Vật liệu sinh học (biomaterial) là vật liệu được thiết kế để tiếp xúc với mô sống, máu hay dịch cơ thể nhằm thay thế, nâng đỡ, chữa lành hoặc chẩn đoán một chức năng sinh học. Chúng có thể là kim loại (titan trong khớp háng), gốm (sứ nha khoa, hydroxyapatite), polymer (chỉ khâu tự tiêu, thấu kính nội nhãn) hay vật liệu có nguồn gốc tự nhiên (collagen, chitosan). Cần phân biệt với "vật liệu sinh học" theo nghĩa vật liệu gốc sinh khối như nhựa sinh học, là chủ đề khác.
Tiêu chí trung tâm là tương thích sinh học, nhưng định nghĩa hiện đại không coi đó là "trơ, không phản ứng gì". Theo cách phát biểu được dùng rộng rãi của David Williams, tương thích sinh học là khả năng vật liệu tạo ra đáp ứng phù hợp của vật chủ trong một ứng dụng cụ thể. Cùng một vật liệu có thể tương thích ở khớp háng nhưng không ở mạch máu.
Bài này giải thích cơ thể phản ứng với vật lạ ra sao, ba thế hệ vật liệu sinh học, các họ vật liệu chính với ưu nhược điểm, và quy trình đánh giá trước khi một vật liệu được dùng trên người. Bài mang tính kiến thức vật liệu, không phải tư vấn y khoa.
Cơ thể phản ứng với vật lạ như thế nào
Chỉ vài giây sau khi cấy, bề mặt vật liệu đã bị phủ một lớp protein hấp phụ từ máu và dịch mô: albumin, fibrinogen, fibronectin. Tế bào không bao giờ "nhìn thấy" bề mặt titan hay polymer trần; chúng chỉ thấy lớp protein này, với cấu hình có thể bị biến tính tuỳ theo độ nhám, năng lượng bề mặt và điện tích của vật liệu. Vì vậy hoá học bề mặt và hình thái nano quan trọng ngang với thành phần khối.
Tiếp theo là phản ứng viêm cấp, rồi đại thực bào bám lên bề mặt. Nếu vật liệu quá lớn để thực bào, nhiều đại thực bào có thể hợp nhất thành tế bào khổng lồ, và nguyên bào sợi tạo một bao xơ cô lập vật lạ. Với máy tạo nhịp tim, bao xơ mỏng là chấp nhận được. Với cảm biến đường huyết cấy dưới da, bao xơ chặn khuếch tán glucose và làm tín hiệu trôi dần, một trong các lý do cảm biến cấy dài hạn khó làm.
Ở mạch máu, mối lo chính là đông máu: protein hấp phụ kích hoạt tiểu cầu và dòng thác đông máu. Ở xương, mục tiêu ngược lại là muốn tế bào tạo xương bám chặt và mọc vào bề mặt. Mỗi vị trí trong cơ thể đặt ra một đề bài vật liệu khác nhau, đó là lý do không có vật liệu sinh học "tốt nhất" nói chung.
Ba thế hệ vật liệu sinh học
Larry Hench, người phát minh thuỷ tinh hoạt tính sinh học Bioglass 45S5 cuối thập niên 1960, đã phân loại sự phát triển của lĩnh vực thành ba thế hệ, cách chia vẫn được dùng trong giáo trình:
- Thế hệ thứ nhất — trơ sinh học (khoảng 1960–1980): mục tiêu là gây phản ứng ít nhất. Thép không gỉ 316L, hợp kim cobalt–chrome, titan, alumina, polyethylene trọng lượng phân tử siêu cao (UHMWPE), silicone. Nhiều vật liệu ban đầu được mượn từ công nghiệp, chọn theo kinh nghiệm.
- Thế hệ thứ hai — hoạt tính sinh học hoặc tự tiêu (khoảng 1980–2000): vật liệu tương tác có kiểm soát với mô. Bioglass và hydroxyapatite tạo lớp khoáng liên kết hoá học với xương; polymer tự tiêu như PGA, PLA, PLGA phân huỷ dần trong cơ thể, thay cho việc phải mổ lấy dụng cụ ra.
- Thế hệ thứ ba — tái tạo (từ khoảng 2000): vật liệu kích thích tế bào tự tái tạo mô ở cấp gen và tín hiệu. Giàn giáo xốp mang yếu tố tăng trưởng, hydrogel điều khiển biệt hoá tế bào gốc, bề mặt gắn chuỗi peptide nhận diện tế bào như RGD.
Thế hệ sau không thay thế hoàn toàn thế hệ trước. Phần lớn khớp nhân tạo thay hôm nay vẫn là vật liệu thế hệ một được cải tiến, vì độ tin cậy dài hạn đã được chứng minh qua hàng triệu ca và hàng chục năm theo dõi.
Titan và tích hợp xương: câu chuyện của Brånemark
Đầu thập niên 1950, bác sĩ người Thuỵ Điển Per-Ingvar Brånemark đặt buồng quan sát bằng titan vào xương thỏ để nghiên cứu vi tuần hoàn. Khi muốn lấy ra, ông thấy titan đã dính chặt vào xương. Ông gọi hiện tượng này là tích hợp xương (osseointegration): xương sống tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cấy ghép dưới kính hiển vi quang học, không có lớp mô xơ xen giữa. Năm 1965 ông đặt trụ cấy ghép nha khoa titan đầu tiên cho một bệnh nhân.
Lý do titan làm được điều này nằm ở lớp oxide TiO2 tự hình thành, dày vài nanomet, rất bền về hoá học, có hằng số điện môi phù hợp để hấp phụ protein mà không biến tính quá mạnh. Bề mặt trụ nha khoa ngày nay được làm nhám bằng phun hạt và khắc axit, vì độ nhám cấp micromet giúp tế bào tạo xương bám tốt hơn so với bề mặt bóng.
Hợp kim phổ biến nhất là Ti-6Al-4V, bền hơn titan nguyên chất. Lo ngại về ion vanadium và nhôm giải phóng lâu dài đã thúc đẩy các hợp kim thay thế như Ti-6Al-7Nb và hợp kim beta chứa niobium, zirconium, tantalum. Bằng chứng về tác hại lâm sàng của lượng ion rất nhỏ từ Ti-6Al-4V còn chưa rõ ràng; đây là ví dụ cho việc thận trọng phòng ngừa định hướng thiết kế vật liệu.
Che chắn ứng suất: khi vật liệu quá cứng lại có hại
Xương là mô sống tự tái cấu trúc theo tải (định luật Wolff): vùng chịu tải được củng cố, vùng không chịu tải bị tiêu đi. Nếu cấy một chi tiết cứng hơn xương nhiều lần, chi tiết gánh hết tải, xương xung quanh bị "che chắn" và tiêu dần, có thể làm lỏng khớp sau nhiều năm. So sánh mô đun đàn hồi xấp xỉ:
| Vật liệu | Mô đun đàn hồi (GPa, xấp xỉ) | Ghi chú |
|---|---|---|
| Xương vỏ (xương đặc) | 10–30 | thay đổi theo tuổi, vị trí, hướng |
| Xương xốp | 0,1–2 | rất phụ thuộc mật độ |
| Thép không gỉ 316L | khoảng 190–200 | rẻ, dùng cho nẹp vít tạm thời |
| Hợp kim cobalt–chrome | khoảng 210–240 | chống mài mòn tốt, dùng cho mặt khớp |
| Ti-6Al-4V | khoảng 110 | tốt hơn nhưng vẫn cao gấp vài lần xương |
| Hợp kim titan beta | khoảng 55–85 | giảm che chắn ứng suất |
| PEEK | khoảng 3–4 | thấu xạ, dùng cho lồng ghép cột sống |
Giải pháp hiện nay đi theo hai hướng: hợp kim mô đun thấp hơn, và cấu trúc xốp được in 3D bằng kim loại với kích thước lỗ vài trăm micromet. Độ xốp vừa làm giảm độ cứng hiệu dụng, vừa cho xương mọc vào trong lỗ để neo chặt cơ học. Cái khó là xốp quá thì giảm độ bền mỏi, một yêu cầu sống còn với khớp phải chịu hàng triệu chu kỳ bước đi mỗi năm.
Gốm và polymer: vật liệu của các vai trò khác nhau
Hydroxyapatite có công thức Ca10(PO4)6(OH)2, gần với pha khoáng của xương và răng. Dùng làm lớp phủ phun plasma lên chuôi khớp titan, hoặc hạt xốp ghép bù khuyết xương. Bản chất giòn nên không tự gánh được tải lớn.
Alumina và zirconia là gốm cứng, chống mài mòn rất tốt, dùng làm chỏm khớp háng và sứ nha khoa. Điểm yếu lịch sử là vỡ đột ngột; các thế hệ gốm composite alumina–zirconia hiện nay giảm mạnh nguy cơ này.
UHMWPE là mặt đệm khớp háng, khớp gối chuẩn mực trong nhiều thập kỷ. Hạt mài mòn cỡ micromet từ polyethylene từng là nguyên nhân chính gây tiêu xương quanh khớp và lỏng khớp. Bước cải tiến quan trọng là chiếu xạ tạo liên kết ngang rồi ủ nhiệt, thêm vitamin E chống oxy hoá, giảm mài mòn rõ rệt.
Polymer tự tiêu PGA, PLA, PLGA phân huỷ bằng thuỷ phân liên kết ester thành axit glycolic và axit lactic, cơ thể chuyển hoá được. Chỉ khâu tự tiêu đã dùng từ thập niên 1970. Tốc độ tiêu chỉnh bằng tỷ lệ lactic/glycolic và độ kết tinh. Bài học từ stent mạch vành tự tiêu là thận trọng: một sản phẩm thương mại đã bị nhà sản xuất ngừng bán năm 2017 sau khi dữ liệu theo dõi cho thấy tỷ lệ huyết khối cao hơn stent kim loại phủ thuốc, phần vì thanh polymer phải dày hơn để đủ bền.
Từ phòng thí nghiệm đến bệnh nhân: các lớp đánh giá
Một vật liệu mới, dù hấp dẫn đến đâu, phải đi qua nhiều lớp kiểm tra. Khung chung theo bộ tiêu chuẩn ISO 10993 về đánh giá sinh học của thiết bị y tế, kết hợp quản lý rủi ro:
- Đặc trưng vật liệu: thành phần, tạp chất, chất có thể chiết xuất và rỉ ra trong điều kiện mô phỏng cơ thể.
- Thử nghiệm in vitro: độc tính tế bào, độc tính gen, tương thích máu với vật liệu tiếp xúc máu.
- Thử nghiệm trên động vật khi cần: kích ứng, mẫn cảm, phản ứng tại chỗ cấy, độc tính toàn thân, với thời gian phù hợp thời gian tiếp xúc dự kiến trên người.
- Thử nghiệm cơ học và độ bền theo tiêu chuẩn riêng cho từng loại thiết bị: mỏi, mài mòn, ăn mòn trong dung dịch sinh lý.
- Thử nghiệm lâm sàng có kiểm soát, rồi theo dõi sau khi đưa ra thị trường qua sổ đăng ký thiết bị cấy ghép.
Thời gian từ ý tưởng đến sản phẩm thường tính bằng thập kỷ, và phần lớn chi phí nằm ở khâu chứng minh an toàn chứ không phải ở chế tạo vật liệu. Quy định cụ thể về thiết bị y tế mỗi nước một khác; người làm sản phẩm tại Việt Nam cần đối chiếu văn bản hiện hành của cơ quan quản lý y tế.
Hiểu lầm phổ biến và thực tế
Vật liệu sinh học là lĩnh vực hay bị hiểu đơn giản hoá, cả trong quảng cáo lẫn báo chí. Một số hiểu lầm thường gặp:
| Hiểu lầm | Thực tế |
|---|---|
| Vật liệu tương thích sinh học là vật liệu hoàn toàn trơ, cơ thể không phản ứng. | Mọi vật liệu đều gây phản ứng. Tương thích nghĩa là phản ứng phù hợp với mục đích, có khi là mong muốn mô bám chặt, có khi là mong muốn không có gì bám vào. |
| Vật liệu tự nhiên như collagen, tơ tằm luôn an toàn hơn vật liệu tổng hợp. | Vật liệu nguồn gốc động vật có nguy cơ gây miễn dịch, lây nhiễm và chất lượng thay đổi theo lô. Vật liệu tổng hợp kiểm soát thành phần tốt hơn. Mỗi bên có điểm mạnh riêng. |
| Titan cấy ghép tồn tại vĩnh viễn không đổi. | Lớp oxide bền nhưng vẫn có giải phóng ion và hạt rất nhỏ theo thời gian, nhất là ở chỗ ghép nối chịu cọ xát nhỏ (fretting). Tuổi thọ khớp háng được đo bằng tỷ lệ phải mổ lại sau 10, 15, 20 năm. |
| Tự tiêu nghĩa là biến mất không để lại gì. | Polymer tự tiêu sinh ra sản phẩm axit khi phân huỷ; nếu tiêu quá nhanh ở vùng ít tuần hoàn, axit tích tụ có thể gây viêm tại chỗ. Thiết kế phải cân bằng tốc độ tiêu với tốc độ lành mô. |
| Bề mặt càng bóng càng tốt cho cấy ghép xương. | Với cấy ghép xương thì ngược lại: độ nhám cấp micromet và nano giúp tích hợp xương. Bề mặt bóng phù hợp cho mặt trượt của khớp, nơi cần giảm ma sát và mài mòn. |
Điểm chung của các hiểu lầm này là coi một tính chất vật liệu như giá trị tuyệt đối, trong khi trong y sinh, tính chất chỉ có nghĩa khi gắn với vị trí cấy, thời gian tiếp xúc và chức năng cần đạt. Khi đọc tài liệu quảng bá một vật liệu cấy ghép mới, câu hỏi đáng đặt ra là: đã có dữ liệu theo dõi bao nhiêu năm, trên bao nhiêu bệnh nhân, so với vật liệu chuẩn nào.
Câu hỏi thường gặp
Vật liệu sinh học khác vật liệu có nguồn gốc sinh học thế nào?
Vật liệu sinh học được định nghĩa theo chức năng: tiếp xúc với mô sống để phục vụ mục đích y sinh, bất kể nguồn gốc, nên titan cũng là vật liệu sinh học. Vật liệu có nguồn gốc sinh học được định nghĩa theo xuất xứ: làm từ sinh khối như tinh bột, cellulose, có thể không bao giờ vào cơ thể người.
Vì sao người có khớp titan vẫn chụp MRI được?
Titan và hợp kim titan không sắt từ nên không bị nam châm hút mạnh. Tuy vậy chúng vẫn gây nhiễu ảnh quanh vùng cấy và có thể nóng lên nhẹ do dòng cảm ứng. Mỗi thiết bị có hướng dẫn tương thích MRI riêng do nhà sản xuất công bố, bác sĩ chỉ định chụp sẽ kiểm tra thông tin này.
In 3D có thay đổi ngành vật liệu cấy ghép không?
Đã thay đổi ở hai điểm: chế tạo cấu trúc xốp kim loại mà gia công truyền thống không làm được, và làm chi tiết theo giải phẫu từng bệnh nhân dựa trên ảnh chụp cắt lớp. Thách thức là kiểm soát khuyết tật bên trong chi tiết in, độ nhám bề mặt và chứng minh độ bền mỏi lặp lại được giữa các lô.
Dị ứng với kim loại cấy ghép có phổ biến không?
Dị ứng nickel qua da khá phổ biến trong dân số, nhưng mối liên hệ giữa dị ứng da và biến chứng của dụng cụ cấy ghép chứa nickel hay cobalt vẫn đang được tranh luận. Một số trường hợp đau, tràn dịch khó giải thích được nghi do phản ứng quá mẫn. Việc đánh giá thuộc về bác sĩ chuyên khoa.
Hydrogel được dùng trong y sinh như thế nào?
Hydrogel là mạng polymer ngậm rất nhiều nước, mềm giống mô. Ứng dụng đã có gồm kính áp tròng mềm, băng vết thương giữ ẩm, chất độn mô. Trong nghiên cứu, hydrogel được dùng làm môi trường nuôi tế bào ba chiều, mang thuốc giải phóng chậm và làm mực in sinh học. Điểm yếu thường là độ bền cơ học thấp.
Magnesium tự tiêu có thể thay nẹp vít titan không?
Hợp kim magnesium phân huỷ trong cơ thể và có mô đun gần xương, nên được nghiên cứu cho vít, nẹp tự tiêu và đã có sản phẩm được phép dùng ở một số thị trường. Khó khăn là tốc độ ăn mòn thường nhanh hơn tốc độ lành xương và sinh khí hydro, nên phải kiểm soát bằng hợp kim hoá và lớp phủ.