Chế tạo hợp kim titan y sinh cấy ghép trong cơ thể người

Từ thập niên 50, titan được đưa vào sử dụng trong ngoại khoa, tuy nhiên, trước đó một một thập kỷ, vật liệu này đã được sử dụng trong nha khoa. Hiện nay, titan là vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong y tế để làm các bộ phận giả, dụng cụ cố định, thay thế các cơ quan bên trong cơ thể, đặc biệt là xương. Titan được sử dụng để thay thế hầu hết các bộ phận trên cơ thể người… 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, khâu nghiên cứu chế tạo chưa đáp ứng được yêu cầu, chủ yếu do không có trang thiết bị và công nghệ chế tạo. Tất cả các loại vật liệu hợp kim titan dùng trong công nghiệp và y sinh đều phải nhập ngoại với giá thành cao.

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, nó cũng tác dụng với tất cẩ các loại oxit, trừ oxit thori. Cacbon hòa tan nhiều trong titan nhưng khi hạ nhiệt độ sẽ sinh TiC là pha rắn. Bởi vậy, titan và hợp kim của nó rất khó nấu đúc nên cần phải nấu luyện trong điều kiện đặc biệt như nấu 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 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, Viện Công nghệ 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”.

Sau hai năm miệt mài nghiên cứu ThS Nguyễn Tiến Tài cũng với các cộng sự đã chế tạo được hợp kim titan y sinh Ti-6A1-7Nb, Ti-5A1-2,5Fe bằng lò cảm ứng chân không VIM02 với chế độ chân không là 5.10-2 mbar và áp suất cân bằng bởi khí Ar là 700 mbar. Mẫu sau khi nấu luyện được đem đi phân tích thành phần hóa học và tạp chất khí, cho kết quả mẫu đạt yêu cầu của tiêu chuẩn ISO 5832-10 và ISO 5832 -11.

Quá trình khảo sát nhiệt luyện chân không hợp kim Ti-6A1-7Nb và Ti-5A1-2,5Fe sau rèn ủ cho thấy sau khi tôi có tổ chức (α + β), hình dáng của pha α và β có dạng đẳng trục. Độ cứng đạt lớn nhất là 335 và 346 HV tương đương với hai mác trên khi tôi ở 1.0000C - giữ nhiệt 1h và mô đun đàn hồi đạt giá trị 97÷106 Mpa, gần với tiêu chuẩn ISO 5832-10.

Đánh giá khả năng chịu ăn mòn của các hợp kim Ti-6A1-7Nb và Ti-5A1-2,5Fe 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.

Hai mẫu vật liệu là Ti-6A1-7Nb và Ti-5A1-2,5Fe được cấy ghép trên động vật (vào mặt bên xương chó 8 tuần) và thử nghiêm độc tính tế bào, tính kháng khuẩn trong phòng thí nghiệm. Sau 8 tuần, kết quả thu được là: 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.

Như vậy, xét về hiệu quả khoa học và công nghệ, nghiên cứu đã làm chủ được công nghệ chế tạo hợp kim titan y sinh mác Ti-6A1-7Nb và Ti-5A1-2,5Fe đạt tiêu chuẩn ISO 5832-10 và ISO 5832 -11; chế tạo mẫu thử nghiệm, đánh giá về khả năng ăn mòn và tương thích sinh học với kết quả cho thấy vật liệu thụ động hóa học trong môi trường huyết tương nhân tạo; và chế tạo mẫu thử nghiệm, đánh giá về khả năng tương thích sinh học. Mẫu được thực hiện cấy ghép lên xương chó. Đánh giá kết quả cho thấy mẫu vật có tính tương thích sinh học cao.

N.P.D - NASATI