Bài giảng Vật liệu sinh học tính tương hợp sinh học

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 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. www.hoangtuhung.com KIM LOẠI HỮU CƠ- POLYMER VÔ CƠ- CERAMIC COMPOSITE Polymer dẫn điện Siêu dẫn Silicon, silicone Bán dẫn www.hoangtuhung.com MỘT SỐ KHÁI NIỆM Thiết bị y tế (medical devices) 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 nhiều mục đích sau: - Chẩn đoán, dự phòng, theo dõi, điều trị hoặc làm giảm bệnh, - Chẩn đoán, theo dõi, điều trị, làm giảm hoặc bù đắp một thương tổn, (tiếp) www.hoangtuhung.com - 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) www.hoangtuhung.com MỘT SỐ KHÁI NIỆM Sinh phẩm y tế (biopharmaceutical products): là những sản phẩm được dùng trong chẩn đoán (in vivo), điều trị, dự phòng, được chế tạo bằng công nghệ sinh học Vật liệu sinh học (biomaterials): 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 www.hoangtuhung.com VẬT LIỆU SINH HỌC Định nghĩa 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. www.hoangtuhung.com 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 học và các yếu tố lý-hóa-cơ học khác Các đặc điểm này đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo và sử dụng vật liệu. Æ phải đạt các yêu cầu đ/v vật liệu sinh học, có tính tương hợp sinh học, www.hoangtuhung.com Vấn đề (1) • Trơ (inert)? • Độc tính (toxicity)? • Tính tương hợp sinh học (biocompatibility)? Đánh giá tính tương hợp sinh học? www.hoangtuhung.com 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) MỘT SỐ KHÁI NIỆM www.hoangtuhung.com Theo bản chất tiếp xúc: – có tiếp xúc bề mặt – có liên hệ với bên ngoài – cấy ghép Theo bản chất hóa học: – kim loại – hữu cơ – vô cơ – composite Theo thời gian tiếp xúc*: ngắn < 24 giờ dài < 30 ngày vĩnh viễn > 30 ngày Phân loại vật liệu sinh học www.hoangtuhung.com Tương hợp sinh học và đánh giá tính tương hợp sinh học • 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. www.hoangtuhung.com • 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 liệu Trong môi trường vật chủ. Tương hợp sinh học và đánh giá tính tương hợp sinh học www.hoangtuhung.com 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. www.hoangtuhung.com THỬ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ 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 www.hoangtuhung.com Nhóm I: Thử nghiệm cấp một 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 www.hoangtuhung.com Thử nghiệm độc tính đối với gen: 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). Nhóm I: Thử nghiệm cấp một *AAMI: Association for the Advancement of Medical Instrumentaion www.hoangtuhung.com Nhóm II: Thử nghiệm cấp hai Đánh giá tiềm năng gây độc bằng loạt thử nghiệm: – Đường toàn thân, – Đường hô hấp, – Nhạy cảm và kích ứng da, – Phản ứng nuôi cấy. • Thử nghiệm LD50: mẫu vật liệu được sử dụng 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 www.hoangtuhung.com Nhóm II: Thử nghiệm cấp hai • 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: – Kích ứng (irritation) là hiện tượng viêm mà không có sự tham gia của kháng thể hay hệ thống miễn dịch, – Nhạy cảm (sensitization) là phản ứng viêm trong đó có sự tham gia của kháng thể đặc hiệu với dị nguyên là vật liệu. www.hoangtuhung.com Nhóm II: Thử nghiệm cấp hai Thử độc tính theo đường hô hấp: 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. www.hoangtuhung.com Nhóm II: Thử nghiệm cấp hai 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. www.hoangtuhung.com Nhóm III: Thử nghiệm tiền lâm sàng 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