Vật liệu khó chế tạo, nhu cầu lớn
Nhu cầu sử dụng vật liệu hợp kim titan y sinh ở nước ta ngày một lớn. Hàng năm, cả nước có tới hàng chục nghìn trường hợp cần nẹp xương, làm hàm, trồng răng, làm van tim, đặt sten thông mạch máu…Tuy nhiên tất cả các loại vật liệu hợp kim titan dùng trong y sinh đều phải nhập ngoại với giá thành cao, chủ yếu do không có thiết bị và công nghệ chế tạo.
Titan và hợp kim của nó là một trong những nhóm hợp kim khó nóng chảy và là nguyên tố có hoạt tính khá mạnh khi ở trạng thái lỏng. Ở nhiệt độ cao, titan hòa tan hầu hết các chất khí trong đó có oxy, nitơ và hydro, titan cũng tác dụng với hầu như tất cả các loại oxit, trừ oxit thori (ThO2), oxit ytri (Y2O3), oxit zircon (ZrO2). Bởi vậy, titan cần phải nấu luyện trong trong lò chân không, vật liệu làm nồi lò phải chịu được nhiệt độ cao và không tác dụng với titan. Vật liệu làm khuôn cũng cần phải có đặc tính tương tự như vật liệu nồi lò hoặc với trường hợp khuôn kim loại thì cần được xử lý tốt.
Là đơn vị có nhiều kinh nghiệm trong ngành đúc - luyện kim của Việt Nam, đồng thời là đơn vị sở hữu lò nấut luyện chân không để nấu luyện Titan, Viện Công nghệ - Tổng Công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam – CTCP đã được Bộ Khoa học và Công nghệ cho phép thực hiện đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu chế tạo hợp kim titan y sinh cấy ghép trong cơ thể người”.
Từ nhu cầu lớn về vật liệu titan trong lĩnh vực y tế, Tiến sĩ Nguyễn Tiến Tài chủ nhiệm đề tài và các cộng sự đã nghiên cứu, xây dựng và hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo hợp kim titan y sinh, chế tạo mẫu thử nghiệm hợp kim titan y sinh. Kiểm tra cơ lý tính của sản phẩm trước và sau khi nhiệt luyện chân không. Đồng thời kiểm tra tổ chức kim tương hợp kim titan mẫu đúc, sau khi nhiệt luyện chân không và thấm Nitơ plasma và đánh giá sinh học thiết bị y tế theo tiêu chuẩn Việt Nam.
Sau năm năm miệt mài nghiên cứu, các nhà khoa học của Viện Công nghệ đã chế tạo thành công hợp kim titan y sinh Ti-6Al-7Nb, Ti-5Al-2,5Fe bằng lò cảm ứng chân không VIM02 với chế độ: Độ chân không là 5.10-2 mbar, áp suất cân bằng bởi khí Ar là 700 mbar, sử dụng nồi ZrO2 do nhóm nghiên cứu chế tạo. Mẫu sau khi nấu luyện được đem đi phân tích thành phần hóa học và tạp chất khí. Phôi đúc sau khi gia công bóc vỏ được chuyển sang nguyên công rèn dập tạo hình ở nhiệt độ 1000-1200 độ C với lực dập 100 tấn. Phôi sau dập sau đó được gia công hoàn thiện và tiến hành nhiệt luyện chân không đạt tổ chức chứa pha α và β có dạng đặc trục với độ cứng đạt khoảng 32-34 HRC và mô đun đàn hồi khoảng 97-106 MPa. Kết quả phân tích vật liệu đều đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn ISO 5832-10 và ISO 5832-11.
Đánh giá khả năng chịu ăn mòn của các hợp kim Ti-6Al-7Nb và Ti-5Al-2,5Fe trong dung dịch huyết tương nhân tạo được nghiên cứu bằng các phương pháp điện hóa: đo thế mạch hở - OCP, đo phân cực anốt và phân cực điện thế tĩnh, đo phân cực I-E; phương pháp thử nhúng. Kết quả thu được cho thấy 2 loại vật liệu này đều thụ động về hóa học trong môi trường huyết tương nhân tạo. Đối với thí nghiệm thử nhúng, hàm lượng kim loại thôi ra dung dịch đều nằm dưới giới hạn cho phép.
Vật liệu được thử nghiệm lâm sàng thành công trên người
Mẫu vật liệu sau đó được cấy thử nghiệm trên động vật (chó và thỏ) đã được tiến hành đánh giá về thử nghiệm độc tính tế bào (cytotoxicity), độc tính gen (genotoxicity), thử nghiệm nhiễm độc cấp và bán cấp, thử nghiệm tính phù hợp mô và khả năng cấy ghép (histocompatibility và implantation) theo tiêu chuẩn ISO - 10993 với thời gian tiếp xúc trên 30 ngày. Kết quả thử nghiệm đều cho thấy vật liệu đều đạt tiêu chuẩn cho thấy tế bào phát triển bình thường bên cạnh mảnh vật liệu cấy ghép với tỷ lệ bao phủ trên diện tích vi trường quan sát sau 72 giờ lên đến 4/5, hình ảnh kết quả phân tích cho thấy không có sự khác biệt đáng kể về gen của tế bào tiếp xúc với vật liệu thử và vật liệu chứng.
Vật liệu được cấy ghép lên xương động vật (thời gian 4 tuần) sau đó ống xương được cắt ra kiểm tra cho thấy không có hiện tượng biến đổi bất thường về mô, cơ và xương tại vùng tiếp xúc mới mẫu thử. Không có biến đổi cấu trúc gan, thận và các chỉ số về sinh hóa, huyết học. Tại chỗ ghép không thấy nhiễm trùng, viêm, đùn đầy vật liệu ra ngoài. Mô xương, mô mềm vùng ghép hoàn toàn bình thường so với vùng xung quanh. Có một màng liên kết mỏng xung quanh vật liệu, không thấy các tế bào viêm. Xương mới phát triển được quanh vật liệu; Cả 2 loại vật liệu không làm biến đổi các chỉ số sinh hóa, huyết học, chức năng gan, thận; và cả 2 loại vật liệu không có khả năng kháng khuẩn và hoàn toàn vô khuẩn sau khi bóc ra từ túi kín vô trùng.
Từ kết quả khi thử nghiệm trên động vật, các nhà khoa học đã phối hợp với Bệnh viện Xanh Pôn và Bệnh viện đại học Y Hà Nội tiến hành thử nghiệm lâm sàng trên người giai đoạn 1 với 28 bệnh nhân tại hai bệnh viện trên. Trong đó, 16 người sử dụng nẹp và vít Ti-6Al-7Nb và 12 người sử dụng nẹp vít Ti-5Al-2,5Fe. Nẹp vít hai loại hợp kim chứa titan Ti-6Al-7Nb; Ti-5Al - 2,5Fe. Kết quả bước đầu đánh giá thử nghiệm lâm sàng cho thấy, tất cả bệnh nhân ổn định, ra viện đúng thời gian, xương cố định tốt, không di lệch, mô mềm không viêm nhiễm. Không có nẹp, vít nào bị hư hỏng, gãy phải tháo bỏ. Không có trường hợp nào thải loại, phải tháo bỏ nẹp, xương cố định tốt, can xương tốt. Không gây độc cho tế bào, gen. Không biến đổi các chỉ số sinh hóa, huyết học, chức năng gan. Không thay đổi cấu trúc mô tại vùng đặt nẹp vít.
Chủ nhiệm đề tài, Tiến sỹ Nguyễn Tiến Tài cho biết: “Hiện nay chúng tôi đã làm chủ công nghệ gia công chế tạo các sản phẩm bằng hợp kim titan. Về sản phẩm thì chỉ đang dừng lại ở các sản phẩm đơn lẻ như nẹp, vít. Hướng tới sẽ chế tạo miếng ghép hộp sọ, khớp, chân răng, Implant”.
Từ kết quả sau khi thử nghiệm lâm sàng lên các bệnh nhân, vật liệu y sinh Titan tiếp tục được khảo nghiệm ở 3 bệnh viện khác nhau với 20 ca cấy ghép cho mỗi viện, để thông qua Hội đồng y đức của Bộ Y tế. Sau khi có kết quả từ Hội đồng y đức, vật liệu y sinh này sẽ tiến hành sản xuất và thương mại hoá trong tương lai gần để đáp ứng nhu cầu vật liệu y sinh trong ngành y tế nước ta, giảm dần vật liệu y sinh nhập ngoại.
