DACN tìm hiểu về vật liệu y sinh bản sửa 3

8 CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC CỦA VẬT LIỆU Y SINH ĐỐI VỚI CƠ THỂ NGƯỜI ..... Hơn nữa, ở nước ta đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về Vật liệu y sinh như Nhóm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ - -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGHÀNH KTVL

TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU Y SINH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN: Th.S Nguyễn Việt Bách Huỳnh Trường An B1705336

Nguyễn Lý Tâm Anh B1705337

Lê Mạnh Can B1705339 Nghành: Kỹ thuật vật liệu-Khóa 43

Tháng 06/2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ - -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGHÀNH KTVL

TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU Y SINH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN: Th.S Nguyễn Việt Bách Huỳnh Trường An B1705336

Nguyễn Lý Tâm Anh B1705337

Lê Mạnh Can B1705339 Nghành: Kỹ thuật vật liệu-Khóa 43

Tháng 06/2020

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th.S Nguyễn Việt Bách là

cán bộ hướng dẫn cũng là người trực tiếp chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất để chúng em có thể hoàn thành tốt đồ án này Nếu không có lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì chúng em nghĩ bài báo cáo này rất khó có thể thực hiện được Một lần nữa,

em xin chân thành cảm ơn thầy

Trong quá trình thực hiện đề tài, sai sót là điều khó tránh khỏi, cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế, chúng em rất mong nhận được những ý kiến góp ý, hỗ trợ của thầy, cô để chúng em có thể học tập thêm kinh nghiệm và nâng cao kiến thức của mình và sẽ hoàn thành tốt hơn các đồ án sắp tới

Trân trọng cảm ơn ǃ

Tháng 06/2020 Nhóm 01

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH SÁCH HÌNH v

DANH SÁCH BẢNG vi

LỜI MỞ ĐẦU vii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Y SINH 1

1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU Y SINH 1

1.2 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU Y SINH 1

1.3 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU Y SINH 3

1.4 CÁC YÊU CẦU KHI LỰA CHỌN VẬT LIỆU Y SINH 3

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT SẢN XUẤT VẬT LIỆU Y SINH 5

2.1 KỸ THUẬT IN 3D 5

2.1.1 In li-tô lập thể 5

2.1.2 Mô hình hóa lắng đọng nóng chảy 6

2.1.3 Thiêu kết laser chọn lọc 6

2.1.4 In 3D sinh học 6

2.2 KỸ THUẬT PHỦ BỀ MẶT 7

2.2.1 Phun plasma 7

2.2.2 Kỹ thuật sol-gel 8

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC CỦA VẬT LIỆU Y SINH ĐỐI VỚI CƠ THỂ NGƯỜI 9

3.1 ĐÁNH GIÁ IN VITRO 9

3.1.1 Kiểm tra độc tính 9

3.1.2 Kiểm tra nhiễm độc gen 10

3.1.3 Kiểm tra tính tương thích máu 10

3.2 ĐÁNH GIÁ TRÊN MÔ HÌNH ĐỘNG VẬT 11

3.2.1 Thử nghiệm tính chức năng của vật liệu 11

3.2.2 Thử nghiệm tính không chức năng 11

3.2.3 Thử nghiệm ex vivo 11

3.3 ĐÁNH GIÁ SỬ DỤNG LÂM SÀNG 11

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU Y SINH VÀO TRONG CÁC LĨNH VỰC Y HỌC 13

4.1 ỨNG DỤNG VẬT LIỆU Y SINH VÀO TRONG LĨNH VỰC NHA KHOA PHỤC HỒI 13

4.1.1 Vật liệu sứ nha khoa trong nha khoa phục hồi 13

4.1.2 Vật liệu kim loại/hợp kim trong nha khoa phục hồi 15

4.1.3 Vật liệu composite trong nha khoa phục hồi 17

4.2 ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU Y SINH TRONG LĨNH VỰC CHẤN THƯƠNG CHỈNH HÌNH 19

4.2.1 Silicone trong chấn thương chỉnh hình 19

4.2.2 Vật liệu gốm y sinh Hydroxyaphatit (HAp) 20

4.2.3 Cacbon nano composite trong chấn thương chỉnh hình 20

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

CAD/CAM Thiết bị có sử dụng thiết kế máy tính và hỗ trợ máy tính

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1-1 Vật liệu y sinh thay thế chức năng xương khớp 1

Hình 1-2 Số lượng bài báo khoa học qua các năm và tốc độ tăng trưởng 2

Hình 2-1 Cánh tay giả được tạo bằng phương pháp in li-tô lập thể 5

Hình 2-2 Quá trình thiêu kết laser chọn lọc 6

Hình 2-3 Quá trình phun plasma 7

Hình 2-4 Sơ đồ thể hiện quy trình sol-gel 8

Hình 3-1 Quy trình kiểm tra nhiễm độc gen 10

Hình 4-1 Phục hồi răng bằng phương pháp cấy ghép implant 13

Hình 4-2 Cấu trúc hóa học của silicone 19

Hình 4-3 Công thức hóa học của HAp 20

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1-1 Sự khác biệt của vật liệu y sinh có nguồn gốc sinh học và vật liệu y sinh có

nguồn gốc tổng hợp 3

Bảng 4-1 Độ bền uốn của sứ nha khoa phụ thuộc vào bản chất pha tinh thể và phương pháp gia công 14

Bảng 4-2 Phân loại vật liệu dựa trên cơ sở thành phần kim loại quý 16

Bảng 4-3 Đặc tính cơ học của hợp kim trong nha khoa 16

Bảng 4-4 Cấu tạo và đặc điểm của các nhóm răng sứ-kim loại 17

sự phát triển vượt bậc về các loại vật liệu y sinh

Ở Việt Nam, các vật liệu y sinh đã và đang được sử dụng rất rộng rãi và được con người tiếp nhận theo một chiều hướng rất tích cực, ví dụ như: filter, silicone, gốm sứ, Hơn nữa, ở nước ta đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về Vật liệu y sinh như Nhóm nghiên cứu tại Phòng Vật liệu Nano Y sinh, Viện Khoa học Vật, Viện Hóa học tiến hành nghiên cứu ứng dụng của chitosan cấu trúc nano trong y sinh học (chế tạo hệ dẫn thuốc, gốm y sinh…) và xử lý môi trường (kháng khuẩn, hấp phụ kim loại nặng), bằng phương pháp điện hóa, các nhà khoa học thuộc Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam đã tổng hợp thành công màng hydroxyapatit (HAp) để phủ lên

bề mặt vật liệu hợp kim y sinh, sử dụng trong ngành phẫu thuật chấn thương chỉnh hình,…

Chính vì vậy, bài báo cáo “Tìm hiểu về vật liệu y sinh” được thực hiện nhằm mục đích đưa cái nhìn khái quát về vật liệu y sinh, những yêu cầu khắc khe khi lựa chọn vật liệu, các kỹ thuật sản xuất vật liệu và một số ứng dụng của chúng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Y SINH

1.1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU Y SINH [1]

Vật liệu y sinh là các loại vật liệu có sẵn trong tự nhiên hoặc được tổng hợp (không phải là thuốc) khi đưa vào cơ thể con người thì có khả năng thích ứng với cơ chế sinh học – sinh lí của cơ thể nhằm mục đích chuẩn đoán, phòng ngừa, chữa bệnh hoặc thay thế các bộ phận hư hỏng của con người (Hình 1-1) Một số vật liệu y sinh phổ biến hiện nay như da nhân tạo, van tim nhân tạo, răng giả, mạch máu nhân tạo,…

Hình 1-1 Vật liệu y sinh thay thế chức năng xương khớp[16] [2]

1.2 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU

Y SINH [1][17][18][1],[3],[4]

Vật liệu y sinh đã được sử dụng vào các lĩnh vực y học từ rất lâu đời mặc dù lúc

đó vẫn chưa có khái niệm về vật liệu y sinh, điển hình là người Maya đã tạo ra được những chiếc răng xà cừ từ vỏ sò vào khoảng 600 năm sau công nguyên và ở châu Âu người ta phát hiện được chiếc răng bằng sắt được cấy ghép vào miệng tử thi có niên đại khoảng 200 năm sau công nguyên Qua từng thời kỳ việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu

y sinh vào trong y học ngày càng phát triển không dừng lại ở việc nghiên cứu ứng dụng thay thế thế răng mà còn nghiên cứu ứng dụng thay thế nhiều bộ phận khác đặc biệt là trong thời kỳ cuối chiến tranh thế giới thứ hai nhiều loại vật liệu như kim loại, gốm,

polymer được sử dụng với tần suất cao Sau chiến tranh thế giới thứ hai kết thúc thì việc nghiên cứu phát triển ứng dụng vật liệu y sinh vào y học phát triển chậm lại nguyên nhân là do các bác sĩ có rất ít cơ hội để hợp tác với những nhà khoa học và kỹ sư Bên cạnh đó ở thời kỳ này sự quan tâm của chính phủ đến chăm sóc sức khỏe của con người rất hạn chế Đến khoảng 60 năm trở lại đây thì việc áp dụng vật liệu y sinh vào trong y học bắt đầu bùng nổ mạnh mẽ và đạt được nhiều thành tựu như năm 1969 Levitt và các cộng sự đã nghiên cứu và ứng dụng thành công Hydroxyaphatite vào trong việc chữa trị bệnh về xương Trong khoảng thời gian năm 1982 - 1985 bác sĩ William DeVries đã ghép tim nhân tạo có tên “Jarvik” vào một bệnh nhân và giúp bệnh nhân đó sống 620 ngày sau khi cấy ghép Bên cạnh đó 10 năm trở lại đây số lượng bài báo nghiên cứu khoa học về lĩnh vực vật liệu y sinh xuất bản hàng năm vô cùng lớn (Hình 1-2)

Hình 1-2 Số lượng bài báo khoa học qua các năm và tốc độ tăng trưởng[19] [5]

Năm 2009 số lượng bài báo nghiên cứu khoa học về lĩnh vực y sinh là 9015 bài báo và

số bài báo tăng dần qua các năm đến năm 2019 số lượng bài báo đạt 23539, tốc độ tăng trưởng mỗi năm dao động từ 7,4% – 15,71% duy nhất năm 2012 tốc độ tăng trưởng là 2,66% nguyên nhân tốc độ tăng trưởng năm 2012 thấp hơn so với các năm khác là do

sự biến động lớn về chính trị như Đông Bắc Á dậy sóng trong tranh giành biển đông, Triều Tiên hai lần phóng tên lửa đưa vệ tinh lên vũ trụ, nhiều cuộc biểu tình của người

Hồi giáo ở Mỹ, khủng hoảng kinh tế vây hãm ở Châu Âu, … Từ đó dẫn đến các nguồn kinh phí tài trợ nghiên cứu về lĩnh vực vật liệu y sinh giảm xuống

1.3 PHÂN LOẠI VẬT LIỆU Y SINH [1]

Dựa vào nguồn gốc, vật liệu y sinh được chia làm hai loại là vật liệu y sinh có nguồn gốc sinh học và vật liệu y sinh có nguồn gốc tổng hợp Vật liệu y sinh có nguồn gốc sinh học và vật liệu y sinh có nguồn gốc tổng hợp có sự khác biệt nhau về các đặc tính ví dụ như vật liệu y sinh có nguồn gốc sinh học có nhiều tế bào, có khả năng tự sửa chữa một phần hoặc toàn bộ tế bào còn vật liệu có nguồn gốc tổng hợp thì ngược lại Sự khác biệt được thể hiện cụ thể thông qua bảng 1-1

Bảng 1-1 Sự khác biệt của vật liệu y sinh có nguồn gốc sinh học và vật liệu y sinh có nguồn gốc tổng hợp

STT Vật liệu y sinh có nguồn gốc sinh học Vật liệu y sinh có nguồn gốc

Dựa vào tương tác vật liệu với môi trường cơ thể, vật liệu y sinh được chia làm hai loại là vật liệu hoạt tính sinh học và vật liệu có tính trơ sinh học Vật liệu hoạt tính sinh học là loại vật liệu khi cấy ghép vào cơ thể con người sẽ xảy ra các tương tác hóa học giữa vật liệu với môi trường sống Vật liệu trơ sinh học là vật liệu khi đưa vào cơ thể con người chúng không có bất kỳ một tương tác hóa học nào trong môi trường sống

1.4 CÁC YÊU CẦU KHI LỰA CHỌN VẬT LIỆU Y SINH [1][14][13][1],[6],[7]

Việc lựa chọn vật liệu để trở thành vật liệu y sinh cần phải chú ý đến tính tương hợp sinh học, khả năng khử trùng, có tính chức năng, khả năng chế tạo Ngoài ra vật liệu còn phải kháng được sự xói mòn, không sinh độc tính cũng như không sinh khối u khi

đi vào cơ thể con người

Tính tương hợp sinh học là khả năng hòa hợp giữa vật liệu và cơ thể Nếu tính tương hợp sinh học kém thì vật liệu sẽ bị đào thải hoặc làm cho các tế bào ở nơi cấy ghép vật liệu bị hoại tử

Khả năng khử trùng là khả năng vật liệu chịu được sự khử trùng Các kỹ thuật khử trùng như khử trùng tia gamma, khí ethylen oxit, hấp hơi nước,

Tính chức năng phụ thuộc vào hình dáng của vật liệu

Khả năng chế tạo: nhiều loại vật liệu có tính tương hợp sinh học nhưng không thể chế tạo được do đó không có khả năng ứng dụng vào y sinh Vì vậy khả năng chế tạo cũng là một yếu tố quan trọng trong các yêu cầu lựa chọn vật liệu y sinh

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT SẢN XUẤT VẬT LIỆU Y SINH

Việc lựa chọn các phương pháp chế tạo phù hợp để sản xuất vật liệu y sinh là một trong những vấn đề thách thức trong lĩnh vực khoa học y tế bởi vì những loại vật liệu khác nhau sẽ mang những đặc tính khác nhau

2.1.2 Mô hình hóa lắng đọng nóng chảy [2][8]

FDM là một kỹ thuật in 3D thường được áp dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau, đặc biệt là các polymer Các vật liệu được chế tạo qua quá trình ép đùn, các bộ phận tạo thành từng lớp Một trong những vấn đề thách thức trong phương pháp này là khó khăn trong việc sản xuất trực tiếp vật liệu tổng hợp polymer-gốm Các kỹ thuật sản xuất bổ sung khác như ép đùn là cần thiết để tạo ra các sợi nhỏ phù hợp cho FDM

2.1.3 Thiêu kết laser chọn lọc [2][8]

Về cơ bản SLS tương tự như SLA, sử dụng chùm tia laser như nguồn năng lượng

để thiêu kết vật liệu dạng bột, định hướng các laser tự động tại các điểm trong không gian nhờ một mô hình 3D, kết nối vật liệu với nhau để tạo ra một kết cấu vững chắc

Hình 2-2 Quá trình thiêu kết laser chọn lọc[12] [10]

2.1.4 In 3D sinh học [2][8]

In 3D sinh học là việc sử dụng kỹ thuật in 3D để kết hợp các tế bào, các yếu tố tăng trưởng để bắt chước đặc điểm của mô tự nhiên Quá trình in 3D sinh học được thực hiện theo ba bước: chuẩn bị, in và xử lí sau in

các ô nhất định sẽ được tách biệt và nhân lên Những tế bào này sau đó được trộn với một vật liệu hóa lỏng đặc biệt cung cấp oxy và các chất dinh dưỡng khác để giữ cho chúng sống

2.2 KỸ THUẬT PHỦ BỀ MẶT

2.2.1 Phun plasma [10][11]

Công nghệ phun plasma nhờ năng lượng cao của nguồn nhiệt hồ quang plasma gián tiếp của đầu phun mà vật liệu được nung chảy và phun vào chi tiết Khái niệm hồ quang plasma gián tiếp ở đây có nghĩa là hồ quang được tạo nên trong các bộ phận cathode và anode của đầu phun, còn chi tiết không được tiếp xúc với nguồn điện Khí trơ hoặc các chủng loại khí khử dưới áp lực lớn được thổi vào khoảng giữa cathode và anode, dưới tác động của hồ quang bị ion hoá ở nhiệt độ rất lớn Luồng plasma được phun qua đầu phun với vận tốc cao, bột phun được hút vào luồng khí này, nóng chảy và bay ra phủ lên bề mặt chi tiết Trên bề mặt chúng liên kết lại thành lớp phủ xốp Sự liên kết giữa các hạt chủ yếu bằng quá trình chảy kết và bám dính lên bề mặt bằng lực cơ học Bề mặt vật phủ có nhiệt độ thấp nên không xảy ra quá trình khuếch tán

Hình 2-3 Quá trình phun plasma[22] [12]

2.2.2 Kỹ thuật sol-gel [2][8]

Phương pháp sol-gel là phương pháp đơn giản nhất để tạo ra gốm có kích thước micro Để tổng hợp theo phương pháp này trước hết cần phải tạo sol bằng cách phân tán các hạt rắn vào dung môi thích hợp để tạo thành dung dịch keo Từ sol sẽ được xử lý hoặc để lâu dần cho già hóa thành gel Kế đó sấy khô ở nhiệt độ cao để loại nước, từ đó tạo thành sản phẩm

Hình 2-4 Sơ đồ thể hiện quy trình sol-gel

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ TÍNH TƯƠNG HỢP SINH HỌC CỦA

VẬT LIỆU Y SINH ĐỐI VỚI CƠ THỂ NGƯỜI

Trong nhiều thập kỷ, những rủi ro của các vật liệu y sinh trong y học đã dẫn đến

sự chú ý của các nhà khoa học Nhiều chuyên gia và tổ chức tiêu chuẩn đã đề nghị kiểm tra và đưa ra những quy định về tính tương thích sinh học giữa vật liệu với cơ thể người Tiêu chuẩn được đề xuất bởi các tổ chức như cơ quan quản lí thực phẩm và dược phẩm (FDA) và tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO) Đánh giá tính tương hợp sinh học thường xảy ra theo một quy trình từ các nghiên cứu invitro, nghiên cứu động vật và cuối cùng đến kiểm tra việc sử dụng lâm sàng

3.1 ĐÁNH GIÁ IN VITRO [3][13]

Kiểm tra In vitro được thực hiện bên ngoài cơ thể của một sinh vật sống nơi vật liệu được kiểm tra đặt tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với các tế bào hoặc một thành phần riêng biệt của sinh vật Có hai loại tế bào có thể được sử dụng: tế bào sơ cấp và dòng tế bào liên tục Tế bào sơ cấp được lấy từ một sinh vật sống sau đó trực tiếp nuôi cấy và phát triển tế bào trong môi trường nhân tạo Các tế bào chỉ phát triển ở một thời gian nhất định trong trường môi nuôi cấy, nhưng có thể giữ lại nhiều tế bào có tính đặc trưng ở cơ thể sinh vật Dòng tế bào liên tục được biến đổi thành tế bào sơ cấp có thể phân chia với tần số không giới hạn Do sự biến đổi đó, những tế bào có thể không giữ lại được tất cả những điểm đặc trưng ở cơ thể sinh vật, nhưng chúng có thể biểu hiện được nhiều tính đặc trưng của cơ thể Kiểm tra In vitro nói chung là nhanh hơn, rẻ hơn,

và có thể lặp lại nhiều lần hơn so với các thử nghiệm in vivo Ngoài ra kiểm tra in vitro cho phép kiểm soát được môi trường của tế bào và việc xác định chi tiết của phản ứng của vật liệu đối với tế bào Tuy nhiên, việc kiểm tra in vitro trong các thử nghiệm lâm sàng vẫn còn đáng nghi ngờ

3.1.1 Kiểm tra độc tính [3][23][26][13],[14],[15]

Theo tiêu chuẩn quốc tế (ISO 10993-5) về kiểm tra độc tính trong in vitro Các tế bào sẽ được nuôi trong môi trường nhân tạo sau đó sẽ được tiếp xúc với vật liệu thử nghiệm trong một khoảng thời gian Tùy thuộc vào bản chất vật liệu, nơi sử dụng và bản chất sử dụng, các tế bào sẽ được kiểm tra bằng các phép thử tiếp xúc trực tiếp, tiếp xúc gián tiếp hoặc phép thử chiết xuất chất lỏng

Khả năng gây độc tố của vật liệu sẽ được đánh giá bằng phương pháp định lượng hoặc định tính:

- Định tính: Các tế bào sẽ được đánh dấu bằng chất nhuộm màu tế bào Những tế bào sống sẽ có màu giống với màu chất nhuộm và gắn liền với