Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm

Luận án tiến sĩ y học Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm.Hiện nay, sự gia tăng các bệnh lý liên quan đến xương khớp như: thoái hóa, thấp khớp, tai nạn lao động, tai nạn thể thao đã và đang thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của nền công nghiệp vật liệu nhằm hỗ trợ và phục vụ tốt hơn cho các yêu cầu lâm sàng trong chuyên ngành chấn thương chỉnh hình [1], [2]. Điều này có ý nghĩa quan trọng và góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống của người bệnh, giảm các chi phí điều trị … Một trong những phương pháp điều trị quan trọng trong chấn thương chỉnh hình là kết xương bên trong, sử dụng các phương tiện để cố định xương gãy.
Việc sử dụng các phương tiện kết xương trong chấn thương chỉnh hình đã có từ khoảng 300 năm trước [3]. Kim loại là một trong những nguyên liệu được sử dụng từ khá sớm. Theo các kết quả khảo cổ học thu được, ngay từ trước công nguyên con người đã sử dụng vật liệu kim loại làm implant [3]. Sắt, vàng bạc được sử dụng đầu tiên và sau đó là các hợp kim. Bắt đầu từ thế kỷ XX, ngành công nghiệp luyện kim và nghiên cứu chế tạo vật liệu mới phát triển mạnh. Gần đây một số loại kim loại có có cơ tính tốt hơn đã được chế tạo thành công như thép không gỉ 316L, hợp kim Crom – Ni ken và hợp kim Titan….giúp chuyên ngành chấn thương chỉnh hình phát triển ngày càng mạnh mẽ.

Các kim loại sử dụng trong chấn thương chỉnh hình từ khi ra đời đã luôn được cải tiến tùy theo mục đích sử dụng. Thế hệ đầu tiên là các vật liệu chế tạo từ các kim loại trơ với môi trường như: thép không gỉ 316L, Coban… Chúng giúp đạt được kết quả tốt về phục hình xương ban đầu nhưng trong quá trình cấy ghép lâu dài lại gây hiện tượng liên kết lỏng lẻo với xương do các đặc tính cơ học cũng như sức bền, chịu lực của vật liệu cao hơn xương rất nhiều. Thêm vào dó là hiện tượng mỏi kim loại do ăn mòn và ma sát khi vận động. Thế hệ dụng cụ kim loại thứ hai ra đời nhằm khắc phục các nhược điểm trên với các ưu điểm vượt trội hơn về khả năng liên kết, khả năng kích thích quá trình tái tạo và liền xương như các hợp kim của titan phủ hydroxyapatite (HA)… Cùng với sự phát triển của vật liệu, cũng như những đòi hỏi ngày càng cao hơn trong chấn thương chỉnh hình, các nhà lâm sàng mong muốn tìm ra được một loại vật liệu vừa có khả năng đảm bảo chức năng chỉnh hình2 xương, nhưng thời gian tồn tại chỉ cần đủ dài để quá trình liền xương hoàn thành và sau đó chúng có khả năng tự phân hủy sau khi xương đã liền do đó không cần phải tháo bỏ phương tiện kết xương. Theo những ý tưởng này, các nghiên cứu về vật liệu kim loại mới trên thế giới đã có những công bố bước đầu về sử dụng các loại vật liệu có khả năng tự phân hủy như hợp kim magie, TiNi [4], [5], [6].
Ở Việt Nam hiện tại các công trình nghiên cứu về vật liệu kim loại để sản xuất dụng cụ kết xương có khả năng tự phân hủy sau khi liền xương còn chưa nhiều, chưa có sản phẩm cụ thể và còn rất ít được nghiên cứu, thông báo trong y văn[7], [8] . Xuất phát từ thực tế này, nhóm nghiên cứu chúng tôi thực hiện đề tài nghiên cứu “ Đánh giá tính tương thích sinh học và tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của hợp kim magie AZ31 phủ Hydroxyapatite trên thực nghiệm” với hai mục tiêu như sau:
Mục tiêu 1: Đánh giá khả năng tương thích sinh học của vật liệu cấy ghép Magie AZ31 phủ Hydroxyapatite.
Mục tiêu 2: Đánh giá tác dụng hỗ trợ quá trình liền xương của vật liệu cấy ghép Magie AZ31 phủ Hydroxyapatite

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC………………………………………………………………………………………….. 3
DANH MỤC BẢNG……………………………………………………………………………. 4
DANH MỤC HÌNH…………………………………………………………………………….. 7
DANH MỤC VIẾT TẮT…………………………………………………….9
ĐẶT VẤN ĐỀ …………………………………………………………………………………….. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN………………………………………………………………… 3
1.1. Sơ lược về kim loại sử dụng trong ngoại khoa ……………………………….. 3
1.2. Các loại vật liệu kim loại dùng trong kết xương bên trong và cấy
ghép………………………………………………………………………………………………………….4
1.2.1. Thép không gỉ ……………………………………………………………………….. 4
1.2.2. Hợp kim coban………………………………………………………………………. 7
1.2.3. Hợp kim titan ………………………………………………………………………… 8
1.2.4. Hợp kim magie ……………………………………………………………………. 10
1.3. Tính tương thích sinh học………………………………………………………… …… 15
1.3.1. Khái niệm tính tương thích sinh học……………………………………….. 15
1.3.2. Một số loại tiêu chuẩn đánh giá tính tương thích sinh học…………. 16
1.3.3. Các phương pháp đánh giá tính tương thích sinh học ……………….. 17
1.3.3.1. Độc tính với gen……………….. ………………… ………..… 17
1.3.3.2. Khả năng gây ung thư …………………………………………. 18
1.3.3.3. Vật liệu cấy ghép ……………………………………… ……….19
1.3.3.4. Tính kích ứng ………………………………………………. . 20
1.3.3.5. Đánh giá độc tính toàn thân ………………………………. . … 212
1.4. Các nghiên cứu đánh giá tính tương thích sinh học của hợp kim
Magie . ……………………………………………………………………………………………. … 26
1.4.1. Đánh giá độc tính tế bào ……………………………………………………….. 26
1.4.2. Đánh giá hình thái………………………………………………………………… 27
1.4.3. Đánh giá nhiễm độc toàn thân ……………………………………………….. 28
1.4.4. Biểu hiện gen và sự thay đổi nồng độ các Cytokin …………………… 29
1.5. Các nghiên cứu đánh giá khả năng hỗ trợ liền xương của hợp kim
Magie………………………………………………………………………………………………………….
30
1.5.1. Thử nghiệm trên động vật……………………………………………………… 30
1.5.2. Thử nghiệm lâm sàng trên người……………………………………………. 32
1.6. Tiêu chuẩn của một hệ thống nẹp và vít hợp kim khi sử dụng trong
nghiên cứu………………………………………………………………………………………………34
1.6.1. Các tiêu chẩn của nẹp và vít hợp kim……………………………………… 34
1.6.2. Nẹp và vít hợp kim Magie AZ31…………………………………………… 35
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ………….. 38
2.1. Sơ đồ nghiên cứu tổng quát……………………………………………………………..38
2.2. Nghiên cứu trên ống nghiệm – In vitro………………….……… .. …………….38
2.2.1. Sơ đồ nghiên cứu In vitro………………………………………………………. 38
2.2.2 Đối tượng nghiên cứu ……………………………………………………………. 39
2.2.3. Phương pháp nghiên cứu ………………………………………………………. 40
2.2.4. Các chỉ số nghiên cứu …………………………………………………………… 41
2.2.5. Kỹ thuật và công cụ thu thập số liệu……………………………………….. 42
2.3. Nghiên cứu thực nghiệm trên động vật – Invivo ……………………………..44
2.3.1. Sơ đồ nghiên cứu in vivo ………………………………………………………. 44
2.3.2. Đối tượng nghiên cứu …………………………………………………………… 443
2.3.3. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ………………………………………….. 46
2.3.4. Phương pháp nghiên cứu ………………………………………………………. 46
2.3.5. Phẫu thuật và thu thập số liệu ………………………………………………… 47
2.3.6. Các chỉ tiêu đánh giá nghiên cứu……………………………………………. 55
2.3.7. Quy trình lấy mẫu bệnh phẩm mô bệnh học…………………………….. 56
2.3.8. Đạo đức nghiên cứu trong thử nghiệm In vivo…………………………. 56
2.4. Vật liệu, máy móc, trang thiết bị……………………………………………………..57
2.5. Xử lý số liệu…………………………………………………………………………………58
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU …………………………………………… 59
3.1. Nghiên cứu trên ống nghiệm- In vitro……. ……………………………………….59
3.1.1. Sự thay đổi của các thành phần trong môi trường giả định – dung
dịch mô phỏng dịch cơ thể người ……………………………………………………. 59
3.1.2. Kết quả thử nghiệm vật liệu trong môi trường nuôi cấy tế bào trong
môi trường MEM-α……………………………………………………………………….. 60
3.2. Nghiên cứu trên động vật (thỏ) – In vivo ……………………………………… .63
3.2.1. Đáp ứng toàn thân của thỏ nghiên cứu ……………………………………. 63
3.2.2. Kết quả xét nghiệm huyết học và sinh hóa ………………………………. 66
3.2.3. Kết quả trên XQ …………………………………………………………………… 82
3.2.4. Kết quả mô bệnh học ……………………………………………………………. 90
CHƯƠNG 4: BÀN LUẬN …………………………………………………………………. 94
4.1 Về nghiên cứu In vitro………………………………………………………………………94
4.1.1. Sự thay đổi của các thành phần trong môi trường giả định – dung
dịch mô phỏng dịch cơ thể người ……………………………………………………. 94
4.1.2. Kết quả thử nghiệm vật liệu trong môi trường tế bào………………… 95
4.2. Về nghiên cứu In Vivo……………………………………………………………………..98
4.2.1. Đáp ứng toàn thân của thỏ …………………………………………………….. 98
4.2.2. Kết quả đánh giá độc tính ……………………………………………………… 994
4.2.3. Kết quả cấy ghép vật liệu vào cơ đùi thỏ……………………………….. 105
4.2.4. Kết quả cấy ghép khi bắt vít vào xương đùi thỏ……………………… 109
4.2.5. Kết quả cấy ghép đặt nẹp vít vào xương đùi thỏ …………………….. 113
KẾT LUẬN …………………………………………………………………………………….. 121
KIẾN NGHỊ……………………………………………………………………………………. 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………………….. 1245
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của một số loại hợp kim Magie ……………….. 11
Bảng 1.2 Một số loại test cần đánh giá đối với các thiết bị y tế dựa trên đặc
điểm tiếp xúc của thiết bị với cơ thể người theo tiêu chuẩn ISO 10993-1:2009
[55] ………………………………………………………………………………………………… 17
Bảng 1.3. Chỉ tiêu đánh giá sự tăng sinh của tế bào ………………………………… 28
Bảng 1.4. Bảng tổng hợp về các tiêu chuẩn của các vật liệu khác nhau so với
xương………………………………………………………………………………………………… 34
Bảng 1.5. Thành phần hợp kim Magie AZ31 ………………………………………… 35
Bảng 1.6. Các tiêu chuẩn về cơ lý của vật liệu kết xương Magie AZ31 ……. 36
Bảng 2.1. Thành phần dịch mô phỏng SBF dựa trên dịch Hanks………………. 42
Bảng 3.1. Lượng Ion Magie2+ giải phóng ra dung dịch trong quá trình
thử nhúng hợp kim Magie AZ31 phủ HA và hợp kim magie AZ31
không phủ HA ………………………………………………………………………………….. 59
Bảng 3.2. Số lượng tế bào tại năm vị trí được chọn trong hình 3.4……………. 62
Bảng 3.3. Nồng độ tế bào thay đổi theo thời gian …………………………………… 62
Bảng 3.4. Nồng độ IL-1β huyết tương trước và sau phẫu thuật ………………… 64
Bảng 3.5. Nồng độ IL-6 huyết hương trước và sau phẫu thuật ở ba nhóm thỏ
được kết xương bằng nẹp vít………………………………………………………………… 64
Bảng 3.6. Nồng độ TNF-α huyết hương trước và sau phẫu thuật………………. 65
Bảng 3.7. Các chỉ số hồng cầu ở 2 nhóm thỏ cấy đĩa vào cơ đùi ………………. 66
Bảng 3.8. Các chỉ số bạch cầu ở 2 nhóm thỏ cấy đĩa vào cơ đùi……………….. 67
Bảng 3.9. Các chỉ số tiểu cầu ở 2 nhóm thỏ cấy đĩa vào cơ đùi ………………… 68
Bảng 3.10. Các chỉ số hồng cầu ở 3 nhóm thỏ cấy vít vào xương đùi ……….. 69
Bảng 3.11. Các chỉ số tiểu cầu ở 3 nhóm thỏ cấy vít vào xương đùi …………. 70
Bảng 3.12. Các chỉ số bạch cầu của 3 nhóm thỏ cấy vít vào xương đùi …….. 71
Bảng 3.13. Các chỉ số hồng cầu ở 3 nhóm thỏ kết xương bằng nẹp vít ……… 73
Bảng 3.15. Các chỉ số bạch cầu của 3 nhóm thỏ kết xương nẹp vít …………… 766
Bảng 3.16. Các chỉ số đánh giá chức năng thận ở 3 nhóm thỏ cấy đĩa vào cơ
đùi ………………………………………………………………………………………………… 77
Bảng 3.17. Các chỉ số đánh giá chức năng gan ở 3 nhóm thỏ cấy đĩa vào cơ
đùi ………………………………………………………………………………………………… 78
Bảng 3.18. Các chỉ số đánh giá chức năng thận ở 3 nhóm thỏ cấy vít vào
xương đùi…………………………………………………………………………………………… 79
Bảng 3.19. Các chỉ số đánh giá chức năng gan ở 3 nhóm thỏ cấy vít vào
xương đùi…………………………………………………………………………………………… 79
Bảng 3.20. Các chỉ số đánh giá chức năng thận ở 3 nhóm thỏ kết xương bằng
nẹp vít……………………………………………………………………………………………….. 80
Bảng 3.21. Các chỉ số đánh giá chức năng gan ở 3 nhóm thỏ kết xương bằng
nẹp vít……………………………………………………………………………………………….. 81
Bảng 3.22. Hình ảnh bóng khí trên phim XQ của 3 nhóm thỏ được cấy đĩa
kim loại vào cơ đùi……………………………………………………………………………… 82
Bảng 3.23. Hình ảnh vật liệu trên phim XQ của 3 nhóm thỏ cấy đĩa kim loại
vào cơ đùi ………………………………………………………………………………………….. 82
Bảng 3.24. Hình ảnh bóng khí trên phim XQ của 3 nhóm thỏ được cấy vít vào
xương đùi…………………………………………………………………………………………… 84
Bảng 3.25. Hình ảnh tiêu hủy vật liệu của 3 nhóm thỏ cấy vít vào xương đùi85
Bảng 3.26. Hình ảnh XQ xương đùi của 3 nhóm thỏ cấy vít vào xương đùi . 86
Bảng 3.27. Hình ảnh bóng khí trên phim XQ của 3 nhóm thỏ được kết xương
nẹp vít xương đùi ……………………………………………………………………………….. 87
Bảng 3.28. Hình ảnh vật liệu trên phim XQ của 3 nhóm thỏ được kết xương
nẹp vít xương đùi ……………………………………………………………………………….. 88
Bảng 3.29. Hình ảnh xương đùi thỏ trên phim XQ của 3 nhóm thỏ kết xương
nẹp vít xương đùi ……………………………………………………………………………….. 89
Bảng 3.30: Kết quả mô bệnh học phần mềm tại vị trí đặt đĩa của thỏ theo các
mốc thời gian……………………………………………………………………………………… 907
Bảng 3.31: Kết quả mô bệnh học xương và phần mềm tại vị trí vít của thỏ
theo các mốc thời gian ………………………………………………………………………… 91
Bảng 3.32: Kết quả mô bệnh học xương và mô cơ vân tại vị trí nẹp vít của thỏ
theo các mốc thời gian ………………………………………………………………………… 92
Bảng 3.33: Kết quả mô bệnh học mô não và mô gan tại của thỏ sử dụng nẹp
vít sau 6 tháng ……………………………………………………………………………………. 938
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Hình ảnh gãy của vật liệu kết xương bên trong trước khi ……………. 5
liền xương……………………………………………………………………………………………. 5
Hình 1.2. Bộ phận khớp làm từ hợp kim CoCrMo ……………………………………. 8
Hình 1.3. Hình ảnh gãy chuôi trong thay khớp háng…………………………………. 9
ở bệnh nhân …………………………………………………………………………………………. 9
Hình 1.4. Liên kết sinh học, các sợi collagen chèn vào lớp bề mặt của mô cấy
hydroxyapatite sau khi cấy 3 tháng, được mô tả bằng các mũi tên [27]……… 10
Hình 1.5. Một số phương tiện kết xương từ Magie và hợp kim Magie[49],
[50] 15
Hình 1.6. Quá trình phân chia nhân tế bào……………………………………………… 18
Hình 2.1. Mô hình thử nhúng trong dung dịch Hank……………………………….. 40
Hình 2.2. Năm vị trí được chọn để khảo sát mật độ tế bào còn sống sau thí
nghiệm nuôi cấy. ………………………………………………………………………………… 43
Hình 2.3. Hình ảnh thiết kế vít và sản phẩm…………………………………………… 45
Hình 2.4. Hình ảnh thiết kế nẹp vít và sản phẩm…………………………………….. 46
Hình 2.6. Hình ảnh nhóm đang cấy mẫu đĩa vào đùi thỏ………………………….. 48
Hình 2.7. Tiến hành đặt vít lên xương đùi thỏ………………………………………… 51
Hình 2.8. Ảnh nẹp và vít AZ 31 phủ và không phủ HA, titan…………………… 53
Hình 2.9. Tiến hành đặt nẹp vít lên xương đùi thỏ ………………………………….. 54
Hình 3.1. Bề mặt của các mẫu sau 14 ngày thử nhúng…………………………….. 60
Hình 3.2. Năm vị trí được chọn để khảo sát mật độ tế bào còn sống sau thí
nghiệm nuôi cấy( gồm 4 vị trí ở rìa đĩa và 1 vị trí ở trung tâm) ………………… 61
Hình 3.3. Ảnh hiển vi quang học của mẫu không phủ (a và c) và mẫu phủ HA
(b và d) sau 24 giờ nuôi cấy tế bào trong môi trường giả định MEM- …….. 61
Hình 3.4. Ảnh hiển vi quang học của năm điểm được chọn trên bề mặt mẫu
vật Magie AZ 31 phủ HAp sau thí nghiệm nuôi cấy tế bào 24 giờ ……………. 62
Hình 3.5. Hình ảnh biểu thị số lượng tế bào trên bề mặt của mẫu Magie AZ319
không phủ sau 24 giờ ngâm …………………………………………………………………. 63
Hình 4.1. Hình ảnh tế bào bám dính trên bề mặt đĩa MagieAZ31 phủ HA…. 98
Hình 4.2. Hình ảnh XQ cấy đĩa vào cơ đùi thỏ sau 1 tháng và sau 6 tháng . 107
Hình 4.3. Ảnh mô bệnh học nhóm cấy đia kim loại vào cơ đùi thỏ ………… 108
Hình 4.4. Ảnh chụp XQ nhóm cấy vít vào xương đùi thỏ sau 6 tháng……… 111
Hình 4.5. Hình ảnh mô bệnh học nhóm cấy vít magie AZ31 không phủ HA,
nhóm cấy vít Magie AZ31 phủ HA và nhóm cấy vít titan ở tháng thứ 6…. 112
Hình 4.6. Hai nhóm được đặt nẹp hợp kim và hợp kim Magie AZ31 không
tráng phủ Ca-P( a-c) AZ31 phủ Ca–P(d-f) khi cắt thành xương tạo 1 đường
hầm114
Hình 4.7. Mô hình nghiên cứu của Govindaraj Perumal và cộng sự [128].. 115
Hình 4.8. Hình ảnh tấm magieAZ31 phủ F2 trong nghiên cứu của Weilin Yu
[129] ………………………………………………………………………………………………. 116
Hình 4.9. Hình XQ thỏ nẹp vít vào xương đùi thỏ 6 tháng …………………….. 117
Hình 4.10. Hình ảnh mô bệnh học nhóm nẹp vít Magie AZ31 không phủ HA,
nhóm magie AZ31 phủ HA và nhóm Titan ở tháng thứ 6……………………… 12