Trong quá trình điều trị các chấn thương nghiêm trọng ở xương, ngoài việc thay thế , cấy ghép bằng các loại vật liệu y sinh, vẫn cần giải pháp thích hợp cho những vết nứt phức tạp. Do vậy, hydrogel đang được nghiên cứu để làm vật liệu nền mô xương, vừa giúp nhanh chóng hình thành xương, vừa đảm bảo xương chắc khỏe sau điều trị.
Là “bộ khung” quan trọng giúp bảo vệ các cơ quan trong cơ thể, xương có thành phần gồm chất nền hữu cơ, các khoáng chất, tế bào và nước. Sự tích hợp các khoáng chất trong chất nền hữu cơ (kết hợp tính giòn của khoáng chất và đàn hồi của chất nền hữu cơ) giúp cho xương có cơ tính cao, cũng như có khả năng tái tạo đáng kể. Tuy nhiên, nếu xương bị tổn thương vượt quá khả năng tự phục hồi, cần phải có can thiệp từ bên ngoài để thúc đẩy xương tái tạo và phục hồi chức năng bình thường. Phần lớn các tổn thương, khuyết tật và chấn thương của xương là do các nguyên nhân như gãy xương, tuổi già, nhiễm trùng, ung thư và các bệnh di truyền.
Hydrogel và ứng dụng trong tái tạo xương
Hydrogel được cấu tạo từ các chuỗi polyme ưa nước ba chiều, có độ bền cơ học vượt trội và có thể cung cấp môi trường dinh dưỡng phù hợp, có lợi cho sự tồn tại của tế bào và hỗ trợ sự phát triển xương mới. Các hydrogel có nguồn gốc tự nhiên có nhiều điểm tương đồng với chất nền ngoại bào về thành phần và cấu trúc. Do đó, đây là vật liệu sinh học lý tưởng trong kỹ thuật mô xương, có thể hỗ trợ và tương tác tốt với xương tự nhiên. Ngoài ra, hydrogel còn có tính tương hợp sinh học tốt, có khả năng phân hủy sinh học cũng như có các đặc tính vật lý cho phép chế tạo linh hoạt. Bên cạnh đó, có thể điều chỉnh hydrogel để tạo hình dạng mong muốn cho cấy hoặc tiêm; kiểm soát dễ dàng tốc độ phân hủy và độ xốp bằng cách thay đổi phương pháp và mức độ liên kết chéo.
Các nghiên cứu liên quan đến hydrogel ứng dụng trong y học đã xuất hiện trên thế giới từ những năm 1980, ví dụ như nghiên cứu “Viên nang siêu nhỏ canxi alginate cho việc đóng gói tế bào” của Lim và Sun [1], hay nghiên cứu “Kết hợp các polyme tự nhiên như collagen và sụn cá mập vào hydrogel để sử dụng làm xương nhân tạo” của Yannas và cộng sự năm 1989 [2]. Hydrogel nguồn gốc từ polyme tự nhiên lẫn tổng hợp tiếp tục được các nhà khoa học quan tâm và trở nên đặc biệt hấp dẫn đối với lĩnh vực kỹ thuật mô tế bào, được xem như mạng cấu trúc dùng để sửa chữa và tái tạo nhiều loại mô và các cơ quan của cơ thể. Các nghiên cứu gần đây như “Chỉnh hình xương bằng cách tiêm chất thay thế xương tự liên kết chéo mới” của Fellah và cộng sự (2006) [3], “Tái tạo xương bằng cách sử dụng hydrogel dựa trên axit hyaluronic với protein-2 hình thái xương và tế bào gốc trung mô của con người” của Kim và cộng sự (2007) [4] đã cho thấy hydrogel giúp gia tăng sự hình thành mạch và tạo xương trong các mô hình điều trị xương. Trong những năm gần đây, hydrogel đã nổi lên như một giải pháp tiềm năng trong kỹ thuật mô và y học tái tạo nhằm thúc đẩy quá trình tái tạo xương tốt hơn. Đây cũng là hướng thu hút rất nhiều nhà khoa học trên thế giới tiến hành nghiên cứu sâu.
Theo nghiên cứu “Hydrogel hoạt tính sinh học để tái tạo xương” công bố trên tạp chí Bioactive Materials, các hydrogel được sử dụng để tái tạo xương cần phải đáp ứng 7 yêu cầu:
- Không độc và không gây dị ứng để tránh gây ra phản ứng viêm;
- Cảm ứng xương (osteoinductive), tính dẫn truyền xương (osteoconductive), hình thành và phát triển xương (osteogenic) cũng như tương thích với mô xương để tăng cường tái tạo xương;
- Bắt chước chất nền ngoại bào tự nhiên ở mức độ cao nhất để tạo điều kiện thuận lợi cho sự kết dính tế bào, nhân giống và biệt hóa tạo xương tại vị trí cấy ghép;
- Phân hủy bởi các enzyme nội sinh hoặc thủy phân, đồng bộ hóa với quá trình hình thành xương mới để tạo đủ không gian cho quá trình hình thành xương mới;
- Độ ổn định về cấu trúc và độ bền cơ học có thể được sử dụng để xử lý các khuyết tật chịu tải và ngăn ngừa biến tính trong quá trình khử trùng;
- Kích thước lỗ rỗng thích hợp và độ xốp liên kết có thể được tối ưu hóa thông qua việc thay đổi nồng độ, loại polyme và chất liên kết chéo để tăng cường tương tác tế bào, kiểm soát việc giải phóng các yếu tố hoạt tính sinh học được bao bọc và cho phép trao đổi chất dinh dưỡng, oxy và chất thải trao đổi chất trong hydrogel;
- Có khả năng tiêm, cùng với sự tuân thủ của bệnh nhân để giảm đau và đơn giản hóa quá trình sử dụng.
Sơ đồ minh họa sự hỗ trợ của hydrogel trong tái tạo xương
(Nguồn: Bioactive hydrogels for bone regeneration (X. Bai và cộng sự (2018)))
Hydrogel được sử dụng trong quá trình tái tạo xương có thể tổng hợp từ các nguyên liệu tự nhiên, gồm protein tự nhiên (fibrin, fibroin, collagen và gelatin) và polysaccharides (chitosan, hyaluronan và alginate). Các polyme tự nhiên là thành phần hoặc tương tự như chất nền ngoại bào tự nhiên, có khả năng tương thích sinh học tốt, đáp ứng miễn dịch thấp, đồng thời có thể thúc đẩy sự kết dính tế bào, tăng sinh và tái tạo mô mới. Chúng có thể được hấp thụ thông qua quá trình trao đổi chất hoặc phân hủy bởi enzyme. Ngoài ra, hydrogel được dùng trong điều trị và tái tạo xương có thể làm bằng vật liệu polyme phân hủy sinh học, chẳng hạn như polyetylen glycol (PEG), alcohol polyvinyl (PVA), polyacrylamit (PAM), sanya metyl cacbonat, poly (axit lactic),… Không giống như các vật liệu tự nhiên, polyme tổng hợp có các đơn vị cấu trúc cơ bản. Do đó, các đặc tính của polyme (như độ xốp, thời gian phân hủy và tính chất cơ học) có thể điều chỉnh theo các ứng dụng cụ thể. Các polyme tổng hợp có nguồn nguyên liệu đáng tin cậy và thời hạn sử dụng dài, vì vậy có thể sản xuất với số lượng lớn mà không có nguy cơ gây miễn dịch.
Để mở rộng ứng dụng của hydrogel trong lĩnh vực tái tạo xương, các nhà nghiên cứu liên tục cải tiến các phương pháp bào chế để tạo ra hydrogel với nhiều đặc tính cơ học, phù hợp cho điều trị các khuyết tật của xương. Việc hiểu được quy trình phức tạp của quá trình tổng hợp hydrogel và sửa đổi ma trận để tăng cường khả năng tương thích sinh học, khả năng cảm ứng xương (osteoinductive), tính dẫn truyền xương (osteoconductive) và tương thích với mô xương của hydrogel cho phép đẩy nhanh quá trình tạo ra các cấu hình cần thiết.
Một số nghiên cứu ứng dụng hydrogel trong tái tạo xương tại Việt Nam
Tại Việt Nam, vật liệu hydrogel đã được đưa vào ứng dụng trong lĩnh vực y tế như stent động mạch vành, khớp háng, phương pháp điều trị sử dụng hydrogel truyền dẫn thuốc,... Một số đề tài nghiên cứu trong nước về hydrogel cũng đã được nghiệm thu và công bố như: “Nghiên cứu điều chế hydrogel đa chức năng ứng dụng hỗ trợ điều trị vết thương bệnh lý đái tháo đường” (Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu năm 2021); “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel từ gelatin/carboxymetyl-chitin và gelatin/carboxymetyl-chitosan bằng phương pháp chiếu xạ ứng dụng làm giá thể nuôi cấy tế bào gốc (mô mỡ)” (đề tài cấp Bộ, nghiệm thu năm 2020); “Điều chế hydrogel kết dính sinh học dựa trên chitosan và bước đầu đánh giá khả năng thay thế chỉ khâu vết thương sau phẫu thuật” (đề tài cấp Quốc gia, nghiệm thu năm 2015). Đặc biệt, trong lĩnh vực tái tạo xương, có các nghiên cứu như “Hoàn thiện quy trình tổng hợp hydrogel composite sinh học trên cơ sở biphase calcium phosphate-oxidized alginate, gelatin ứng dụng làm vật liệu thay thế tạm thời và hỗ trợ quá trình tái tạo xương” (Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu năm 2016) và gần đây là nghiên cứu “Chế tạo hydrogel liên kết chéo tại chỗ dựa trên alginate/N bị oxy hóa, O-carboxymethyl chitosan/β-tricalcium phosphate để tái tạo xương”, công bố trên tạp chí Journal of Science: Advanced Materials and Devices.
Ứng dụng hydrogel composite biphasic calcium phosphate/gelatin/oxidized alginate trong lĩnh vực tái tạo xương
Nghiên cứu “Hoàn thiện quy trình tổng hợp hydrogel composite sinh học trên cơ sở biphase calcium phosphate-oxidized alginate, gelatin ứng dụng làm vật liệu thay thế tạm thời và hỗ trợ quá trình tái tạo xương” thực hiện bởi các nhà khoa học tại Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và đã được Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM nghiệm thu kết quả năm 2016.
Trên cơ sở kinh nghiệm nghiên cứu của Bệnh viện Đại học Soonchunhyang (Hàn Quốc), nhóm nghiên cứu đã tiến hành sử dụng vật liệu hydrogel composite sinh học trên cơ sở calcium phosphate, alginate và gelatin, có khả năng kích thích phát triển tế bào xương rất tốt, đồng thời, thời gian phân hủy của vật liệu phù hợp với thời gian xương phát triển. Thử nghiệm cấy ghép vật liệu hydrogel composite sinh học trên thỏ được thực hiện và đánh giá kết quả trong vòng 4-6 tháng sau phẫu thuật.
Kết quả phân tích phương pháp vi mô chụp cắt lớp của mẫu xương sau 4 và 6 tháng phẫu thuật
(Nguồn: Kết quả nghiên cứu “Hoàn thiện quy trình tổng hợp hydrogel composite sinh học trên cơ sở biphase calcium phosphate-oxidized alginate, gelatin ứng dụng làm vật liệu thay thế tạm thời và hỗ trợ quá trình tái tạo xương”)
Kết quả sau phẫu thuật 4 tháng và 6 tháng, phân tích phương pháp vi mô chụp cắt lớp của các mẫu xương cho thấy xương mới được hình thành trong vùng phẫu thuật, hydrogel composite xương mới hình thành với tỷ lệ thể tích xương/thể tích mô cao hơn hydrogel và mẫu đối chứng. So sánh kết quả phân tích phương pháp vi mô chụp cắt lớp của mẫu 4 tháng và 6 tháng cho thấy không có sự khác biệt về tỷ lệ thể tích xương/thể tích mô cũng như tỷ lệ diện tích bề mặt xương/thể tích xương. Điều này cho thấy, có sự tiêu xương và sự hình thành xương đồng thời xảy ra trong giai đoạn hồi phục xương. Kết quả phân tích mô học cho thấy mẫu hydrogel composite sau 6 tháng cấy ghép đã phát triển thành mô xương giống mô xương không phẫu thuật. Từ kết quả nghiên cứu trên, nhóm nghiên cứu đã đề xuất tiếp tục thực hiện đánh giá độ nhiễm khuẩn, khả năng miễn dịch của cơ thể và nâng cấp quy mô thử nghiệm để mở rộng tính ứng dụng trong thời gian tới.
Thử nghiệm thành công hydrogel từ alginate, carboxymethyl chitosan và β-tricalcium phosphate giúp bệnh nhân hình thành xương nhanh chóng
Nghiên cứu “Chế tạo hydrogel liên kết chéo tại chỗ dựa trên alginate/N bị oxy hóa, O-carboxymethyl chitosan/β-tricalcium phosphate để tái tạo xương” được nhóm các nhà khoa học tại Trường Đại học Quốc tế (Đại học Quốc gia TP.HCM) thực hiện và công bố trên tạp chí Journal of Science: Advanced Materials and Devices.
Trong đó, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp hydrogel bằng phương pháp tự gel hóa, tận dụng được nguồn nguyên liệu chitosan và alginate trong nước, hạn chế phụ thuộc nguyên liệu phải nhập từ nước ngoài để phục vụ cho nghiên cứu. Vật liệu hydrogel dựa trên liên kết chéo tại chỗ giữa alginate bị oxy hóa (OA) và N, O-carboxymethyl chitosan (NOCC) kết hợp với β-tricalcium phosphate (β-TCP) được điều chế, sử dụng các nồng độ OA và tỷ lệ OA trên NOCC khác nhau, sau đó tiêm vào mô hình chuột khiếm khuyết vòm sọ với các nồng độ và hàm lượng thành phần khác nhau. Kết quả thử nghiệm sau 4 tuần cho thấy, các con chuột được cấy hydrogel đã hình thành các mô mới để che phủ các vị trí khiếm khuyết, trong khi sự tiến triển này không hề xuất hiện ở nhóm đối chứng. Ngoài ra, một cấu trúc chất nền ngoại bào mới đã hình thành ngay bên dưới đa lớp tế bào và đã chữa lành đáng kể vị trí tổn thương ở những con chuột được cấy ghép hydrogel.
Thử nghiệm hydrogel tái tạo xương vòm sọ chuột
(Nguồn: Fabrication of in situ crosslinking hydrogels based on oxidized alginate/N,O-carboxymethyl chitosan/β-tricalcium phosphate for bone regeneration)
Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cho thấy nồng độ của OA và các tỷ lệ OA:NOCC khác nhau đã ảnh hưởng đến sự hình thành hydrogel, đặc điểm, khả năng tương thích tế bào trong ống nghiệm và quá trình sửa chữa xương in vivo. Trong các kết quả thử nghiệm khả năng tạo gel của hydrogel, hydrogel với mã nhận diện OA3NO13 (dựa trên 3%(w/v) OA, 3%(w/v) NOCC (tỷ lệ thể tích OA:NOCC là 1:3) và 20% (w/w) β-TCP) mang lại kết quả tốt nhất: thời gian đông kết nhanh chóng, cấu trúc xốp liên kết với độ xốp cao nhất, khả năng trương nở chấp nhận được và khả năng phân hủy, cường độ nén cao, khả năng tương thích tế bào in vitro cao và khả năng tái tạo xương in vivo đầy hứa hẹn.
Các mẫu hydrogel với nồng độ alginate và chitosan khác nhau
(Nguồn: Fabrication of in situ crosslinking hydrogels based on oxidized alginate/N,O-carboxymethyl chitosan/β-tricalcium phosphate for bone regeneration)
Nghiên cứu trên đã cho thấy tiềm năng của hydrogel từ alginate, carboxymethyl chitosan và β-tricalcium phosphate có thể giúp bệnh nhân hình thành xương nhanh chóng và đồng đều hơn so với các phương pháp trước đây.
Lĩnh vực nghiên cứu vật liệu y sinh dạng hydrogel tại Việt Nam vẫn còn tương đối mới, tiềm năng khai thác còn rất nhiều. Hiện các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu tạo ra nhiều sản phẩm mới để phục vụ tốt hơn các nhu cầu của người bệnh bị loãng xương hay mất xương. Ngoài ra, hydrogel cũng còn được các nhà nghiên cứu ứng dụng để sản xuất ra các loại vật liệu mới nhằm phục hồi và tái tạo các bộ phận cơ thể người, ví dụ như các loại mực sinh học,...
Duy Sang
--------------------------------------------------------------------------------
Chú thích
[1] F. Lim, A.M. Sun (1980), “Microencapsulated islets as bioartificial endocrine pancreas”, Science, 210(4472), pp.908-910
[2] I.V. Yannas et al.(1989), “Synthesis and characterization of a model extracellular matrix that induces partial regeneration of adult mammalian skin”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 86, pp.933-937
[3] B. H. Fellah et al.(2006), “Bone repair using a new injectable self-crosslinkable bone substitute”, Journal of Orthopaedic Research, pp.628-635
[4] J. Kim et al. (2007), “Bone regeneration using hyaluronic acid-based hydrogel with bone morphogenic protein-2 and human mesenchymal stem cells”, Biomaterials, pp.1830-1837
--------------------------------------------------------------------------------
Tài liệu tham khảo chính
– Binh Thanh Vu et al. Fabrication of in situ crosslinking hydrogels based on oxidized alginate/N,O-carboxymethyl chitosan/β-tricalcium phosphate for bone regeneration. Journal of Science: Advanced Materials and Devices.
– Mỹ Hạnh. Hydrogel tái tạo xương: Rút ngắn thời gian hình thành xương cho người bệnh. https://khoahocphattrien.vn/khoa-hoc/hydrogel-tai-tao-xuong-rut-ngan-thoi-gian-hinh-thanh-xuong-cho-nguoi-benh/20220922031756694p1c160.htm
– Nguyễn Chí Thiện và cộng sự. Vật liệu hydrogel - Tính chất và tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
– Nguyễn Thị Phương. Ứng dụng hydrogel composite biphasic calcium phosphate/gelatin/oxidized alginate trong lĩnh vực tái tạo xương. Tạp chí Khoa học công nghệ và Thực phẩm.
– Nguyễn Thị Phương và cộng sự. Báo cáo nghiệm thu Hoàn thiện quy trình tổng hợp hydrogel composite sinh học trên cơ sở biphase calcium phosphate-oxidized alginate, gelatin ứng dụng làm vật liệu thay thế tạm thời và hỗ trợ quá trình tái tạo xương. Tạp chí Khoa học công nghệ và Thực phẩm.
– Short et al. Hydrogels That Allow and Facilitate Bone Repair, Remodeling, and Regeneration. Journal of Materials Chemistry.
– X. Bai et al. Bioactive hydrogels for bone regeneration. Bioactive Materials.