Prosthesis là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa Prosthesis

Prosthesis (thiết bị thay thế nhân tạo) là thuật ngữ y học chỉ một bộ phận hoặc cấu trúc nhân tạo được thiết kế nhằm thay thế một phần cơ thể đã bị mất hoặc suy giảm chức năng do chấn thương, bệnh lý hoặc dị tật bẩm sinh. Thiết bị này giúp khôi phục chức năng vận động, thẩm mỹ và tâm lý cho người bệnh, qua đó cải thiện chất lượng sống và khả năng hòa nhập xã hội.

Tùy theo vị trí và chức năng cần thay thế, prosthesis có thể bao gồm các dạng khác nhau: chi giả (tay, chân), khớp nhân tạo (gối, háng), răng giả, mắt nhân tạo, van tim nhân tạo hoặc các cơ quan nội tạng thay thế bằng vật liệu sinh học. Trong y học hiện đại, prosthesis không chỉ mang tính cơ học mà còn có thể tích hợp các cảm biến, mạch điện và vật liệu thông minh giúp phản ứng linh hoạt hơn với môi trường sinh học của cơ thể.

Sự phát triển của ngành kỹ thuật y sinh, vật liệu học và công nghệ in 3D đã mở ra khả năng chế tạo prosthesis có độ chính xác cao, vừa vặn với cấu trúc cơ thể từng người. Nhiều loại prosthesis hiện nay không chỉ phục hồi khả năng vận động mà còn có thể truyền tín hiệu thần kinh, cảm nhận lực hoặc nhiệt độ – hướng tới khái niệm “bionic prosthesis”, tức là chi giả sinh học thông minh.

Phân loại Prosthesis

Prosthesis được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, tùy thuộc vào vị trí sử dụng, vật liệu, mức độ phức tạp và mục đích chức năng. Nhìn chung, có thể chia thành ba nhóm chính: prosthesis ngoại vi (external prosthesis), prosthesis nội tạng (internal prosthesis) và prosthesis sinh học (bioprosthesis).

Bảng dưới đây trình bày các nhóm prosthesis phổ biến:

Nhóm thiết bị	Ví dụ	Chức năng chính
Chi giả	Tay giả, chân giả	Phục hồi khả năng vận động, nâng đỡ cơ thể
Khớp nhân tạo	Khớp háng, khớp gối	Thay thế khớp bị thoái hóa hoặc hư tổn
Van tim nhân tạo	Van hai lá, van động mạch chủ	Điều chỉnh lưu thông máu trong tim
Prosthesis nha khoa	Răng giả, cầu răng, implant	Phục hồi chức năng nhai và thẩm mỹ răng miệng
Mắt nhân tạo	Ocular prosthesis	Phục hồi hình dạng khuôn mặt, thẩm mỹ

Ngoài các nhóm chính, còn có prosthesis chuyên biệt như tai nghe cấy ghép (cochlear implant), bộ phận sinh dục nhân tạo hoặc prosthesis vùng sọ não dùng trong phục hồi thần kinh. Phân loại này thể hiện sự đa dạng và mở rộng ứng dụng của công nghệ y sinh hiện đại trong nhiều lĩnh vực khác nhau của y học.

Dưới góc độ kỹ thuật, prosthesis cũng có thể được chia thành:

• Prosthesis cơ học: hoạt động dựa trên cơ chế cơ học hoặc thủy lực
• Prosthesis điện – sinh học: sử dụng tín hiệu điện sinh học (EMG) để điều khiển
• Prosthesis sinh học lai: kết hợp mô sống và vật liệu tổng hợp

Sự kết hợp này đang tiến tới mục tiêu tạo ra các prosthesis có khả năng tự điều chỉnh và tái tạo tương tự mô sinh học tự nhiên.

Cấu tạo và vật liệu chế tạo

Một thiết bị prosthesis hiện đại thường gồm bốn thành phần chính:

• Phần gắn kết (socket): là nơi tiếp xúc trực tiếp với phần cơ thể còn lại, đảm bảo cố định, thoải mái và truyền tải lực
• Khung (frame): chịu tải và truyền động lực giữa các bộ phận
• Hệ thống truyền động: có thể là cơ học, khí nén hoặc điện tử
• Lớp vỏ (cosmesis): có chức năng thẩm mỹ, mô phỏng hình dạng thật

Vật liệu được lựa chọn dựa trên yêu cầu về độ bền, trọng lượng, khả năng tương thích sinh học và độ dẫn điện. Một số vật liệu tiêu biểu:

• Polymer như polyurethane, polypropylene – nhẹ, dễ tạo hình
• Kim loại như titanium, hợp kim cobalt-chromium – bền và chống ăn mòn
• Sợi carbon – có tỷ lệ bền/trọng lượng cao, lý tưởng cho prosthesis thể thao
• Gốm sinh học – dùng trong khớp nhân tạo, có độ ma sát thấp

Với sự phát triển của công nghệ in 3D, prosthesis có thể được chế tạo theo mô hình giải phẫu của từng bệnh nhân, đảm bảo độ vừa vặn và tính cá nhân hóa cao. Ngoài ra, việc ứng dụng vật liệu “smart materials” – có khả năng phản ứng với nhiệt độ, điện hoặc áp lực – đang được nghiên cứu để giúp prosthesis trở nên linh hoạt và gần giống mô thật hơn.

Các công nghệ điều khiển hiện đại

Công nghệ điều khiển prosthesis đã có bước tiến vượt bậc trong hai thập kỷ gần đây, đặc biệt ở prosthesis chi trên. Trước đây, chi giả chủ yếu hoạt động bằng cơ chế kéo dây hoặc đòn bẩy cơ học, nhưng hiện nay, các mô hình tiên tiến đã ứng dụng tín hiệu sinh học và trí tuệ nhân tạo để điều khiển chính xác hơn.

Hệ thống điều khiển cơ bản gồm ba loại:

• Body-powered: sử dụng chuyển động cơ thể để vận hành, đơn giản nhưng hạn chế chức năng
• Myoelectric: dùng tín hiệu điện sinh học (EMG) thu từ cơ bắp còn lại để điều khiển chuyển động motor
• Neural-controlled (BMI – Brain-Machine Interface): ghi nhận tín hiệu từ não, cho phép điều khiển chi giả bằng ý nghĩ

Trong đó, công nghệ myoelectric đang được ứng dụng rộng rãi nhất. Các cảm biến EMG đặt trên da sẽ phát hiện tín hiệu điện nhỏ khi cơ co lại, truyền tới bộ xử lý trung tâm để điều khiển motor ở prosthesis. Các tay giả thế hệ mới như bebionic hand (Ottobock) có thể thực hiện nhiều cử động phức tạp như nắm, xoay, duỗi hoặc gõ bàn phím.

Một số hệ thống cao cấp còn được trang bị phản hồi xúc giác (haptic feedback), cho phép người dùng cảm nhận được lực nắm hoặc nhiệt độ. Đây là bước tiến quan trọng trong việc khôi phục cảm giác “tự nhiên” của chi giả, mang prosthesis đến gần hơn với sinh học con người.

Ứng dụng lâm sàng và phẫu thuật

Prosthesis được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực y học lâm sàng, đặc biệt là trong phục hồi chức năng, phẫu thuật chỉnh hình, tim mạch và nha khoa. Mục tiêu chính của việc sử dụng prosthesis là thay thế bộ phận bị mất, khôi phục lại chức năng và cải thiện khả năng hoạt động hàng ngày của bệnh nhân. Trong hầu hết các trường hợp, prosthesis không chỉ mang tính cơ học mà còn góp phần hỗ trợ tâm lý, giúp người bệnh lấy lại sự tự tin và tự lập.

Trong phẫu thuật chỉnh hình, prosthesis chi và khớp nhân tạo chiếm tỉ lệ lớn nhất. Ví dụ, phẫu thuật thay khớp háng hoặc khớp gối giúp phục hồi vận động cho bệnh nhân thoái hóa khớp hoặc chấn thương nặng. Trong khi đó, prosthesis chi trên và chi dưới được thiết kế theo cơ chế vận động tự nhiên, cho phép bệnh nhân đi lại, cầm nắm, thậm chí tham gia thể thao. Nhiều vận động viên khuyết tật hiện nay sử dụng chân giả bằng sợi carbon có hiệu suất cao như Ottobock Cheetah®.

Ngoài chỉnh hình, prosthesis còn đóng vai trò thiết yếu trong phẫu thuật tim mạch. Van tim nhân tạo, chẳng hạn như van cơ học và van sinh học, được sử dụng để thay thế các van bị hư hỏng do bệnh lý (hẹp, hở, nhiễm trùng). Các loại van này được sản xuất từ vật liệu titanium, carbon hoặc mô sinh học (van heo, bò), giúp đảm bảo lưu thông máu hiệu quả và giảm nguy cơ đông máu. Ở lĩnh vực nha khoa, prosthesis dạng implant titan gắn trực tiếp vào xương hàm đang thay thế răng giả truyền thống nhờ độ bền cao và cảm giác tự nhiên hơn.

Tiêu chí lựa chọn Prosthesis

Việc lựa chọn prosthesis phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố y học, sinh học và cá nhân hóa. Các tiêu chí cơ bản gồm:

• Vị trí và mức độ tổn thương: ảnh hưởng trực tiếp đến loại và kích thước prosthesis được chọn
• Độ tuổi và lối sống: bệnh nhân trẻ tuổi, hoạt động nhiều thường ưu tiên vật liệu nhẹ và linh hoạt
• Tình trạng sức khỏe tổng thể: người mắc bệnh tiểu đường hoặc mạch máu ngoại biên có nguy cơ cao bị biến chứng sau phẫu thuật
• Khả năng tài chính và bảo hiểm: prosthesis tiên tiến (myoelectric, thông minh) có chi phí cao hơn
• Tương thích sinh học: tránh phản ứng viêm, đào thải hoặc dị ứng

Bảng so sánh giữa các loại prosthesis phổ biến:

Loại prosthesis	Vật liệu	Ưu điểm	Hạn chế
Chi giả cơ học	Carbon, hợp kim nhôm	Bền, nhẹ, chi phí thấp	Ít chức năng tinh vi
Chi giả điện cơ (myoelectric)	Polymer + motor điện	Điều khiển chính xác, tự nhiên hơn	Giá cao, cần sạc điện
Van tim cơ học	Titanium, carbon	Độ bền cao (20-30 năm)	Cần thuốc chống đông suốt đời
Van tim sinh học	Mô bò/heo	Tương thích sinh học tốt, ít cần thuốc chống đông	Tuổi thọ ngắn hơn (~10-15 năm)

Đánh giá đa yếu tố giúp bác sĩ lựa chọn prosthesis tối ưu cho từng bệnh nhân. Ngoài ra, quá trình thử và hiệu chỉnh sau khi lắp đặt là bắt buộc để đảm bảo tính phù hợp và thoải mái lâu dài.

Thách thức và biến chứng

Mặc dù mang lại lợi ích to lớn, prosthesis vẫn có thể gặp một số thách thức kỹ thuật và y học. Các biến chứng thường gặp bao gồm:

• Nhiễm trùng tại vị trí phẫu thuật hoặc nơi tiếp xúc của socket
• Đào thải thiết bị do phản ứng miễn dịch hoặc tương kỵ mô
• Đau chi phantom (phantom limb pain) – cảm giác đau ở chi đã bị cắt bỏ
• Hư hỏng cơ học: gãy khung, lỏng khớp nối, hao mòn vật liệu
• Rối loạn tâm lý: trầm cảm, tự ti sau phẫu thuật

Để giảm nguy cơ biến chứng, các trung tâm y tế hiện nay áp dụng quy trình chăm sóc đa ngành, kết hợp giữa bác sĩ phẫu thuật, chuyên viên phục hồi chức năng, kỹ sư y sinh và nhà tâm lý. Ngoài ra, vật liệu tiên tiến như titanium và polyether-ether-ketone (PEEK) đang được sử dụng để cải thiện độ tương thích sinh học và giảm phản ứng viêm.

Một số nghiên cứu gần đây cũng tập trung vào việc phát triển prosthesis kháng khuẩn bằng cách phủ nano bạc (Ag) hoặc TiO₂ quang xúc tác trên bề mặt, giúp ngăn ngừa nhiễm trùng hậu phẫu. Hướng tiếp cận này được mô tả chi tiết trong nghiên cứu của Journal of Biomedical Materials Research năm 2022.

Xu hướng phát triển tương lai

Sự hội tụ giữa công nghệ y học, vật liệu học và trí tuệ nhân tạo đang định hình thế hệ prosthesis mới – thông minh, linh hoạt và có khả năng tương tác với hệ thần kinh người. Các xu hướng chính bao gồm:

• Prosthesis in 3D: chế tạo theo mô hình CT/MRI của từng bệnh nhân để tối ưu vừa khít và giảm điểm tỳ
• Biohybrid prosthesis: kết hợp tế bào sống với vật liệu tổng hợp, cho phép tái tạo mô và giảm đào thải
• Neural prosthesis: tích hợp cảm biến thần kinh và mạch vi điện tử, cho phép cảm nhận xúc giác và điều khiển bằng tín hiệu não
• AI-based prosthesis: sử dụng thuật toán học máy để tự điều chỉnh chuyển động dựa trên hành vi người dùng

Một số công trình tiên phong trong lĩnh vực này được phát triển tại MIT Biomechatronics Lab và chương trình DARPA Revolutionizing Prosthetics của Mỹ. Các dự án này hướng tới prosthesis có thể truyền và nhận tín hiệu thần kinh như chi thật, mở ra kỷ nguyên “cyborg-human interface” trong y học tương lai.

Bên cạnh công nghệ thần kinh, xu hướng phát triển vật liệu xanh và bền vững cũng đang được quan tâm, nhằm giảm chi phí và tác động môi trường trong quá trình sản xuất. In 3D sinh học (bioprinting) có tiềm năng sản xuất prosthesis sinh học hoàn toàn tương thích với mô người, đặc biệt trong lĩnh vực ghép nội tạng nhân tạo.

Tài liệu tham khảo

1. National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering – Prosthetics. https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/prosthetics
2. World Health Organization. Standards for Prosthetics and Orthotics. https://www.who.int/publications/i/item/9789241516015
3. DARPA Revolutionizing Prosthetics Program. https://www.darpa.mil/program/revolutionizing-prosthetics
4. MIT Media Lab – Biomechatronics Research Group. https://www.media.mit.edu/groups/biomechatronics/overview/
5. Journal of Biomedical Materials Research, 2022. “Antimicrobial coatings for prosthetic devices: TiO₂–Ag hybrid nanostructures.”