Bài giảng Vật liệu sinh học tính tương hợp sinh học: Biomaterials biocompatibility NGND.GS.TS.BS. Hoàng Tử Hùng

MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA• Khoa học vật liệu Materials Science /~ Engineering: Là một khoa học ứng d ụng, nghiên cứu mốí quan hệ giữa thành phần, cấu trúc, tính chất của vật liệu để sử dụng thíc

VẬT LIỆU SINH HỌC TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC

BIOMATERIALS BIOCOMPATIBILITY

NGND, GS TS BS Hoàng Tử Hùng

TS BS Hòang Đạo Bảo Trâm

tuhung.hoang@gmail.com www.hoangtuhung.com

MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA

• Khoa học vật liệu (Materials Science /~ Engineering):

Là một khoa học ứng d ụng, nghiên cứu mốí quan hệ

giữa thành phần, cấu trúc, tính chất của vật liệu để sử

dụng thích hợp, cải thiện tính chất của vật liệu và tạo

ra vật liệu mới*

ÆKhoa học vật liệu lý giải thành phần và đặc tính bằng

thực nghiệm khảo sát cấu trúc bên trong của vật liệu

ÆKhoa học vật liệu là một lĩnh vực liên ngành

(interdiscipline), kết hợp của hóa học, vật lý và công

nghệ, chứ không phải là một khoa học riêng biệt**

* Arzamaxov, B.N.

** Gladwin, M., Bagby, M.

KIM LOẠI

HỮU POLYMER

VÔ CERAMIC

CƠ-COMPOSITE

Polymer dẫn điện Siêu dẫn

Silicon, silicone Bán dẫn

MỘT SỐ KHÁI NIỆM

Là mọi dụng cụ, khí cụ, phương tiện, thiết bị, vật cấy

ghép, thuốc thử hoặc định chuẩn in vitro, phần mềm,

được nhà sản xuất chế tạo dành riêng để dùng một

cách đơn độc hoặc kết hợp trên người với một hoặc

- Nghiên cứu, thay thế, thay đổi hoặc nâng đỡ cấu

trúc giải phẫu hoặc quá trình sinh lý,

- Hỗ trợ hoặc nâng đỡ cuộc sống,

- Kiểm soát sự thụ thai,

- Khử nhiễm các thiết bị y tế,

- Cung cấp thông tin cho mục đích y khoa bằng xét

nghiệm in vitro các mẫu được lấy từ cơ thể người,

Thiết bị y tế không đạt mục đích chuyên biệt ban đầu

của nó trong hoặc trên cơ thể người bằng các

phương cách dược lý, miễn dịch hoặc chuyển hóa

nhưng nó có thể được hỗ trợ bằng các phương cách

trên

ISO 10993-1:2009(E)

MỘT SỐ KHÁI NIỆM

là những sản phẩm được dùng trong chẩn đoán

(in vivo), điều trị, dự phòng, được chế tạo bằng

công nghệ sinh học

Là mọi chất, bề mặt hoặc cấu trúc có tác động qua lại với các hệ thống của sinh vật

Nguồn gốc: tự nhiên, tổng hợp

*Trong bài này, khái niệm vật liệu sinh học được hiểu theo định

nghĩa sau đây

VẬT LIỆU SINH HỌC

Vật liệu sinh học là một vật liệu không sống, được sử

dụng trong/như một thiết bị y tế, với mục đích điều trị

hoặc không, có tác động qua lại với các hệ sinh học

D.F.Wiliams: Definition in Biomaterials, proceedings, consensus

conference of the European Society for Biomaterials, England, 1986.

Vật liệu sinh học là (những) chất (không phải thuốc)

được chế tạo thành một cấu trúc dùng trong điều trị,

bổ sung, thay đổi hoặc thay thế một phần mô, cơ

quan, hoặc chức năng của cơ thể

Nhiều vật liệu sinh học được dùng trong chấn thương

chỉnh hình, các bộ phận tim mạch nhân tạo, thẩm mỹ, nhãn khoa, nha khoa…

ÆVật liệu sinh học tiếp xúc với nhiều mô khác nhau

trong cơ thể,

ÆCó môi trường vật chủ đặc biệt phức tạp:

Sự hiện diện của vi khuẩn, tính ăn mòn của dịch sinh

Trơ : không hoạt động

không có tác động không có tác động dược lý hoặc điều trị không tham gia phản ứng (hóa học)

Độc, độc tính :

Là mức độ gây hại của một chất đối với sinh vật

hoặc cấu trúc của sinh vật (đối với tế bào, cơ

quan…)

• Trước 1970, thuật ngữ độc tính (toxicity) được sử

dụng nhiều hơn khi xét về tính an toàn của vật liệu,

khi niệm tương hợp sinh học chưa thông dụng

• Tương hợp sinh học là “hòa hợp với sự sống

(harmonious with life) và không gây độc hoặc thương

tổn đến chức năng sinh học”

(Dorland’s Illustrated Medical Dictionary)

• Tương hợp sinh học được đánh giá theo:

- độc tính tại chỗ (Td: phản ứng của da và niêm mạc)

- phản ứng toàn thân, gây dị ứng, sinh ung thư

• Trước đây, tương hợp sinh học được cho là đồng

nghĩa với tính trơ và không độc của vật liệu.

Quan niệm này bỏ qua:

–Đáp ứng của vật chủ

–Sự thoái biến của vật liệu và

–Tương tác của vật liệuTrong môi trường vật chủ

THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC

• Mục đích các thử nghiệm : nhằm phát hiện

tiềm năng gây hại hay hủy hoại của vật

liệu, hay của thành phần vật liệu, đối với

mô và cơ quan cơ thể

• Các thử nghiệm về tương hợp sinh học

(THSH) được phân thành 3 mức

TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC

• Mức 1: Thử nghiệm độc tính sơ bộ:

– Đối với tế bào

– Đối với gen

• Mức 2: Thử nghiệm độc tính đường tòan thân:

– Hô hấp, da…

– Thử nghiệm cấy in vivo

• Mức 3: Thử nghiệm tiền lâm sàng

Thử nghiệm sơ bộ:

Đánh giá độc tính đối với tế bào của vật liệu (ở

trạng thái nguyên thủy hoặc đã trùng hợp…)

– Đặt trực tiếp lên đám tế bào nuôi cấy, hay

– Gián tiếp qua màng phủ đám tế bào nuôi cấy, do

sự thấm qua rào cản (thí dụ đĩa ngà răng)*

* Màng phủ thường được tạo ra để mô phỏng màng mà vật liệu tác động

Sử dụng tế bào động vật có vú hoặc các loài khác (vi khuẩn, men bia, nấm…) để xác định:

– Sự nhân gen,

– Thay đổi cấu trúc nhiễm sắc thể,

– Thay đổi gen và deoxyribonucleic acid (DNA)

Gây ra do vật liệu, thiết bị, hay các chiết xuất của vật

liệu (AAMI* Standard, 1994).

*AAMI: Association for the Advancement of Medical Instrumentaion

– Đường toàn thân,

– Đường hô hấp,

– Nhạy cảm và kích ứng da,

– Phản ứng nuôi cấy.

hàng ngày trên chuột trong 14 ngày (qua đường

miệng hoặc trộn vào thức ăn): số chuột sống sót

phải đạt từ 50% trở lên (Người ta đang cố gắng

để giảm việc sử dụng động vật thí nghiệm).

LD: lethal dose: liều làm chết 50% cá thể sau thời gian thử nghiệm

• Thử nghiệm độc tính với da: vật liệu có thể gây kích

ứng hay nhạy cảm/dị ứng Đối với những người nhạy

cảm, kích ứng có thể xảy ra ngay lần tiếp xúc đầu

tiên, gây phản ứng viêm

Khi một vật liệu, sản phẩm, hay thành phần của nó có

tính độc, cần thay thế, pha loãng, trung hòa, hoặc biến

đổi nhằm giảm nguy cơ gây độc

Cần phân biệt kích ứng và nhạy cảm:

tham gia của kháng thể hay hệ thống miễn dịch,

tham gia của kháng thể đặc hiệu với dị nguyên là vật liệu.

Đặt đầu và nửa thân trên của vật thí nghiệm

(thường thực hiện trên chuột, thỏ, chuột lang)

trong một buồng, xịt vật liệu dạng khí Mỗi 30 phút

lại xịt khí trong 30 giây Sau 10 lần liên tiếp, quan

sát con vật trong 4 ngày:

– Nếu không con nào chết, chất thử được coi là

không nguy hiểm với người (Stanley, 1985)

– Nếu có con vật chết trong vòng 2 đến 3 phút: chất

thử được xem là rất độc

Thử nghiệm cấy (implantation tests)

Thử nghiệm cấy in vivo nhằm đánh giá các đặc tính lý

học của sản phẩm: hình dạng, mật độ, đặc tính bề

mặt…(các yếu tố ảnh hưởng đến đặc điểm của phản

ứng mô)

– Động vật thử được chọn tùy theo kích thước của mẫu thử

và khoảng thời gian dự định thử nghiệm:

– thử nghiệm ngắn hạn (≤ 12 tuần) dưới da hoặc cơ: thường

dùng chuột và thỏ

– thử nghiệm dài hạn (≥ 12 tuần) ở cơ và xương, thường

dùng các động vật có đời sống tương đối dài như thỏ, chó,

dê, và các động vật linh trưởng

– Chú ý giảm cỡ mẫu để bảo vệ động vật.

Sau khi trải qua thử nghiệm cấp một và cấp hai thành công,

sản phẩm về cơ bản được coi là không gây hại đối với

người.

• Đối với thuốc, FDA* quan tâm việc kiểm soát thử nghiệm

về hiệu quả và việc sử dụng thuốc**

• Đối với nhiều vật liệu, nhà sản xuất cần qua 7 năm sau khi

sản phẩm đã được bán trên thị trường mới được chứng

nhận về hiệu quả.

*US Food and Drug Administration - FDA

**Ở nước ta, Bộ Y tế đã có qui chế về việc này