Tài liệu CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU TRONG Y SINH HỌC pptx

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 thaythế mô, cơ quan hoặc

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 thaythế 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 sửdụng 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 nhưngchúng cũng được sử dụng trong nuôi cấy tế bào, xử lý các phân tử sinh học trongcông 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 sinhhọc tổng hợp

Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh học và vật liệu sinh học tổng hợp có cácđặc tính khác nhau đáng kể Ví dụ, mô gồm nhiều tế bào; kim loại, gốm, polymerthì 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

Đẳng hướngĐồng nhấtMềm dẻo, đàn hồiKhông sống

Ví dụ về sự khác nhau giữa mô và vật thay thế mô: thành mạch máu Lót tronglòng mạch máu là các tế bào nội mô Các thành phần cấu trúc chính dưới nội môgồm các tế bào cơ trơn, collagen và elastin Số lượng các thành phần này và hướngcủa 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 polymerpolytetrafluoroethylene hoặc poly(ethylene terephthalate) thường được sử dụnglàm vật ghép tổng hợp

Các loại mô và một số vật liệu sinh học được sử dụng để thay thế

Co-Cr-MoAmalgam

Ti 2.2 Phân loại vật liệu sinh học

I Vật liệu sinh học có nguồn gốc sinh

Silicone, Polyurethane (PU), Polytetrafluoroethylene (PTFE)

(Co-Cr-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)]

Nói chung, các yêu cầu của vật liệu sinh học có thể được phân thành 4nhóm:

1) Tính tương hợp sinh học: vật liệu phải không gây phản ứng không tốtcủa vật chủ nhưng kích thích sự hòa hợp mô - vật ghép tốt Sự xuất hiện phản ứngviêm là điều cần thiết trong tiến trình lành hóa vết thương Tuy nhiên, sự viêm kéodài 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 thuậtkhử trùng gồm: tia gamma, khí (ethylene oxid) và hấp hơi nước Một số polymernhư polyacetal sẽ khử polymer hóa và sinh ra khí độc formaldehyd khi được chiếudưới tia gamma năng lượng cao Do đó, cách tốt nhất để khử trùng các polymernày là khí ethylene oxid

3) Có tính chức năng: Tính có chức năng của một bộ phận giả tùy thuộc vàokhả năng tạo được hình dáng phù hợp với một chức năng đặc biệt Do đó, vật liệuphải được tạo hình dáng bằng các quy trình chế tạo công nghệ Sự thành công của

stent động mạch vành (loại vật liệu y học được sử dụng rộng rãi nhất) được cho lànhờ 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 trongkhâu 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 cóxương sống khi một vật lạ được đưa vào cơ thể Đây là một phản ứng bảo vệ đểgiải 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 Bốnđáp 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 - Th) Sau đó, tế bào Th trình diện kháng nguyên đã được xử lý cho

một tế bào lympho T khác là tế bào T độc (T cytotoxic cell - Tc ) hoặc cho tế bào

lympho B (tế bào B) Tế bào nhận (tế bào T hoặc B) bắt đầu một đáp ứng tác độngkháng nguyên đã được xử lý, tạo một phức hợp hoạt động Trong trường hợp tếbào 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 khángthể 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 liênquan Các chất trunggian Kết quả

amin vận mạch Ngứa, viêm mũi,giãn mạch

amin vận mạch Giãn mạchIII IgG, IgM Tế bào B Các amin vận

mạch Đau, sưng, nghẽnmạch, 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 lýtrong tuyến ức để trở thành các tế bào T hoặc trong một vùng chưa biết (có lẽ làtủy xương) để trở thành các tế bào B Rất khó phân biệt hai loại tế bào này Có thểnhận diện các tế bào T thông qua các marker duy nhất trên bề mặt tế bào nhờ sửdụng 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 vàđược 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 Th còn biểu hiện CD4, trong khi tế bào Tc biểuhiện CD8

Tế bào B có một ít kháng thể trên bề mặt và có thể nhận diện tế bào B dựavào 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 thấpnhất 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 quanliên 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 vớicác kháng nguyên qua trung gian kháng thể cố định trên da (IgE) Đáp ứng loại IIliên quan đến phản ứng của IgG (hiếm khi IgM) với một kháng nguyên bề mặt tếbào Kết quả là ly giải tế bào cùng với giải phóng các sản phẩm Điều này thườngthấy 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 rakhi cả kháng nguyên và kháng thể hiện diện cùng một lúc với số lượng lớn Trongđáp ứng miễn dịch bình thường, kháng nguyên được xử lý, đáp ứng miễn dịch bắtđầu 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 cácmạch 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 câythường xuân (ivy) độc

Trong mỗi trường hợp, một kháng nguyên kích thích đáp ứng miễn dịch vàđáp 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 trởthành sinh kháng nguyên nhờ gắn với các phân tử vật mang lớn hơn, thường là cácprotein, trong cơ thể chủ Một chất nhỏ như vậy được gọi là hapten và đáp ứngmiễn 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 (nhưvật ghép) hay không, bệnh nhân cần được lấy và kiểm tra mẫu máu, sau đó kết quảđược so sánh với nhóm đối chứng Chọn lựa đối chứng thích hợp là một vấn đềlớn Quy trình kiểm tra yêu cầu một đối chứng dương đã biết (thường khó để đạtđược một đánh giá đáp ứng với vật ghép), và một đối chứng âm đã biết (thường lànước muối, môi trường nuôi cấy mô hoặc huyết thanh bò, ngựa dùng trong nuôicấy mô) Các mẫu đối chứng cho bệnh nhân được thu nhận từ các cá thể bìnhthường không ghép và không bệnh, các cá thể bị bệnh (ví dụ viêm khớp) nhưngkhông 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 đểchắc chắn liệu kháng thể có tăng ở bệnh nhân hay không và liệu sự hiện diện củakháng 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 bềmặt rắn như là polystyren Quy trình chung được chỉ ra trong Hình 1

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)

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…)

Phương pháp phát hiện các đáp ứng qua trung gian tế bào phức tạp và khókhăn 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 thểthực 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 haiphương pháp này là trên bề mặt các tế bào T có các thụ quan (receptor), mỗi thụquan 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 tếbào tăng lên Nếu bổ sung thymidin H3 vào môi trường nuôi thì các tế bào đangphân chia sẽ hấp thu đồng vị và số đếm tăng lên Thử nghiệm này, thường đượcgọi là LTT cho thử nghiệm chuyển dạng tế bào lympho, cần các tế bào sống đểsản xuất và đáp ứng với yếu tố Thử nghiệm này mất 7 ngày (7 ngày là khoảngthời 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 – 5ngày

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 bàothường 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 tếbào lympho sống và các tế bào đang di cư sống được thu nhận từ máu toàn phầntươi Thử nghiệm LIF sẽ có kết quả trong 18 – 24 giờ Nếu máu không chứa đủ tếbào đơn nhân để đánh giá sự ức chế di cư của chúng thì tế bào chỉ thị này thườngđược thu nhận từ khoang bụng của những động vật khác như chuột hoặc bọ Tếbào 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 độngvật Sự di cư (hoặc sự ức chế di cư) của các tế bào được quan sát bằng cách đặtchúng trong môi trường nuôi mô đã được hóa cứng bằng agarose tinh và quan sátdưới kính hiển vi trong 18 – 24 giờ hoặc đưa vào ống mao quản và quan sát sauvài giờ

Thử nghiệm trực tiếp lymphokin hoặc cytokin

Vì các thử nghiệm LTT và LIF hoặc MIF có hạn chế là cần sử dụng tế bào sốngnên thử nghiệm lý tưởng là dùng lymphokin Các thử nghiệm dựa trên ELISAhoặc 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 đểđáp 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

nguyên bằng thử nghiệmcạnh tranh Một khángnguyên cố định gắn vớimột kháng thể đặc hiệutrong dung dịch Tuynhiên, nhiều kháng nguyênđược cho vào dung dịch vàlượng kháng thể kết hợpvới kháng nguyên cố định sẽ giảm theo lượng kháng nguyên tự do Phát hiệnkháng thể gắn bằng một kháng thể thứ cấp được đánh dấu (enzym, đồng vị…)

Thử da là một quy trình chẩn đoán tuyệt vời cho các bệnh nhân bị nghi ngờ quámẫn Tuy nhiên, thử da với các hapten, như các ion kim loại, liên quan đến rủi ronhạy cảm Để phát hiện được đáp ứng miễn dịch, hapten phải gắn với các tế bàotrung bì hoặc các protein Tuy nhiên, việc gắn này tạo ra một kháng nguyên hoàntoàn, có thể kích thích một đáp ứng miễn dịch Vì phải mất nhiều thời gian để đápứng miễn dịch này xảy ra nên thử da sẽ âm tính, nhưng các thử nghiệm tiếp theosau đó sẽ dương tính Do đó, các thử nghiệm lặp lại có khả năng cảm ứng tínhnhạy 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 Cóthể sử dụng các kỹ thuật miễn dịch để xác định loại tế bào và các sản phẩm tế bàođược tạo ra tại vùng đó Một kỹ thuật được sử dụng là dùng kháng huyết thanhkháng các dấu ấn CD để phát hiện và phân loại tế bào lympho Một thử nghiệmtương tự đang được đề xuất để phát hiện các cytokin trong mô

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 nhỏhơn như glutathione Sau đó, các phức hợp này có thể được sử dụng để phủ một cơchất rắn Một phương pháp khác là vật mang protein được phủ lên cơ chất, thêmhapten 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 trunggian IgE) với phản ứng tức thì (trong vòng vài phút) có thể đe dọa sự sống Tuynhiên, nhựa không được sử dụng để chế tạo vật liệu ghép trong thời gian dài nêncác 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 miễndịch Các kháng thể của lớp IgE, IgM, IgG và các đáp ứng miễn dịch qua trunggian tế bào đã được quan sát Phòng ngừa quan trọng là loại bỏ càng nhiều vậtliệu 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 lýhóa học và khâu mạch collagen có thể làm giảm tính sinh kháng nguyên Các sảnphẩm collagen cần được đánh giá cẩn thận về khả năng khởi động các đáp ứngmiễn dịch

II.2.4.3 Các polymer tổng hợp

Các vật liệu này dựa trên nền tảng các thành phần carbon, hydro, nitơ vàoxy tạo nên hệ sinh học Do đó việc tạo ra các vật liệu có tính kháng nguyên làkhông thể xảy ra Tuy nhiên, một số vật liệu polymer có nửa hóa học là đáng quantâm 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 vàgiúp loại trừ một vật liệu ngoại lai Tuy nhiên, thỉnh thoảng đáp ứng miễn dịch cóthể 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

Các sản phẩm, đặc biệt từ các đáp ứng loại II và IV, có thể khởi động sựphồng 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 Cácchất này tuần hoàn và có thể gây giãn mạch Có thể nhận thấy điều này trong đápứng với các vật liệu nhựa và các thuốc kết hợp với tiểu cầu, tế bào mast hoặc cácbạch cầu ưa acid, dẫn đến một đáp ứng miễn dịch và giải phóng các chất vận mạchnày

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 kỹthuật thử nghiệm miễn dịch để giải thích nguyên nhân, hậu quả liên quan đến cácvật 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 vớivật 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 hậuquả 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 lắngđọng Lớp protein này điều hòa nhiều phản ứng của hệ thống tế bào Cấu trúccủa 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 thểvới tổn thương hoặc nhiễm trùng Do các kích thích cơ học và hoá học, vậtghép có thể gây ra viêm kéo dài Kết quả là mô hạt hình thành xung quanh vậtghép

(3) Trong suốt quá trình tiếp xúc giữa vật liệu sinh học và cơ thể, môitrường 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

(4) Kết quả của sự chuyển vận các sản phẩm phân hủy có khả năng hòa tan qua hệ

mạch và bạch huyết là phản ứng của toàn cơ thể với vật ghép là không thể tránh khỏi Ngoài ra, sự nhiễm khuẩn của vật ghép cũng được xem là một trở ngại.

II.4.1 Các thử nghiệm tiên quyết để đánh giá tính tương hợp sinh học

Các thử nghiệm thành công về đặc tính in vitro của các vật liệu và các sản

phẩm đầu tiên là điều kiện tiên quyết để đánh giá tính tương hợp sinh học Đặctính lý hóa (như bề mặt, diện tích) và các đặc tính thích hợp khác (như cơ, điện,vận chuyển, phân hủy sinh học nếu có thể ứng dụng) phải được đánh giá trên vậtliệu thô Các dữ liệu này phải được so sánh với các kết quả tại các thời điểm chếtạo, tiệt trùng, đóng gói, bảo quản và bất kỳ tiến trình nào có thể ảnh hưởng bất lợiđến tính ổn định của sản phẩm, tính an toàn và hiệu quả sau khi ghép Các vật liệukhông qua các thử nghiệm tiên quyết này thì không được đánh giá tính tương hợpsinh học

II.4.2 Các phương pháp thử nghiệm và đánh giá tính tương hợp sinh học

Đánh giá tính tương hợp sinh học của vật liệu gồm nhiều thử nghiệm: in vitro (sử dụng tế bào và mô), ex vivo, mô hình động vật và các thử nghiệm lâm sàng.

Các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia có thể cung cấp những thông tin thíchhợp: the American Society for Testing and Materials (ASTM), the InternationalOrganization for Standardization (ISO), FDA và the National Institutes of Health(NIH)

II.4.2.1 Thử nghiệm In Vitro

Ưu điểm chính của phương pháp này là giá cả hợp lý, đầu tư nhỏ trongphòng thí nghiệm, và quan trọng nhất là quá trình thực hiện nhanh với số lượnglớn vật liệu

- Tính tương hợp máu của vật liệu: được xác định bằng cách sử dụng máuchống đông (một hạn chế không thể tránh của các thử nghiệm này) và đánh giá sựhình thành cục máu đông trên bề mặt vật liệu cũng như sự hoạt hóa đông huyếttương, sự bám dính và tụ tập tiểu cầu, sự tổng hợp và giải phóng đồng thời các hợpchất hóa học hoạt động sinh học (như các tác nhân tụ tập, các nhân tố tăngtrưởng), sự hoạt hóa bổ thể và các bạch cầu khi các thành phần này tương tác vớicác vật liệu tổng hợp Tùy thuộc vào mục đích sử dụng cuối cùng của vật liệu, cácthử nghiệm tính tương hợp máu phải được bố trí dưới điều kiện tĩnh hay dòngchảy trong các thử nghiệm cấp và mãn tính Hồng cầu vỡ sẽ giải phónghemoglobin dưới điều kiện dòng chảy trong bộ phận giả, sự hóa vôi liên quan đếncác bộ phận di chuyển cơ học (các lá của van tim) cũng phải được xác định Tuynhiên, không thể loại trừ các phản ứng này khi máu tiếp xúc với các vật liệu tổnghợp Do đó, kiểm soát và tổi thiểu các phản ứng này là mục tiêu trong việc thiết kếcác vật liệu tương hợp máu

- Những tiến bộ trong kỹ thuật nuôi cấy tế bào đã cung cấp một mô 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 chứcnăng của tế bào (bám dính, di cư, tăng sinh, tổng hợp và lắng đọng các chất nềnngoại bào…) trên vật liệu Nếu mục tiêu của việc thiết kế và đánh giá các vật liệumới là những liên kết mạnh giữa mô xung quanh và vật liệu cấy ghép hoặc có sựtạo thành mô mới thì chỉ những vật liệu hỗ trợ chức năng của các tế bào đặc biệt

và tối thiếu sự tương tác của các dòng tế bào cạnh tranh mới được đánh giá nhiềuhơn Ví dụ, chỉ những vật liệu tăng cường chức năng nguyên bào xương (tế bàotạo xương) nhưng giảm tối thiểu chức năng của các nguyên bào sợi (tế bào cạnhtranh) mới trở thành “ứng cử viên” cho các ứng dụng trong chỉnh hình hoặc nhakhoa

- Mô hình tế bào động vật in vitro cũng được sử dụng để xác định ảnh

hưởng của các hợp chất hóa học (như loại ion, hàm lượng ion được giải phóng khikim loại bị xói mòn, các đại phân tử và các monomer được giải phóng trong suốtquá trình phân hủy của các polymer có thể tái hấp thu sinh học) được giải phóngdưới các điều kiện của môi trường sinh lý Các vật liệu bị thất bại trong thửnghiệm độc tính cấp sẽ không được đánh giá cũng như xem xét tiếp tục Ngay cảkhi vật liệu đã qua thử nghiệm khả năng sống của tế bào thì ảnh hưởng của các sảnphẩm được giải phóng đến hình thái (gồm sự tích lũy nội bào của các sản phẩmphân hủy), sự tăng sinh và các chức năng khác của tế bào từ đầu cho đến kết thúc

sử dụng vật liệu cũng phải được đánh giá

Các mô hình này rất tốt để khảo sát các chức năng và các cơ chế thích hợp củamột dòng tế bào tại một thời điểm nhưng bị hạn chế trong môi trường phức tạp của

cơ thể Do đó, cần thiết sử dụng các mô hình khác (như mô hình động vật) để làmsáng tỏ các sự kiện nhiều khía cạnh, tương tác và linh động mà trực tiếp, trunggian kiểm soát các tương tác mô – vật liệu bên trong cơ thể

II.4.2.2 Các mô hình động vật

Tính nhân đạo và các yêu cầu hợp pháp

Các mô hình động vật được sử dụng để xác định tính tương hợp in vivo của các

vật liệu Các kết quả âm tính (không có kết quả) quyết định khả năng không chấpnhận hệ thống được thử nghiệm Tuy nhiên, các kết quả dương tính không nhấtthiết chứng minh tính tương hợp ở người Do sự khác biệt về loài, việc ngoại suycác kết luận từ thử nghiệm động vật để tiên đoán các đáp ứng của con người làkhông chắc chắn và nguy hiểm Mô hình động vật thích hợp nhất là linh trưởng do

sự tương đồng của chúng với người, thậm chí sự khan hiếm, giá cả và duy trì…bầy động vật này

Việc thử nghiệm trên mô hình động vật chỉ được tiến hành sau khi đã thực hiện

thành công các thử nghiệm tiên quyết về đặc tính vật liệu và các thí nghiệm in vitro Các nhà nghiên cứu nên xác định loài thích hợp nhất cho mục đích khảo sát,

cẩn thận bố trí thí nghiệm sao cho số lượng động vật sử dụng nhỏ nhất nhưng thuđược kết quả thống kê cao và tránh lặp lại thí nghiệm không cần thiết.

Phân loại các thử nghiệm

Các thử nghiệm động vật để đánh giá tính tương hợp sinh học của vật liệu cóthể được phân thành 3 cách chính:

i) Các thử nghiệm không chức năng

Trong trường hợp này, các mẫu có hình dạng bất kỳ được ghép vào mô mềm(dưới da, trong cơ, trong bụng) qua quy trình tiểu phẫu Nghiên cứu này cầnkhoảng thời gian ngắn (vài ngày đến vài tháng) nhưng cung cấp thông tin giá trị vềcác tương tác mô – vật liệu sinh học tại chỗ và các biến chứng hệ thống

ii) Các thử nghiệm ex vivo

Các shunt động mạch – tĩnh mạch và tĩnh mạch – tĩnh mạch được lấy từ máucủa động vật, qua thử nghiệm vật liệu và đưa trở lại cơ thể động vật Trong trườnghợp này, các dữ liệu thu nhận được để xác định tính tương hợp sinh học máu củavật liệu là sự tích lũy protein, sự bám dính tế bào máu và sự đóng cục trên bề mặtvật liệu

iii) Các thử nghiệm chức năng

Thử nghiệm này cần ghép một vật liệu có chức năng, ví dụ ghép khớp háng vàtim trong những vùng tổ chức của động vật theo cách phẫu thuật tương tự củangười Các thử nghiệm chức năng là các nghiên cứu thời gian dài, cần những suyxét đặc biệt (như thiết kế, chế tạo và thử nghiệm bộ phận giả), phức tạp và đắt tiền

và các tổ chức chuyên nghiệp khác cung cấp

Minh họa một khung thử nghiệm dựa trên các nguyên tắc của FDA và ISO

giá bổsungTiếp xúc cơ

gia

Độctín

Độnhạy

Độkích

Độctínhhệ

Độctín

Độctínhdi

Sựcấyghé

Tínhtươ

Độctín

Sựsinh

htếbào

ứngda

thống(cấp)

hdướimãntính

truy

ền p nghợp

máu

hmãntính

khốiu

A – Tiếp xúc ngắn (≤ 24 giờ); B – Tiếp xúc kéo dài (24 giờ - 30 ngày); C – Tiếpxúc lâu dài (> 30 ngày)

 - Các thử nghiệm đánh giá FDA và ISO; o – Các thử nghiệm bổ sung do FDAyêu cầu

II.4.2.3 Các thử nghiệm lâm sàng

Các quy trình và các quy định

Nếu các thử nghiệm in vitro và trên động vật đã thành công thì cũng khôngthể tiên đoán được tác động của vật liệu trên người nếu không có các thử nghiệmlâm sàng Các thử nghiệm lâm sàng phải thành công trước khi các bộ phận giảđược sử dụng rộng rãi cho bệnh nhân

Ngoài các tiêu chuẩn khoa học, các đánh giá lâm sàng phải tuân theo quy

định pháp luật Các kết quả thử nghiệm in vitro, ex vivo và in vivo (động vật) phải

được lưu giữ cẩn thận để hỗ trợ cho các thử nghiệm lâm sàng Người nhận phảiđược mua bảo hiểm cho các rủi ro khi cấy ghép vật liệu mới Hơn nữa, các quytrình chi tiết mô tả vật liệu, quá trình phẫu thuật, xử lý hậu phẫu, chăm sóc ngườinhận và các đánh giá khác như so sánh sức khỏe của ngưới nhận trước và sau khicấy ghép, so sánh người nhận với người khỏe mạnh cùng nhóm thích hợp (tuổi,giới tính, môi trường sống và làm việc…) phải phù hợp với các quy định củaFDA, quốc tế nhằm bảo vệ quyền lợi của những người tham gia trong thử nghiệmlâm sàng

Sự thất bại khi cấy ghép, sự phục hồi và đánh giá

Một thông tin khác quan trọng và có giá trị có thể được thu nhận từ việcđánh giá vật liệu cũng như các mô sinh học xung quanh là sự phục hồi của bộphận giả từ cơ thể vào cuối đời của người nhận

Mặc dù các vật liệu sinh học được thiết kế dựa trên cơ sở sinh lý của ngườikhỏe mạnh bình thường nhưng người nhận các vật liệu này lại chủ yếu là ngườilớn tuổi hoặc người bệnh Do đó, không thể dự đoán hết được tác động của vật liệudưới tất cả tình trạng người nhận với nhiều bệnh lý và đơn thuốc khác nhau Dướinhững trường hợp như thế, các biến chứng không dự kiến trước có thể xảy ra như

là mất chức năng, rối loạn hóa lý… Ngoài ra, những biến chứng như là đau hoặcgây bất tiện có thể kết hợp với viêm nhiễm và các triệu chứng lâm sàng khác gâynguy hiểm cho sức khỏe người nhận Khi đó, sự can thiệp của phẫu thuật là khôngthể tránh khỏi

II.5 Các biến chứng (complication) liên quan đến sự lành hóa vết thương xung quanh vật ghép

Nhiều trường hợp có thể phức tạp, trì hoãn hoặc thậm chí ngừng tiến trìnhlành hóa vết thương xung quanh vật liệu cấy ghép Ví dụ khi máu tiếp xúc với cácvật liệu sinh học cấy ghép, các thành phần bổ thể có thể được hoạt hóa và huyđộng bạch cầu Trong khi sự viêm cấp là một phần thiết yếu trong tiến trình lànhhóa thì sự viêm mãn (kéo dài hàng tuần đến hàng tháng sau cấy ghép ) có thể làmtrì hoãn hoặc ngăn chặn sự lành hóa vết thương tại vùng cấy ghép Sự viêm mãn

có thể trở thành một vấn đề lâm sàng nghiêm trọng và có thể yêu cầu phẫu thuật

để loại bỏ vật liệu cấy ghép

Sự tiếp xúc của các vật liệu sinh học trong môi trường làm lành vết thương(giàu hóa chất phản ứng và các hợp chất hoạt động sinh học) có thể gây ra xói mònkim loại và phân hủy polymer làm giải phóng các ion và các monomer (các chất

ổn định, yếu tố polymer hóa, chất nhũ tương…), hoạt động hóa học của các hợpchất này có thể ảnh hưởng đến hóa học và làm thay đổi hình thể bề mặt vật liệu

Một vật liệu cấy ghép có thể là nguồn kích thích viêm vì nhiều lý do Ví dụ:vật liệu không được bao bọc và bị ngăn cách hoàn toàn với phần còn lại của cơthể; vật liệu lọc các hóa chất tiền viêm (pro-inflammatory); vật liệu bị rã thànhnhiều phần tử nhỏ Các hạt được tạo ra tại mặt phân cách mô – vật ghép do độnglực, liên quan đến ma sát của hai bề mặt khớp nối (ví dụ trường hợp khớp háng,khớp hàm tạm thời…) Loại, hàm lượng và hoạt tính sinh hóa của các hợp chấtgiải phóng này có thể độc đối với tế bào, cảm ứng viêm và ngăn cản tiến trình lànhhóa vết thương; quan trọng nhất, các hợp chất này cũng có thể gây viêm, dị ứng vàgây phản ứng miễn dịch hệ thống Ví dụ, sự hiện diện các ion kim loại (như nickel,

Hình : Các bạch cầu được hoạt hóa làm thay đổi bề mặt vật liệu cấy ghép (A) Hình kính hiển

vi điện tử quét bề mặt của đĩa poly(etherurethane urea) (PEUU) đối chứng, không cấy ghép (B) Hình kính hiển vi điện tử quét bề mặt của đĩa PEUU sau khi ghép 28 ngày dưới da của chuột Người ta tin rằng cấu trúc bề mặt xù xì là do hoạt động của các bạch cầu được hoạt hóa

chromium, cobalt) có thể gây dị ứng và các phản ứng quá mẫn; các biến chứngnày thường thấy trong lâm sàng khi sử dụng các hợp kim (như cobalt-chromium-molybden) trong nha khoa Cơ chế chính xác của sự hoạt hóa hệ miễn dịch của cácion kim loại vẫn chưa được hiểu rõ.

Phần lớn các polymer sử dụng trong các ứng dụng y sinh hiện tại khônggây phản ứng miễn dịch quan trọng Các vật liệu được thiết kế từ các polymer cóthể phân hủy sinh học và khi phân hủy 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 ngoài qua con đường trao đổi chất bình thường

Một số ion kim loại (đặc biệt là nickel) và các monomer (như benzylchloride) là những tác nhân gây ung thư Thông qua hoạt động hóa học, các hợpchất này có thể tham gia chuyển dạng các tế bào bình thường Sự phát triển khối utại chỗ hoặc gần bề mặt vật ghép phụ thuộc vào hình dạng và đặc tính vật lý củavật ghép

Các biến chứng thông thường nhất trong tiến trình lành hóa vết thươngxung quanh vật ghép liên quan đến bao sợi vật ghép Do mô tổn thương khônglành hoàn toàn, một lượng lớn mô hạt, sợi xơ và sẹo được tạo thành Sự cô lập vậtghép bởi bao sợi là một tiến trình bình thường mà cơ thể đối phó với sự xâm nhậpcủa vật ghép Tuy nhiên, các biến chứng có thể tăng khi mô dày, không thấm làmsuy giảm các chức năng cơ học của vật ghép hoặc ức chế sự giải phóng các tácnhân liệu pháp trong trường hợp hệ phân phát thuốc Vị trí bị cô lập trở nên khógiải quyết trong trường hợp nhiễm, vi khuẩn và các vi sinh vật khác tìm thấy mộtnơi ẩn náu bên trong bao sợi và phát triển mạnh, kháng sinh và các dược phẩmkhác không thể tác động đến do không thấm qua rào cản mô sợi cũng như không

đủ lượng để có hiệu quả Dưới trường hợp này, phải phẫu thuật loại bỏ vật ghép.Nếu được ghép dưới da, vật ghép cô lập trong bao sợi rất gần da và có thể bị đẩy

Các vật liệu sử dụng thời gian dài tương tự tác nhân tạo cục máu đông nhưDacronTM [poly(ethylene terephthalate)] có cấu trúc mạng sợi tạo thành mạch máu

giả có đường kính lớn hơn 6mm Cục đông tạo thành để đóng các lỗ mở trong cấutrúc sợi, fibroblast và fibrin tạo ra sẽ ngăn ngừa máu chảy vào bên trong cấu trúc.

Do dòng máu chảy mạnh và đường kính mạch lớn nên không xảy ra sự đóng mạchnhư là kết quả của sự hình thành cục máu đông Nguyên tắc này không có giá trịđối với những mạch có đường kính nhỏ hơn 6mm

Dưới điều kiện sinh lý, bề mặt của mạch tiếp xúc với máu là một lớp tế bàonội mô Các tế bào này thực hiện các chức năng điều hòa sự nghẽn mạch, tham giatổng hợp, vận chuyển các chất hoạt động trong chuyển hóa Đặc điểm chính củacác tế bào nội mô là tính tương hợp máu Do đó, việc phủ bề mặt vật liệu với mộtlớp đơn tế bào nội mô người là quan điểm hứa hẹn nhất để tạo được một bề mặttương hợp sinh học Tuy nhiên, việc phát triển một cơ quan lai như vậy vẫn chưathực hiện được vì hiện tại các tế bào nội mô người không tăng trưởng trên các bềmặt lạ

Trong mạch bình thường, các tế bào nội mô tăng trưởng trên màng cơ bản

tự tạo gồm collagen (loại I, III IV), proteoglycan, glycoprotein fibronectin vàlaminin Một đoạn fibronectin có trình tự RGD có vai trò trong sự bám dính củacác tế bào nội mô Nhiều nhóm nghiên cứu đã cố gắng tăng sinh các tế bào nội môtrên các polymer tổng hợp bằng cách phủ bề mặt polymer với fibronectin hoặccollagen hoặc bằng cách kết hợp đồng hóa trị các oligopeptide chứa trình tựtripeptide RGD đặc hiệu

Việc phát triển một vật liệu cấy ghép có phủ tế bào nội mô để ứng dụngthời gian dài có lẽ là công việc phức tạp và tiêu tốn nhiều thời gian nhất Nhiều ýtưởng đã được thực hiện để cải tạo tính tương hợp máu của vật liệu

Hình : Các ý tưởng để cải tạo tính tương hợp máu của bề mặt vật liệu

III.1 Tối thiểu sự tương tác

Một phương pháp cải tạo tính tương hợp máu của polymer là căn cứ vào bềmặt polymer có tính ưa nước cao hơn sẽ giảm sự hấp thụ protein và giảm bámdính tế bào Để phát triển các hệ polymer tương hợp máu mới, các domain ưa

nước và kỵ nước được điều chỉnh để giảm năng lượng bề mặt Một thành phầnthích hợp của hỗn hợp polymer hoặc chiều dài các đoạn trong copolymer khốikiểm sốt hình dạng của polymer Người ta đã quan sát được sự bám dính tiểu cầugiảm đáng kể trên bề mặt copolymer khối ABA của HEMA ưa nước (A) và styren

kỵ nước (B) Sự thay đổi các đoạn ưa nước mềm và cứng khác nhau củapolyurethane chỉ ra sự hấp thu fibrinogen thấp và albumin cao giúp cải tạo tínhtương hợp máu

Ngồi ra, cĩ thể tối thiểu sự tương tác hệ sinh học/vật liệu sinh học bằng cáchbiến 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 hoạthĩa bổ thể và bám dính tiểu cầu Tương tự, polymer kỵ nước được phủ một lớphydrogel như PHEMA sẽ cải thiện tính khơng nghẽn mạch của polymer Việc cốđịnh các nhĩm chức như nhĩm hydroxyl, carboxyl, amino khơng chỉ làm giảmnăng lượng bề mặt mà cịn hoạt động như là nhĩm liên kết đẩy mạnh sự biến đổi

bề mặt hĩa học

III.2 Ghép thuốc

Tính tương hợp máu của các vật liệu sinh học cĩ thể được cải thiện bằngcách phủ hoặc ghép các chất chống đơng, các chất ức chế sự bám dính tiểu cầuhoặc các chất hoạt hĩa tiêu fibrin Ví dụ phổ biến nhất là bắt cặp ion hoặc đồnghĩa trị của heparin với bề mặt của catheter hoặc stent tiếp xúc với máu Theonguyên tắc này, các chất sinh oxy cĩ heparin gắn đồng hĩa trị đã được kiểm tratrong thử nghiệm lâm sàng Do hoạt tính của heparin giảm theo thời gian tiếp xúcnên các ứng dụng thời gian dài vẫn chưa thành cơng Nguyên tắc này cũng cĩ thểđược ứng dụng để cố định albumin, urokinase hoặc prostaglandin trên vật liệu sinhhọc Sự bám dính tiểu cầu giảm khi cố định phosphorylcholine, một thành phầnchính của màng tiểu cầu và hồng cầu, trên bề mặt polymer

III.3 Bắt chước 1 màng sinh học

Một phương pháp đầy hứa hẹn để tránh bất kỳ phản ứng nào chống lại các

bề mặt lạ là bắt chước màng tế bào hồng cầu ở bề mặt tiếp xúc máu

IV GIẢI QUYẾT SỰ NHIỄM TRÙNG CẤP TÍNH VÀ MÃN TÍNH TRONGCÁC CA GHÉP VẬT LIỆU SINH HỌC

Tác hại do sự sinh sản tự nhiên của vi khuẩn bao gồm sự bào mòn và hưhỏng thành phần kim loại Sự tạo thành biofilm còn là một vấn đề nghiêmtrọng của y học, thể hiện ở sự nhiễm trùng mảnh cấy như là ống khí quản, ống

thông tĩnh mạch, thuỷ tinh thể tiếp xúc, ống niệu và những mảnh ghép phụ trợnhư van tim, khớp thay thế, mảnh ghép nha khoa và mảnh ghép xương sống

Trong thực tế, việc gia tăng sử dụng mảnh ghép làm bằng vật liệu sinhhọc cho con người trong những năm gần đây thường đi kèm với sự nhiễm trùng

vi khuẩn, thường do Staphylococcus epidermis gây ra Tuỳ thuộc vào những cơ

chế liên quan, những ảnh hưởng này có thể là cấp tính hoặc mãn tính (xuấthiện nhanh hay chậm sau khi cấy ghép) Sự hình thành biofilm thường dẫn đếnviệc loại bỏ hoặc rà soát lại mảnh ghép gây tác động, kết quả gây ra sự tổnthương ở bệnh nhân

IV.1 Biofilm là gì ?

Chất nhầy hình thành trên bề mặt của các mảnh ghép y học (nút xoang

nhĩ, khớp nhân tạo, ống thông…) thường là nơi ẩn náu cuả các loại vi sinh vật,chúng có thể tồn tại dai dẳng bất chấp sự hiện diện cuả thuốc kháng khuẩnhoặc kháng nấm Những vi sinh vật này (thường là các họ vi khuẩn, nấm, vàcác vi sinh vật khác) tạo thành một quấn thể thường được biết với tên gọibiofilm

Biofilms are multilayered colonies of bacteria that often form on biomedical implants, manifesting themselves as acute

or chronic infections in a patient This atomic force microscope (AFM) image of the surface structure of a hydrated biofilm reveals microcolonies of bacteria, with channels that are believed to act as passageways carrying nutrients to the bacteria Institute scientists were the first

to generate and study AFM images of hydrated biofilms.

Biofilm hình thành trong môi trường có nước khi các vi sinh vật tiếp xúcvới các bề mặt rắn và vi sinh vật tiếp xúc với nhau thông qua các polymerngoại bào (EPS) Chúng tạo thành một chuỗi lớn trên các bề mặt (kim loại,

plastic, đá, mô sống hoặc chết) Thuật ngữ biofilm có thể gây hiểu lầm vì nóngụ ý rằng các tế bào hình thành nên lớp đơn Thật ra, theo quan sát dưới kínhhiển vi, biofilm bao gồm nhiều chất có cấu trúc không gian ba chiều phức tạp.Trong tự nhiên, biofilm có thể gồm nhiều loài khác nhau, thông thường chúngsắp xếp lại thành dãy ngay ngắn Ví dụ như các vệt tan trên răng người Có hơn

400 loài vi khuẩn khác nhau, một số tiếp xúc với bề mặt răng, số khác tiếp xúcvới các vi khuẩn gần bên cạnh nó bằng các nội phản ứng phân tử đặc biệt nhưsự gắn chặt và các receptor phù hợp với chúng

Polysacharide được tạo ra bởi các vi sinh vật thường trú hình thành nênthành phần ngoại bào chính cuả biofilm Thành phần các chất cơ bản củabiofilm có thể khác nhau, phụ thuộc vào sinh vật liên quan: vi khuẩn gram âmtạo thành biofilm trung tính hoặc mang tính anion, vi khuẩn gram dương thì tạobiofilm có tính cation

Ngược lại, thành phần cuả polysacharide có thể quy định cho khả năngổn định bẩm sinh cuả nó Ví dụ như polyanionic EPS phản ứng liên kết chéovới các ion kim loại (ví dụ Fe…), vì vậy ổn định các chất Gần đây người tanhận thấy rằng lactoferrin, một protein giàu chất sắt (Fe) là sản phẩm của hệ

miễn dịch bẩm sinh của động vật có vú, có thể ngăn không cho Pseudomonas aeruginosa hình thành biofilm Những phát hiện mới này cho một cái nhìn rõ

ràng hơn về mối liên kết phân tử giữa chủ thể và biofilm, và chúng có thể chứađựng nhiều manh mối cho những can thiệp trong tương lai

Những nghiên cứu gần đây trên vi khuẩn gram âm P aeruginosa và vi khuẩn gram dương Staphylococus epidermis đã cho ra những thông tin về đặc

trưng sinh lý và phân tử của các biofilm vi khuẩn, bao gồm cả những đặc tínhtổng quát của biofilm và cả những dấu hiệu quan trọng để chọn lọc loài

P.aeruginosa đã được tập trung nghiên cứu vì nó là tác nhân gây các bệnh cơ

hội thông thường bởi sự nhiễm trùng tập nhiễm trong bệnh viện và nó hìnhthành các biofilm nguy hiểm không thể chữa trị được trong phổi người với sựhoá xơ các nang

S.epidermis chiếm ưu thế trong sự nhiễm trùng cấp và mãn tính liên

quan đến việc cấy ghép cơ quan

IV.2 Cơ chế hình thành biofilm

Figure : The five stages of bacterial biofilm formation.