Vật liẹu sinh học

n Giới thiệu và sự phân loại chung của các vật liệun Các tính chất cơ học của vật liệu n Kết cấu và các đặc tính khác của vật liệu - Kim loại và hợp kim - Gốm và thủy tinh - Các polymer

Chương 7 Vật liệu sinh học

n Mô tả được sự khác nhau giữa các kim loại, gốm, polymer

n Mô tả một số kỹ thuật gia công được sử dụng để thay đổi

n Giới thiệu và sự phân loại chung của các vật liệu

n Các tính chất cơ học của vật liệu

n Kết cấu và các đặc tính khác của vật liệu

- Kim loại và hợp kim

- Gốm và thủy tinh

- Các polymer

n Đáp ứng của mô đối với các vật liệu

Giới thiệu và sự phân loại chung

n Định nghĩa “vật liệu sinh học”

n Liệt kê các quá trình, thông số và các công

dụng y sinh chung của các vật liệu

- Kim loại

- Gốm

- Polymer

- Composit

Các tính chất cơ học của vật liệu

n Sức bền vật liệu được mô tả chung bởi đường

cong ứng suất-biến dạng

Các tính chất cơ học của vật liệu

n Để xây dựng được biểu đồ này, một mẫu vật liệuđược tạo hình xương chó được kéo căng ra bằngmột máy thử nghiệm cơ học Cung cấp một lực

(Newton) cho mẫu vật này đo sự biến dạng của

nó (theo mm) Ứng suất, (N/m2 hoặc là pascal), được tính bằng lực chia cho tiết diện cắt ngang

ban đầu Biến dạng, (%), được tính bằng sự

thay đổi về chiếu dài chia cho chiều dài ban đầu

Các tính chất cơ học của vật liệu

Các tính chất cơ học của vật liệu

n Các tính chất quan trọng khác của vật liệu baogồm:

Các tính chất cơ học của vật liệu

n Các đường cong ứng suất-biến dạng có thể cung cấpthông tin về tính bền, tính giòn, tính dẻo…

n Đường cong nào ở trên cho biết ứng sử của một vậtliệu giòn?

Các tính chất cơ học của vật liệu

n Tại sao các ứng dụng sau đây là không tốt?

• Sự thay thế mạch máu bằng một ống kim loại

• Sự thay thế nhựa silicone cho dây chằng hay gân

• Nhựa silicone dùng để nối các xương nứt gãy

• Việc ghép da bằng gốm dẻo…

Kết cấu và các đặc tính khác

n Kim loại được cấu tạo từ các nguyên tử mà được

giữ với nhau bởi các liên kết mạng tinh thể

Kim loại và hợp kim

điện và dẫn nhiệt tốt?

Tại sao kim loại có tính dẻo?

n Khi kim loại đông đặc lại từ trạng thái lỏng (sự

chuyển pha từ lỏng sang rắn), các nguyên tử

thiết lập thành một dãy có trật tự được gọi là cấutrúc tinh thể Mặc dù tinh thể này có một trật tự

đều đặn nhưng các liên kết kim loại này bản thânchúng một cách tương đối vẫn mang tính “lỏng”

chính vì vậy đã làm cho kim loại có các đặc tính

dẻo (không giống các vật liệu mà có liên kết cộng

Kim loại và hợp kim

n Trong những cấu trúc tinh thể này, các nguyên tử

có thể sắp xếp theo dạng hình lập phương với

một nguyên tử ở tâm của hình lập phương được

gọi là khối thể tâm (BBC), hoặc là theo dạng hìnhlập phương mà một nguyên tử có mặt ở tâm củamỗi mặt phẳng thuộc hình lập phương đó, được

gọi là khối diện tâm (FCC)

n Trong một số trường hợp, kim loại ở thể rắn sẽ

chịu những sự đổi pha giữa các cấu trúc tinh thểkhác nhau khi nhiệt độ thay đổi (sự biến đổi thùhình)

n Sự lệch mạng là gì, nó ảnh hưởng như thế nào

đến tính chất của kim loại và các kỹ thuật gia

công ảnh hưởng đến nó như thế nào?

n Sự gia công lạnh là gì và nó ảnh hưởng như thế

nào đến các đặc tính của kim loại?

n Sự xử lý nhiệt là gì và nó ảnh hưởng như thế nàođến các đặc tính của kim loại?

n Thế nào là thép không gỉ và nó được chế tạo nhưthế nào?

Các đặc tính cơ bản nói chung:

Quá trình mà nhờ đó gốm được sản xuất theo hình

dạng mong muốn:

n Đầu tiên bột được xử lý để có độ tinh khiết cao

không được nung (green body)

n The green body được đưa lên một nhiệt độ mà

lúc đó nó kết hợp thành một cấu trúc đơn (đượcgọi là sự tổng ho8p hay sự dung kết) hình thànhcác hạt

n Các phần được dung kết sau đó được gia công

trên máy và tạo hình theo thiết kế cuối cùng

Gốm và thủy tinh

Cacbon nhiệt phân LTI là gì ? LTI đại diện cho cái gì?

Kết cấu và các đặc tính khác

polymer

n polymer có thể được định nghĩa như là:

n Những ưu điểm của polymer so với kim loại và

gốm:

n Những khuyết điểm của polymer so với kim loại

và gốm:

Các polymer có thể được phân loại dựa vào

n Cơ chế polymer hóa

Sự polymer hóa ngưng tụ

Sự polymer hóa cộng thêm (gốc tự do)

n Cấu trúc của polymer

Tuyến tính Phân nhánh

Các polymer có thể được phân loại dựa vào

n Ứng xử của polymer

- Chất nhiệt dẻo

- Thermosetting

n Sự polymer hóa ngưng tụ

n Sự polymer hóa cộng thêm (gốc tự do)

Hầu hết các polymer tự nhiên (polysaccharide, protein) được chế tạo bởi quá trình polymer hóa ngưng tụ

Khối lượng phân tử ảnh hưởng đến các

Chất đồng trùng hợp

n Định nghĩa:

n Các loại chất đồng trùng hợp:

Các tính chất của polymer

n Các ví dụ về các chất dẻo (nhiệt dẻo và nhiệt) vàchất đàn hồi

Thành phần của blood oxygenator và thiết bị thẩm tách thận, van tim

Polypropylence

Chất vữa cho hông nhân tạo

polymeryl methacrylate (PMMA)

Polyethylene

Vỏ cách ly và vỏ bọc cho các thành phần điện tử Polymonochloro-p-xylylene

Đường khớp, giàn khung

Polyamide (nylon)

Kính sát tròng, phần lót răng giả, ống dẫn thuốc, ống thông đường tiểu, phần phủ ngoài đường khớp

Polyhydroxyethyl methacrylate (PHEMA)

Cấy ghép về mạch, bulk implant

Màng thẩm tách thận Cellophane

Tim, van tim giả, blood oxygenator

Cao su silicone dành cho y học (có

tính đàn hồi cao nhất, tính tương thích

Được nghiên cứu như bề mặt mạch máu, acetabular cup của bộ phận hông nhân tạo

Polyurethanes (trở hóa, tính tương

thích mô)

Được nghiên cứu như bề mặt mạch máu, vật liệu làm dấu ấn (khuôn dẻo)

Cao su thiên nhiên được lọc tinh chế

Được nghiên cứu như bề mặt mạch máu

Acytale elastomer

Ứng dụng Chất đàn hồi

Ứng xử của chất nhiệt dẻo

Ứng xử của chất nhiệt dẻo

§ Khối lượng phân tử của polymer nhiệt dẻo ảnhhưởng như thế nào đến sức bền và sự ổn định nhiệtcủa nó?

Ứng sử của chất đàn hồi

nhiệt độ Yếu tố nào cung cấp đặc tính đàn hồi này?

n Các vật liệu này là vô định hình hay tinh thể?

n Điều gì xảy ra ở các nhiệt độ trên Tm? polymer cótrở nên hoá lỏng hay không? Tại sao hoặc tại sao

không?

Hydrogel (gen nước)

n Hydrogel là dạng duy nhất của các polymer cho

Sự thoái hóa polymer và các polymer

n Một vài polymer bị thoái hoá do sự thủy phân

hoặc là hoạt động enzyme Điều này được yêu

cầu trong một số ứng dụng (ví dụ như trong công nghệ mô)

n Hai trong số các polymer mà có thể bị thoái hóa

sinh học phổ biến hơn đó là PGA và PLA Các vật liệu này hiện có trên thị trường và đã được chấp

thuận của FDA đối với các tính năng phẫu thuật

(ví dụ như đường khớp có thể bị thoái hoá sinh

n Axit polyglycolic (PGA)

n Axit polylactic (PLA)

n polymer nào có khả năng ở trạng thái tinh thể

hơn? Vì sao?

n Đặc tính nào của các polymer trên sẽ ảnh

hưởng đến tốc độ thoái hóa?

n Có thể làm biến đổi các đặc tính của polymer

bằng cách tạo ra các chất đồng trùng hợp từPGA và PLA thành PLGA hoặc là poly (axit lactic-co-glycolic)

n Các polyester thường được sử dụng như các vậtliệu đường khớp, chất dính, và trong các ứng

dụng công nghệ mô (các sản phẩm thất bại là lẽ

tự nhiênnhiên)

Sự thoái hóa của các polymer thoái hóa

Các yếu tố mà có thể ảnh hưởng đến sự thoái hóa?

Sự thoái hoá (thủy phân) của PLGA

n Các sản phẩm thoái hóa này, mặc dù là tự nhiên đối với cơ thể người, là có tính axít Tốc độ thoái hoá quá nhanh có

Đáp ứng của mô đối với các vật liệu

n Các tế bào máu (được nhận biết nhờ kính phết

máu) đóng vai trò then chốt

Các tế bào then chốt liên quan đến sự đáp ứng mô

n Các tế bào máu bao gồm bạch cầu (leukocyte) và

hồng cầu Các bạch cầu hạt (bạch cầu ưa eosin,

bạch cầu ái kiềm, bạch cầu trung tính), các bạch

cầu đơn thân (đại thực bào) và các lympho bào

bao gồm bạch cầu

Hình 11.8 Ba tế bào lớn ở phía bên trái là các loại tế bào hạt Bạch cầu ưa erosin chiếm khoảng 2-4% các tế bào bạch cầu tuần hoàn và có đường kính khoảng 12 Các hạt của chúng nhuộm sẫm màu với thuốc nhuộm đỏ, erosin và với các thuốc nhuộm axit khác Bạch cầu ái kiềm (basophil) có đường kính khoảng 8-10 và có các hạt nhuộm sẫm màu với các thốc nhuộm bazơ Chúng chiếm khoảng nhỏ hơn

n Các tế bào hồng cầu có hình dạng như những cáiđĩa có hai mặt lõm không có nhân và mang

hemoglobin mà có trách nhiệm vận chuyển oxy

n Chức năng của các bạch cầu trung tính (các bạchcầu nhiều dạng nhân hay PMNs), các đại thực

bào, bạch cầu lympho là gì?

n Các tiểu cầu là các mảnh tế bào có mặt trong các

cơ chế đông máu nhằm ngăn chặn sự mất máu

khi mô bị tổn thương

Đáp ứng của mô đối với các vật liệu

học khi cấy ghép vào mô được phân bố mạch củađộng vật hay người

Trả lời những câu hỏi sau:

n Hiện tượng gì sẽ xảy ra đầu tiên?

n Định nghĩa hiệu ứng Vroman

n Làm sao có thể điều khiển hiện tượng trên? Cho

một vài ví dụ làm sao điều này có thể được làm

giảm tối đa hay điều chỉnh?

Đáp ứng đối với vật liệu cấy ghép

Đáp ứng của mô đối với các vật liệu

vật liệu sinh học được cấy ghép

n Hãy định nghĩa và phân biệt các đáp ứng sau

đây Các yếu tố hay tế bào nào là quan trọng

trong mỗi trường hợp?

- Chứng viêm cấp tính

- Chứng viêm mãn tính

- Mô hạt

- Foreign body reaction

- Chứng xơ hoá và sự nang hóa có sợi

Đáp ứng đối với vật liệu cấy ghép

Chứng viêm

Có bốn dấu hiệu liên quan đến đáp ứng viêm:

n Bề ngoài có màu đỏ tại vị trí tổn thương do sự

có mặt của các tế bào hồng cầu (RBCs) ngaydưới da

n Một vị trí nào đó bị sưng phồng do chất dịch đi

kèm với máu

ấm di chuyển đến vị trí của các mô lạnh hơn

n Gây đau nhức do sự tác động và tổn thương

đến hệ thống thần kinh địa phương

Việc hồi phục khi có mặt vật liệu

sinh học

n Hãy định nghĩa tính tương thích sinh học?

n Khi một vật liệu không có tính tương thích sinh

học, đáp ứng viêm sẽ tiếp tục như là đáp ứng

viêm mãn tính và phát triển thành các tế bào lớnbất thường và u hạt Cơ thể chủ có gắn trung hòacác vật thể từ bên ngoài vào (vật cấy ghép)

n Sự hình thành các bao có sợi thớ cho thấy rằng

vật liệu có tính tương thích sinh học và đây là

bước đầu tiên của quá trình hồi phục

Sự nhiễm trùng

n Sự nhiễm trùng sẽ ngăn cản sự tan biến của

chứng viêm và đáp ứng viêm mãn tính không

mong muốn sẽ xảy ra

n Điều gì sẽ xảy ra nếu các vi khuẩn có mặt trong

quá trình hàn gắn vết thương?

nhiễm đặc trưng chống lại các thực thể không

mang đặt tính sinh học Những phản ứng này làkhông mong muốn và có thể có các phản ứng

phụ bất lợi cho cơ thể (phải được xem xét trong

việc thiết kế dụng cụ)

n Tại sao các sản phẩm thoái hoá từ các vật liệu

cấy ghép là mối quan tâm lớn?

Kiểm tra tính tương thích sinh học

học được sử dụng trong một hệ thống sinh học

đó là: “Liệu vật liệu này có kích thích đáp ứng

sinh học thích đáng cho mục đích sử dụng?”

n Việc khử trùng là cốt yếu cho việc sử dụng vật

liệu trong cơ thể sống

n Các kiểm tra trong cơ thể sống là rất phổ biến

được thực hiện bằng cách sử dụng việc nuôi cấy

mô hay tế bào

Kiểm tra tính tương thích sinh học

n Các kiểm tra được thiết kế cho đặc tính độc tế

bào, sự kích thích đáp ứng miễn nhiễm, kíchthích các mô, kích thích chứng viêm mãn tính, các tác động lên máu và các thành phần củamáu, và các tác động lên các yếu tố di truyềnbao gồm đột biến và sự hình thành khối u

n Trong việc cấy ghép của các kênh dẫn truyền

thần kinh cấu thành bởi vật liệu polymer thì cónhững kiểm tra tính tương tích sinh học gì? Chobiết một số kiểm tra khái quát và đặc trưng