răng thật. Điều này cũng gây ra sự dịch chuyển của răng. Minh họa trên hình X-Quang.

  1. Các Cơ Chế Khả Dĩ Của Sự Chuyển Nạp Cơ Học

Tài liệu tham khảo: Gene, Volume 367, 2006, 1 – 16

Hiện nay có ba cách giải thích về sự chuyển nạp cơ học (mechanical transduction) ở xương. Đây là những cơ chế được hầu hết các nhà khoa học tin tưởng.

  1. Áp Lực Tạo Ra Điện Thế Cảm Ứng:

Trong mô hình này, áp lực cơ học tạo ra sự thay đổi về cấu trúc của xương và hình thành nên điện thế (electric potential). Xương bằng cách nào đó đã hành xử giống như một vật liệu piezoelectric. Khi thay đổi hình dạng của vật liệu piezoelectric này, một dòng điện sẽ được hình thành. Bằng một cách kỳ diệu nào đó, dòng điện này gây ra sự tạo xương.

  1. Vi Chất Lưu Trong Xương:

Xương là một vật liệu có cấu trúc lỗ (porous) rất lớn. Những lỗ này có vai trò như những vi kênh (micro-channels). Khi vi chất lỏng di chuyển trong xương và mang theo các ions, vi chất lưu hình thành nên một dòng điện. Dòng vi chất lỏng chuyển động sẽ gây ra một áp lực trượt (shear stress) trên bề mặt của vi kênh. Áp lực trượt này đủ quan trọng để kích hoạt các tế bào lót mặt trong của vi kênh và kích thích cơ chế cảm ứng xương.

  1. Sự Kéo Tế Bào Trực Tiếp:

Mô hình thứ ba này liên quan đến độ kéo (strain). Độ kéo sinh lý nằm trong ngưỡng 1,000-3,000 με. Khi áp lực gây ra độ kéo trên 25,000 με thì xương sẽ bị gẫy.

iumu5

Xem xét đồ thị biểu diễn sự liên hệ giữa Độ Kéo và Sức Mạnh Của Xương:

  • Với một độ kéo nhỏ: không có sự thay đổi sức mạnh của xương (bone strength). Điều này không có nghĩa là xương không thay đổi. Nó có nghĩa là sự thay đổi của xương đạt mức cân bằng.
  • Ở các nhà du hành vũ trụ và ở mô hình chuột bị treo ngược, chúng ta có độ kéo dưới 1,000 με: bắt đầu thấy sự sụt giảm sức mạnh của xương gây ra bởi sự giảm mật độ xương.
  • Giữa 1,5000-3,000 με: chúng ta có “sự quá tải nhẹ” (mild overload). Sự quá tải nhẹ là tốt, và đây là cách mà xương tự sắp xếp bản thân mình (remodeling). Xương thay đổi mật độ để đáp ứng lại sự quá tải nhẹ.
  • Trên 3,000 με: sự quá tải bệnh lý. Lúc này, sự tự sắp xếp ở xương không còn nữa mà thay vào đó là sự tạo lamellar (?) và woven bone (?).
  • 25,000 με: xương bị gẫy.

Độ kéo của xương có thể được gây ra bởi compression hoặc tension. Độc giả có thể tham khảo thêm bài báo: Engineering Fracture Mechanics 71 (2004) 1809–1840. Bài báo này nói về việc lúc nào thì compression hoặc tension gây ra sự tạo xương (bone formation) hoặc mất xương (bone removal).

iumu7

 

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*