Giới thiệu

Vật liệu hoạt tính sinh học có thể được định nghĩa rộng là ‘vật liệu được thiết kế để tạo ra hoạt tính sinh học cụ thể’. Dựa trên định nghĩa chung này, các vật liệu có hoạt tính sinh học bao gồm các vật liệu thúc đẩy quá trình tái tạo mô bằng cách bám dính vào các mô mềm và cứng của người, và những vật liệu có đặc tính hướng dẫn tế bào và truyền tín hiệu phân tử để điều chỉnh sự tăng sinh tế bào, di cư, biệt hóa, biểu hiện protein và quá trình khoáng hóa.

Trước đó, các nhà khoa học trong lĩnh vực tái tạo mô đã sử dụng một định nghĩa hẹp hơn về ‘hoạt tính sinh học’ để mô tả khả năng chống lại sự loại bỏ của thủy tinh canxi phosphosilicate khỏi mô mềm và mô cứng của vật chủ sau khi được cấy thử nghiệm vào xương đùi và cơ của chuột. Hiện tượng liên kết bề mặt giữa implant và mô sống sau đó đã được quan sát thấy trong các loại sứ sứ canxi photphat tổng hợp khác và thủy tinh silicat, borat và photphat, tạo thành nền tảng của lĩnh vực vật liệu sinh học được gọi là ‘sứ thủy tinh hoạt tính sinh học’. Vật liệu hoạt tính sinh học, theo định nghĩa của Hench và đồng nghiệp, là vật liệu tạo ra phản ứng sinh học cụ thể tại bề mặt tiếp xúc của vật liệu, dẫn đến hình thành liên kết giữa các mô sống và vật liệu. Một đặc điểm thường được xác định từ các vật liệu này là sự biến đổi động học phụ thuộc vào thời gian của bề mặt vật liệu thông qua việc hình thành lớp bề mặt apatit carbonated sau khi cấy vào cơ thể.

Định nghĩa tái tạo mô về hoạt tính sinh học đã trải qua một sự thay đổi, sau khi đặc điểm hình thành apatit carbonated trong cơ thể của sứ thủy tinh apatit/wollastonite được phát hiện là có thể tái tạo trong ống nghiệm bằng cách nhúng vật liệu vào chất lỏng cơ thể mô phỏng huyết tương người. Vì vậy, theo Kokubo và Takadama, vật liệu có hoạt tính sinh học là vật liệu có cấu trúc giống như xương. Apatit carbonated sẽ hình thành có chọn lọc sau khi vật liệu được ngâm trong dung dịch giống như huyết thanh.

Vật liệu vô cơ không hoạt tính sinh học vs. có hoạt tính sinh học

Khi vật liệu sinh học được cấy vào cơ thể người, mô chủ sẽ phản ứng với vật liệu theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào phản ứng của mô dọc theo bề mặt vật liệu. Theo đó, vật liệu sinh học có thể được phân thành bốn loại dựa trên phản ứng mô: gần như trơ, xốp, có thể tái hấp thụ hoặc có hoạt tính sinh học.

Không có vật liệu nào được cấy vào mô sống hoàn toàn trơ. Do đó, thuật ngữ ‘trơ sinh học’ được dùng để chỉ bất kỳ vật liệu nào mà khi được cấy vào cơ thể con người sẽ tạo ra sự tương tác tối thiểu với các mô xung quanh. Ví dụ về các vật liệu này là thép không gỉ, titan, alumina, zirconia được ổn định một phần và polyetylen có trọng lượng phân tử cực cao. Sau khi cấy một vật thể lạ vào cơ thể, bề mặt của vật liệu đó ngay lập tức được phủ các protein có nguồn gốc từ máu và dịch kẽ. Cơ chế bảo vệ của cơ thể sẽ kích thích hình thành một bao xơ không dính xung quanh vật liệu nhằm cách ly nó khỏi mô xung quanh. Độ dày của bao xơ bảo vệ này phụ thuộc vào khả năng phản ứng hóa học của vật liệu cũng như vào chuyển động và độ khít của vật liệu tại giao diện.

Ngược lại, vật liệu hoạt tính sinh học tạo ra một môi trường tương thích với quá trình tạo xương và trong một số trường hợp, tương thích với các mô mềm, bằng cách phát triển giao diện liên kết tự nhiên giữa cơ thể và vật liệu. Liên kết bề mặt của các vật liệu hoạt tính sinh học với xương được bắt đầu thông qua phản ứng trao đổi ion giữa vật liệu và chất dịch cơ thể. Điều này dẫn đến sự hình thành lớp apatit carbonated có hoạt tính sinh học trên bề mặt vật liệu có tính chất hóa học và tinh thể tương đương với pha khoáng trong xương.

Loại sứ thủy tinh hoạt tính sinh học đầu tiên được phát minh và được nghiên cứu rộng rãi nhất là hệ thống thủy tinh bậc bốn SiO₂-Na₂O-CaO-P₂O (Thủy tinh sinh học 45S5). Khả năng các vật liệu này liên kết với mô xương được cho là xảy ra trong 11 giai đoạn (Bảng 4.1). Các giai đoạn phản ứng từ 1-5 dẫn đến giải phóng nhanh chóng các loại ion hòa tan và hình thành silica gel xốp ngậm nước và lớp kép apatit cacbonat đa tinh thể trên bề mặt thủy tinh. Các lớp phản ứng này tăng cường khả năng hấp phụ protein và các yếu tố tăng trưởng (giai đoạn 6), thúc đẩy sự gắn kết (giai đoạn 8), tăng sinh và biệt hóa nguyên bào xương với tế bào gốc trung mô (giai đoạn 9). Sự lắng đọng của chất nền collagen ngoại bào (giai đoạn 10) và sự khoáng hóa tiếp theo cuối cùng dẫn đến các tế bào xương trưởng thành được bọc trong ma trận apatit carbonated collagen.

Người ta đã chứng minh rằng các nguyên bào sợi không lan rộng và sinh sôi nảy nở trên bề mặt thủy tinh hoạt tính sinh học, trái ngược với những gì xảy ra trên bề mặt vật liệu trơ sinh học. Điều này rất quan trọng vì nếu nguyên bào sợi sinh sôi nảy nở, một dạng bao xơ sẽ hình thành, ngăn cản sự liên kết giữa vật liệu cấy ghép và mô chủ. Khi các nguyên bào sợi vẫn ‘không hoạt động’ dọc theo bề mặt thủy tinh hoạt tính sinh học, mô xương mới có thể được tạo ra.

Sự hiện diện của silica được phát hiện là rất quan trọng để vật liệu thể hiện hoạt tính sinh học. Điều này là do sự hòa tan một phần của vật liệu trong môi trường kiềm, giải phóng các ion Si tạo thành silica gel bề mặt và tạo ra các nhóm silanol đóng vai trò là nơi tạo mầm của apatit cacbonat. Tuy nhiên, việc tăng nồng độ silica quá mức sẽ làm giảm tốc độ hoạt tính sinh học.

Trong số các nguyên tố được giải phóng bởi thủy tinh hoạt tính sinh học, Si được biết đến là nguyên tố thiết yếu cho các quá trình trao đổi chất liên quan đến quá trình canxi hóa mô xương và gây ra sự kết tủa apatit. Silica/silicat vô cơ có khả năng kích thích quá trình tạo xương trong cơ thể bằng cách ức chế sự phát triển và biệt hóa hủy cốt bào (thông qua tăng biểu hiện Osteoprotegerin).

Sự giải phóng các ion canxi thúc đẩy sự tăng sinh nguyên bào xương, biệt hóa và khoáng hóa ma trận ngoại bào.

Hoạt tính sinh học In Vitro của MTA

Hoạt tính sinh học trực tiếp trong ống nghiệm

Mineral trioxide aggregate (MTA) là loại xi măng canxi ưa nước được biết đến nhiều nhất và được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất hiện nay. Nó là một loại xi măng Portland có nguồn gốc từ clinker bao gồm các pha khác nhau: tricanxi silicat, dicanxi silicat, tricanxi aluminat, tetracanxi aluminoferrit và canxi sunfat cùng bismuth oxit (chất cản quang).

Hoạt tính sinh học trong ống nghiệm của xi măng Portland trắng đã được báo cáo sau khi ngâm trong chất dịch cơ thể mô phỏng. Sự hình thành của một lớp hydroxyapatite trên bề mặt xi măng Portland trắng đã được xác nhận. Sự hòa tan portlandite (canxi hydroxit) và sự hình thành canxit (canxi cacbonat) cũng được quan sát thấy. Các tác giả kết luận rằng hoạt tính sinh học in vitro của vật liệu MTA có thể là do thành phần xi măng Portland của chúng.

Nhìn chung, hoạt tính sinh học in vitro được quan sát thấy trong xi măng Portland và canxi silicat tinh khiết thì cũng có trong MTA. Sản phẩm phản ứng cuối cùng được hình thành trên bề mặt của xi măng đông kết là hydroxyapatite (đúng hơn là apatit carbonated sinh học).

Cơ chế

Hoạt tính sinh học trong ống nghiệm của MTA và các vật liệu giống MTA không phụ thuộc vào mô và có thể diễn ra tuần tự theo các giai đoạn giống với thủy tinh hoạt tính sinh học (Hình 4.1).

Giai đoạn 1 – Thủy phân và trao đổi ion: Phản ứng của ion Ca2+ với ion OH- có nguồn gốc từ nước dẫn đến sự hình thành canxi hydroxit (portlandite) tạo ra môi trường có tính kiềm cao.

Giai đoạn 2 – Hình thành canxi silicat hydrat: Bề mặt của các hạt canxi silicat bị tấn công bởi OH- trong môi trường kiềm, dẫn đến sự hình thành pha canxi silicat hydrat (CSH) vô định hình trên bề mặt (Hình 4.2a). Canxi silicat hydrat là lớp gel silicat xốp, chứa các nhóm silanol (Si-OH) tạo thành pha liên kết chính.

Giai đoạn 3 – Liên kết canxi silicat hydrat với các ion canxi: Sự khử proton của các nhóm silanol tạo ra bề mặt tích điện âm (SiO-). Bề mặt này thu hút các cation Ca2+ thông qua tương tác tĩnh điện, tạo thành lớp điện kép.

Giai đoạn 4 – Kết tủa canxi photphat vô định hình: Tương tác tĩnh điện giữa các ion HPO4(2-) từ dung dịch với bề mặt CSH giàu Ca2+ dẫn đến sự lắng đọng của canxi photphat vô định hình hình cầu trên bề mặt xi măng (Hình 4.2b).

Giai đoạn 5 – Tạo mầm và biến đổi canxi photphat vô định hình thành apatit carbonated: Với sự hiện diện của bề mặt CSH tạo mầm, canxi photphat vô định hình trải qua quá trình chuyển pha theo thời gian thành apatit carbonated sinh học (giống với khoáng trong xương, ngà răng) thông qua pha trung gian octacanxi photphat (OCP) (Hình 4.3, 4.4).

Bằng chứng gián tiếp về hoạt tính sinh học In Vitro

Điều thú vị là, hoạt tính sinh học in vitro của xi măng canxi photphat ưa nước đã được chứng minh ở ngà răng thay vì xương. Sự hình thành lớp giao thoa giàu apatit dọc theo bề mặt xi măng-ngà (gắn chắc chắn, không có khoảng trống) và các đuôi giàu apatit trong ống ngà đã được quan sát khi dùng MTA.

Cơ chế này được gọi là ‘vùng thấm khoáng’ hay ‘xoi mòn bằng kiềm’ (khác với xoi mòn bằng axit của composite/GIC). Các sản phẩm hydrat hóa xi măng canxi silicat (có tính kiềm cao) gây thoái hóa thành phần collagen của ngà răng, tạo ra lớp ngà xốp cho phép các ion canxi, hydroxyl và cacbonat thẩm thấu để tạo thành một lớp siêu khoáng hóa.

Tuy nhiên, vùng siêu khoáng hóa này có thể rất giòn vì collagen loại I (chịu trách nhiệm về độ dẻo dai) bị phá hủy bởi độ kiềm của xi măng, có thể làm giảm độ bền uốn và dễ hình thành vết nứt.

Hoạt tính sinh học in vivo của xi măng canxi silicat ưa nước

Thiếu bằng chứng khoa học khẳng định tuyệt đối rằng vật liệu sinh học sẽ liên kết trực tiếp 100% với xương in vivo.

Các nghiên cứu cấy ghép MTA vào xương động vật cho thấy kết quả đan xen: có sự tiếp xúc trực tiếp của xi măng với xương mới (Hình 4.5a), nhưng cũng có sự hiện diện của lớp mô liên kết dạng sợi (bao xơ) mỏng giữa xi măng và xương mới (Hình 4.5b) ở một số mẫu.

Một trong những lý do hình thành bao xơ có lẽ là do độ kiềm ban đầu cao sau khi cấy MTA vào xương. Việc rửa trôi ‘dung dịch lỗ rỗ’ chứa canxi hydroxit dẫn đến hoại tử đông máu của các mô tiếp xúc, gây phản ứng viêm và hình thành mô sợi.

Không giống như thủy tinh hoạt tính sinh học (ngăn cản nguyên bào sợi), bề mặt MTA cung cấp môi trường rất thuận lợi cho các nguyên bào sợi bám vào và sinh sôi nảy nở. Do đó, có sự cạnh tranh giữa các nguyên bào sợi và tế bào tạo xương để gắn vào bề mặt MTA in vivo. Việc gắn các nguyên bào sợi dây chằng nha chu vào bề mặt xi măng cung cấp một phương tiện để tái tạo dây chằng nha chu và lắng đọng xi măng chân răng, giải thích cho tính ưu việt về mặt lâm sàng trong việc sử dụng MTA làm chất trám bít nội nha ở vùng chóp.

Kết luận

MTA đã được báo cáo và quảng bá là vật liệu hoạt tính sinh học dựa trên khả năng tạo ra apatit sau khi tương tác với các ion photphat có nguồn gốc từ dịch cơ thể. Hiện tượng hoạt tính sinh học in vitro của xi măng canxi silicat (MTA) là không thể chối cãi thông qua việc hình thành lớp bề mặt apatit carbonated.

Tuy nhiên, đối với hoạt tính sinh học in vivo, kết quả lâm sàng phức tạp hơn. Lớp mô liên kết dạng sợi thường được quan sát dọc theo bề mặt tiếp xúc xương-xi măng, gợi nhớ đến các phản ứng của vật liệu trơ sinh học. Sự cạnh tranh giữa nguyên bào sợi và tế bào tạo xương, cùng với độ kiềm cao ban đầu của vật liệu, giải thích cho tính khó dự đoán của việc liên kết xương trực tiếp.

Dù vậy, khả năng tạo môi trường thuận lợi cho sự tái tạo mô cứng và dây chằng nha chu vẫn khẳng định vị trí không thể thay thế của MTA trong các điều trị nội nha phức tạp (che tủy, đóng chóp, trám ngược...).

Nguồn: Camilleri, J. (2016). Mineral trioxide aggregate in Dentistry. Springer-Verlag Berlin An.