Nghiên cứu mới cho thấy cấy ghép y tế bằng titan có hiệu quả cao

Quy trình in 3D titan

So với quy trình truyền thống, ưu điểm của công nghệ in 3D trong sản xuất các hình cấy ghép phẫu thuật cá nhân hóa chủ yếu được phản ánh ở: Đặc tính tạo hình tự do của in 3D có thể tùy chỉnh nhanh chóng và chính xác mô cấy ghép bên trong, có thể khắc phục hình dạng mô cấy ghép phổ thông truyền thống không tương thích với cơ thể con người và các tính chất cơ học của nó không đạt tiêu chuẩn; Trong quá trình sản xuất các cấu trúc phức tạp và các sản phẩm khó gia công, các cấu trúc vi mô được cá nhân hóa, đặc biệt là các cấu trúc xốp, không chỉ có thể đáp ứng các tính chất vật lý và hóa học cụ thể mà còn tăng cường khả năng tương thích sinh học.

Chuỗi ưu điểm này có thể khắc phục hiệu quả các vấn đề thường gặp về che chắn ứng suất và hoạt tính sinh học thấp của vật liệu cấy ghép. Hiện nay, hợp kim titan in 3D được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất là công nghệ SLM và công nghệ EBM.

Nung chảy bằng laser chọn lọc (SLM) sử dụng laser làm nguồn nhiệt để chiếu xạ chọn lọc các vật liệu bột đã được đặt sẵn, giúp tạo hình nóng chảy nhanh chóng. Nguyên lý hoạt động chính là trong môi trường bảo vệ khí trơ, thiết bị và thiết bịChiềuKiểm soát chùm tia laser theo đường quét điền đầy được tạo ra bởi chế độ thiết kế hệ thống để lựa chọn và làm tan chảy từng lớp bột.

Sau đó, nền tảng được di chuyển xuống, bột được rải lại và Thiêu kết Quá trình này được lặp lại cho đến khi hình dạng hoàn chỉnh được hình thành. Lớp bảo vệ khí trơ ngăn kim loại phản ứng với các loại khí khác ở nhiệt độ cao. Công nghệ SLM có phạm vi vật liệu tạo hình rất rộng, tiết kiệm vật liệu và có thể tái chế, không cần thiết kế và chuẩn bị hệ thống hỗ trợ phức tạp, hàng loạt ưu điểm này khiến công nghệ SLM ngày càng được sử dụng rộng rãi.

Tuy nhiên, SLM cũng có một số nhược điểm: do công suất laser và góc lệch của điện kế quét bị hạn chế, nên phạm vi kích thước của các chi tiết được chế tạo bằng SLM sẽ bị hạn chế; Laser công suất cao và thiết bị quang học chất lượng cao có chi phí sản xuất đắt đỏ, làm tăng gánh nặng kinh tế ở một mức độ nào đó. Do sử dụng vật liệu bột trong công nghệ SLM, chất lượng bề mặt của các chi tiết đúc có thể gặp vấn đề, đòi hỏi phải xử lý sản phẩm lần thứ hai để sử dụng cho các công đoạn tiếp theo; Các khuyết tật hình cầu và cong vênh cũng có thể xảy ra trong quá trình gia công, đòi hỏi một bước tiếp theo để tối ưu hóa nghiêm ngặt quy trình gia công. Nung chảy bằng chùm tia điện tử, EBM là một quy trình sử dụng chùm tia điện tử làm nguồn nhiệt để nung chảy từng lớp bột kim loại trong môi trường chân không để sản xuất bồi đắp.

Nguyên lý hoạt động của nó là: bột phủ trước, chùm tia điện tử năng lượng cao sau khi hội tụ sẽ tạo ra năng lượng cao tại một khu vực nhỏ cục bộ để quét lớp bột tạo ra nhiệt độ cao và nóng chảy đều, thông qua quá trình quét liên tục của chùm tia điện tử để tạo ra năng lượng giữa quá trình nóng chảy và đông đặc của vũng nóng chảy, kết nối thành một lớp kim loại tuyến tính và phẳng.

Sau khi hoàn thiện lớp hiện tại, lặp lại thao tác phủ bột để tạo hình. Trong quá trình sản xuất, EBM áp dụng môi trường nóng chảy không khí thực sự để đảm bảo độ bền cao của vật liệu và tránh quá trình oxy hóa hợp kim. So với SLM, những ưu điểm chính của EBM là: tạo ra công suất chùm tia điện tử hiệu quả, tiêu thụ ít điện năng hơn, tốc độ sản xuất cao, do đó tổng công suất thực tế của toàn bộ máy cao; Độ lệch của chùm tia điện tử không cần phải di chuyển các bộ phận thiết bị, giúp cải thiện hơn nữa tốc độ quét. Môi trường nhiệt tốt đảm bảo độ ổn định hình dạng của các chi tiết in 3D, đảm bảo các tính chất cơ học tĩnh của nó, đáp ứng các yêu cầu sinh học và bột kim loại cũng có thể được tái chế.

Tình trạng và tiến độ của cấy ghép phẫu thuật in 3D

Cấy ghép phẫu thuật và chỉnh hình bằng công nghệ in 3D có triển vọng ứng dụng đầy hứa hẹn trong lĩnh vực xương học. Hiện nay, ngày càng có nhiều Vật liệu cấy ghép in 3D chẳng hạn như máy trợ thính, chân tay giả, hướng dẫn phẫu thuật chỉnh hình cá nhân hóa, khớp nhân tạo, tai ngoài nhân tạo, cấy ghép răng cá nhân hóa và các ứng dụng khác trong điều trị cá nhân hóa lâm sàng. Theo báo cáo, vào năm 2014, các nhà nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh đã cấy ghép thành công một cột sống nhân tạo in 3D cá nhân hóa với các lỗ siêu nhỏ cho một bé trai 12 tuổi, đây là trường hợp đầu tiên trên thế giới. Cùng năm đó, các bác sĩ và nhà khoa học đã lắp đặt một bàn tay giả in 3D cho một bé gái 5 tuổi ở Scotland.

Trung tâm Chuyên khoa Răng hàm mặt thuộc Bệnh viện 411, Quân đội Giải phóng Nhân dân đã ứng dụng thành công công nghệ EBM để tùy chỉnh và cấy ghép implant hợp kim titan hàm dưới với mô phỏng giải phẫu được cá nhân hóa cao cho bệnh nhân cắt bỏ xương hàm dưới. Trong quá trình phẫu thuật, việc cắt bỏ xương hàm bị bệnh và phục hồi chức năng cá nhân hóa đã được hoàn thành cùng một lúc, và xương hàm bị khiếm khuyết đã được sửa chữa và tái tạo riêng biệt. Hiệu quả sau phẫu thuật rất khả quan. Lethaus B và các nhà nghiên cứu khác đã sử dụng công nghệ in 3D để tái tạo xương và vạt mạch máu nhỏ cho 20 bệnh nhân cắt bỏ xương hàm dưới, giúp rút ngắn thời gian phẫu thuật và cải thiện chất lượng phẫu thuật, đồng thời hiệu quả sau phẫu thuật rất tốt. Trong những năm gần đây, những tin tức và nghiên cứu tương tự đã xuất hiện liên tục, phản ánh đầy đủ triển vọng ứng dụng tốt của công nghệ in 3D trong lĩnh vực y tế.

Về mặt sản phẩm chỉnh hình, vật liệu cấy ghép phẫu thuật in 3D cũng đang dần hướng tới thương mại hóa và thị trường hóa. Năm 2007, các ổ cối in 3D sinh học với khung đỡ mô cứng do công ty Adler Ortho và LIma-LTO của Ý phát triển đã đạt chứng nhận CE. Sản phẩm của Exactech đã được FDA chấp thuận vào năm 2010. Năm 2009, thiết bị hợp nhất cơ thể hoàn toàn bằng titan do công ty AMT của Mỹ sản xuất bằng công nghệ in 3D cũng đã đạt chứng nhận CE của EU. Năm 2013, sản phẩm cấy ghép sọ in sinh học đầu tiên tại Hoa Kỳ đã được FDA chấp thuận, đây cũng là mô hình cấy ghép sọ PEEK in 3D cá nhân hóa đầu tiên trên thế giới.

Trên cơ sở này, năm 2014, Công ty Oxford Hoa Kỳ đã được FDA chấp thuận sản xuất sản phẩm xương hàm mặt in 3D (chế độ 5IOK). Ngoài ra, có thông tin cho biết vào tháng 9 năm 2015, khớp háng nhân tạo in 3D do Bệnh viện Y khoa Bắc Kinh số 3 và Công ty TNHH Thiết bị Y tế Ái Khang Bắc Kinh phát triển đã được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Nhà nước đăng ký. Khớp háng in 3D đã bước vào "giai đoạn sản xuất hàng loạt", đồng nghĩa với việc các sản phẩm cấy ghép in 3D của Trung Quốc cũng đã bước vào giai đoạn sản xuất.

Công nghệ in 3D đã cho thấy vai trò ngày càng quan trọng trong đổi mới khoa học và công nghệ y tế, và việc nghiên cứu và ứng dụng các loại chân tay giả, chi giả, cấy ghép nha khoa và các lĩnh vực khác cũng ngày càng mở rộng. Vì vậy, việc đánh giá an toàn sinh học của các loại cấy ghép được chế tạo bằng quy trình mới này cần được quan tâm nhiều hơn nữa.

Nghiên cứu về an toàn sinh học của in 3D titan

Tính an toàn của vật liệu y sinh chủ yếu được thể hiện ở sự tương tác giữa mô và vật liệu. Để vật liệu kim loại y sinh đáp ứng được tiêu chuẩn của thiết bị cấy ghép, phản ứng do cấy ghép trong cơ thể người phải đạt mức chấp nhận được, đồng thời không gây ra những thay đổi về chất lượng trong cấu trúc và tính chất của vật liệu. Sự tương tác giữa cơ thể người với cơ thể người chủ yếu được thể hiện ở tính tương thích sinh học và chức năng sinh học của chúng.

Do đó, sau khi cấy ghép vào cơ thể người, vật liệu cấy ghép không được gây ra các phản ứng bất lợi như dị ứng, viêm nhiễm, phản ứng hóa học trong tế bào, máu và các cơ quan của người, hoặc đào thải dị vật. Đồng thời, vật liệu cấy ghép cần được cấy ghép trong thời gian dài cũng phải có các đặc tính cơ học tĩnh tốt, tức là đủ bền, mô đun đàn hồi phù hợp, độ ổn định cao, khả năng chống ăn mòn tốt và độ bền lâu dài. Hiện nay, việc cấy ghép phẫu thuật bằng hợp kim titan đã được ứng dụng rộng rãi trong thực hành lâm sàng, và nghiên cứu về tính tương thích sinh học cũng đã được hoàn thiện. Do đó, tính an toàn của các bộ phận hợp kim titan liên quan đến in 3D chủ yếu tập trung vào tính an toàn của chức năng cơ sinh học của nó.

Nghiên cứu về khả năng tương thích sinh học, khả năng chống ăn mòn và tính tương thích sinh học của vật liệu cấy ghép kim loại in 3D so với các sản phẩm cấy ghép thông thường theo quy trình truyền thống, và liệu một số tính chất cơ học tĩnh của vật liệu cấy ghép hợp kim có đáp ứng được các tiêu chuẩn quốc gia và ứng dụng lâm sàng hay không vẫn đang được tiến hành. Kết quả cho thấy các tính chất cơ học tĩnh một phần của vật liệu cấy ghép titan in 3D có thể đáp ứng nhu cầu lâm sàng. Các mẫu Ti6A14V được chế tạo bằng kỹ thuật EBM đã được kiểm tra bằng thử nghiệm kéo trực tiếp và thử nghiệm nén đẳng tĩnh nóng. Kết quả cho thấy độ bền của các mẫu TI6A14V vượt quá tiêu chuẩn rèn.

Khả năng chống ăn mòn của hợp kim Co-Cr-Mo được chế tạo bằng công nghệ SLM tương tự như hợp kim được chế tạo bằng quy trình truyền thống, và lượng ion hòa tan trong môi trường nước bọt mô phỏng ít hơn khi in 3D so với hợp kim quy trình truyền thống. Sản phẩm Ti6A14V được chế tạo bằng công nghệ DMLS được công ty EOS phát hiện có cùng tính chất cơ học tĩnh và khả năng chống mỏi như rèn truyền thống thông qua quá trình hậu xử lý hợp lý. Thiết bị hợp nhất đốt sống bằng hợp kim titan xốp được chế tạo bằng EBM đã được cấy ghép vào cơ thể dê và đạt được kết quả tốt trong mô hình hợp nhất cổ cừu. Giao diện xương-vật liệu tốt hơn thiết bị hợp nhất PEEK.

Về mặt lâm sàng, mô đun đàn hồi và các đặc tính cơ học khác của hợp kim titan không phù hợp với đặc tính của xương người, dẫn đến hiện tượng "che chắn ứng suất" trong mô xương ngoại vi của implant, gây loãng xương, dẫn đến tiêu xương, lỏng lẻo, mất implant và hỏng. Để giảm thiểu vấn đề này với implant titan, implant cấu trúc xốp đã được các nhà nghiên cứu quan tâm. Hiện nay, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng in 3D có thể điều chỉnh cấu trúc vi mô của implant với độ chính xác cao, thay đổi mô đun đàn hồi và các đặc tính cơ học của chúng, để phù hợp với mô xương người và cải thiện hơn nữa các chức năng cơ sinh học trên cơ sở đảm bảo tải trọng sinh lý phù hợp.

Cấu trúc được kiểm soát của thân Ti6AI4V được chế tạo bằng công nghệ tạo hình EBM, và cấu trúc lỗ rỗng bên trong được phát hiện phù hợp với thiết kế lý thuyết dưới kính hiển vi điện tử quét, giúp kiểm soát chính xác EBM trên cấu trúc của sản phẩm in 3D. Thông qua thử nghiệm hiệu suất cơ học, cường độ nén tương ứng là 163MPa và mô đun đàn hồi là 14MPa ở độ xốp 60,1%, gần với xương người. Nuôi cấy tế bào in vitro cũng cho thấy khả năng tương thích tế bào tốt.

Giàn giáo xốp được chế tạo bằng công nghệ EBM thông qua việc tối ưu hóa các thông số thiết kế và đánh giá các tính chất cơ học của chúng. Kết quả cho thấy cơ sinh học của vật liệu xốp được thiết kế có độ vượt trội cao trong việc mô phỏng tính tương hợp pha và sự phù hợp cấy ghép. Ba loại titan xốp với khối lượng 300g, 600g và 900~tm được chế tạo bằng SLM đã được cấy ghép vào xương chày thỏ để nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ lỗ xốp lên sự phát triển của xương. Kết quả cho thấy mô xương có cấu trúc lỗ xốp 600~m có chiều dài và tính tương hợp sinh học tốt hơn.

Xét về sự phát triển của xương, một khung xương có độ xốp và khe hở điều chỉnh được sẽ thuận lợi hơn cho việc dẫn truyền và vận chuyển chất dinh dưỡng trong cơ thể con người, đồng thời có thể thúc đẩy khả năng phát triển xương, tăng cường sự kết hợp giữa implant và nền xương, kéo dài tuổi thọ của chân giả, từ đó đạt được hiệu quả y tế tốt hơn so với hợp kim titan cấu trúc rắn. Trong những năm gần đây, hợp kim titan đa lỗ từng bước được coi là vật liệu sửa chữa và thay thế mô cứng mới lý tưởng nhất trong lâm sàng, và việc ứng dụng implant hợp kim titan in 3D với các cấu trúc vi mô khác nhau hoặc xuyên qua cấu trúc cũng đã mở ra một lĩnh vực mới.