Tạo màng tim vô bào dị loại làm giá thể cho tế bào gốc hướng đến điều trị các bệnh lý tim mạch

Thành phần và cấu tạo của xương

Xương là một vật liệu composite, bao gồm chất nền hữu cơ, khoáng chất, tế bào và nước Sự kết hợp giữa khoáng chất và chất nền hữu cơ mang lại cho xương tính chất cơ học vượt trội, kết hợp giữa tính giòn của khoáng chất và tính đàn hồi của chất nền hữu cơ.

Xương được cấu tạo từ các tế bào sống nằm trong chất nền hữu cơ-khoáng, bao gồm khoảng 30% thành phần hữu cơ chủ yếu là collagen và 70% thành phần vô cơ chủ yếu là hydroxyapatite (HAp) Các bó sợi collagen mang lại tính co dãn, trong khi các tinh thể hydroxyapatite kết hợp với collagen tạo nên tính chịu nén cho xương, giúp xương vừa linh hoạt vừa vững chắc.

Collagen loại I đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc của xương, chiếm khoảng 30% khối lượng chất nền khô không khử khoáng Đây là một dị polymer, bao gồm hai chuỗi giống nhau và một chuỗi riêng biệt, với cấu trúc chính là (Gly-X-Y)n, trong đó Gly là glycine, X và Y là các amino acid khác.

Collagen thường chứa các acid amino như proline hoặc hydroxyproline, với cấu trúc phổ biến nhất là glycin-proline-X và glycin-X-hydroxyproline Trong đó, X có thể là bất kỳ acid amino nào khác ngoài glycin, proline hay hydroxyproline.

Collagen undergoes post-translational modifications to incorporate hydroxylysine, hydroxyproline, and glycosylated hydroxylysine In the extracellular matrix, remaining hydroxylysine contributes to the formation of stable collagen cross-links, enhancing the structural integrity of collagen.

Chất nền hữu cơ của xương chứa một lượng nhỏ collagen loại III, V và XII, ảnh hưởng đến tính chất của mô xương Các tinh thể khoáng được liên kết với trục collagen, nhưng khi collagen bị thay đổi do đột biến di truyền, như trong bệnh xương giòn, tinh thể khoáng có kích thước nhỏ hơn so với người có xương khỏe mạnh Điều này cho thấy collagen có vai trò quan trọng trong việc duy trì cấu trúc và tính chất của xương, cũng như trong sự tạo khoáng thích hợp của xương.

Thành phần khoáng vô cơ của xương (bone mineral) là các muối của calcium và phosphate, trong đó thành phần chính là hydroxyapatite với công thức hóa học

Ca 10 (PO4) 6 (OH) 2 là thành phần chính của xương, với tỉ lệ mol Ca:P dao động từ 1,3 đến 1,9 Tỉ lệ này chịu ảnh hưởng bởi sự đóng góp của các phosphate hữu cơ trong chất nền xương và bản chất của các khoáng chất có trong xương.

Ngoài ra, thành phần khoáng vô cơ của xương còn có các vết của các nguyên tố magnesium, sodium, potassium và muối carbonate

Hiện tượng tạo khoáng xương đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành xương, với cơ chế thực hiện thông qua quá trình tạo khoáng sinh học trong môi trường tế bào Tạo khoáng sinh học xương diễn ra nhờ sự trung gian tế bào ở cả bên ngoài và bên trong bộ khung xương Chất nền protein, thường là anion, không chỉ hoạt động như hạt nhân tạo mầm kết tinh mà còn điều chỉnh các quá trình khoáng hóa.

Trong quá trình hình thành xương, sự tạo khoáng ban đầu xảy ra dọc theo chất nền collagen, được coi là mầm của apatite Khi các tinh thể khoáng chất đầu tiên hình thành, chúng phát triển qua quá trình kéo dài và kết tụ Kích thước của các tinh thể khoáng chất trong xương rất nhỏ, và khoảng cách giữa các sợi collagen cùng với các chất nền protein đóng vai trò điều chỉnh kích thước và hình dạng của các tinh thể này Các chất nền protein không chỉ ổn định các mầm tinh thể đầu tiên mà còn ảnh hưởng đến hình dạng và kích thước của chúng, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tăng sinh khoáng chất.

Quá trình lắng đọng khoáng chất trong xương diễn ra trong suốt sự phát triển và tái tạo xương, liên quan đến nhiều yếu tố như tế bào, chất nền ngoại bào hữu cơ và các quá trình hóa lý phức tạp Khoáng chất trong xương có thành phần và kích cỡ đa dạng, nhưng luôn gắn liền với chất nền collagen, tạo nên cấu trúc vững chắc cho xương.

Vật liệu dùng cấy ghép và tái tạo xương

Vật liệu y sinh đang được nghiên cứu mạnh mẽ để thay thế các bộ phận cơ thể và cấy ghép mô, xương, nhằm chữa trị và tái tạo các mô và cơ quan bị mất do chấn thương, bệnh tật hoặc lão hóa Trong những năm gần đây, đã có nhiều tiến bộ trong cấy ghép nội tạng, phẫu thuật tái tạo và sử dụng mô nhân tạo Sự phát triển của khoa học công nghệ đã tạo ra nhiều vật liệu mới phục vụ cho cấy ghép và tái tạo xương.

Phương pháp ghép xương tự thân, sử dụng xương từ chính cơ thể người nhận ghép, được coi là tốt nhất nhờ khả năng tạo xương cao và không gây phản ứng thải ghép Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là bệnh nhân cần trải qua thêm một ca phẫu thuật để lấy xương, điều này có thể dẫn đến các biến chứng không mong muốn.

Phương pháp ghép xương đồng chủng sử dụng xương từ người hiến tặng, mang lại lợi ích như tính tạo xương và tương hợp sinh học cao, đồng thời không giới hạn về lượng xương sử dụng và loại bỏ nhu cầu phẫu thuật lấy xương từ cơ thể bệnh nhân Tuy nhiên, phương pháp này cũng tiềm ẩn nguy cơ phản ứng miễn dịch do tính kháng nguyên của vật liệu ghép và khả năng lây nhiễm bệnh.

Phương pháp ghép xương dị chủng sử dụng xương từ các loài khác như bò, heo hoặc san hô, đã được xử lý và kiểm tra nghiêm ngặt để loại bỏ mầm bệnh Vật liệu này có khả năng kích thích tạo xương, giúp bệnh nhân tránh phải phẫu thuật lấy xương Tuy nhiên, do sự khác biệt về loài, vật liệu này có tính tương hợp sinh học kém và có nguy cơ bị thải trừ cao do phản ứng miễn dịch Ở một số quốc gia, việc sử dụng loại vật liệu này còn bị hạn chế do quan niệm tôn giáo.

Phương pháp ghép xương sử dụng vật liệu y sinh tổng hợp đang thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu nhờ vào những lợi ích nổi bật như tính tương hợp sinh học cao, nguồn vật liệu dồi dào và không tiềm ẩn nguy cơ lây nhiễm bệnh.

Công nghệ mô xương sử dụng vật liệu sinh học như tế bào, gene và protein để tái tạo xương, với ba chức năng chính: cung cấp hình dạng giải phẫu chính xác, đáp ứng tính cơ lý tạm thời và tăng cường khả năng tái tạo của các yếu tố sinh học Thiết kế vật liệu cần đạt sự cân bằng giữa khả năng chịu tải lực và yêu cầu tái tạo mô, trong đó vật liệu xốp phải có độ cứng tương đương với mô xương Nghiên cứu cho thấy rằng thành phần và cấu trúc vật liệu ảnh hưởng đến tái tạo mô, với đường kính lỗ xốp trung bình quyết định sự phát triển của xương Hơn nữa, hình dạng vật liệu cần phù hợp với khuyết tật xương, điều này rất quan trọng trong các lĩnh vực phẫu thuật tái tạo và chỉnh hình phức tạp, với các hình dạng được xác định qua CT hoặc MRI.

Mô phỏng sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển vật liệu cho tái tạo mô Thuật ngữ này chỉ việc mô phỏng các thành phần, cấu trúc và quy trình sinh học Trong thiết kế vật liệu, phỏng sinh học liên quan đến việc áp dụng các yếu tố về thành phần, cấu trúc và chức năng của vật liệu cho mô xương.

Việc thiết kế vật liệu mô phỏng sinh học, đặc biệt là xương nhân tạo, gặp nhiều thách thức phức tạp Các vật liệu mô xương xốp nhân tạo hiện tại chỉ đạt được ở cấp độ một về thành phần và cấu trúc vi mô, thiếu đi yếu tố mô phỏng sinh học Để cải thiện thiết kế, cần áp dụng dữ liệu chụp ảnh cắt lớp ba chiều nhằm tạo ra thành phần và cấu trúc phỏng sinh học hiệu quả Khi phát triển vật liệu mô phỏng sinh học, cần chú ý đến các yếu tố quan trọng để đảm bảo tính năng và hiệu quả của sản phẩm.

Để đảm bảo các vật liệu sinh học tương thích với tính chất của xương, độ cứng của chúng cần phải tương đương với độ cứng của xương.

-Thứ hai, thành phần, cấu trúc xốp của vật liệu phải phù hợp thành phần, cấu trúc xương tự nhiên

Các mô tái tạo cần có thành phần, cấu trúc và tính chất tương tự như mô xương tự nhiên Điều này đảm bảo rằng vật liệu sử dụng trong kỹ thuật mô xương đáp ứng các yêu cầu cần thiết để hỗ trợ quá trình phục hồi và tái tạo xương hiệu quả.

Theo tiêu chuẩn ASTM F2150-02, vật liệu kỹ thuật mô xương được sử dụng làm chất hỗ trợ, chất vận chuyển thuốc, và chất nền cho sự chuyển vị, liên kết, và vận chuyển tế bào hoặc phân tử sinh học Những vật liệu này không chỉ hỗ trợ quá trình phục hồi vết thương mà còn đóng vai trò như khuôn mẫu tạm thời cho tế bào bám dính và phát triển Chúng có khả năng tổng hợp mạng protein ngoại bào (ECM) và tạo ra các mô mới, đồng thời giảm cấp để các cơ quan và mô tự nhiên có thể hình thành, thay thế vật liệu cấy ghép.

Nghiên cứu các tính chất của vật liệu sử dụng trong mô xương là rất quan trọng, bao gồm tính chất bề mặt, tính chất vật lý, tính chất cơ học và tính chất giảm cấp Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và khả năng tương thích của vật liệu trong ứng dụng y tế.

Bề mặt của vật liệu đóng vai trò quan trọng trong sự tương tác với tế bào, vì một bề mặt hóa học phù hợp sẽ kích thích tế bào bám dính, phát triển và biệt hóa.

Vật liệu có cấu trúc xốp với kích thước lỗ xốp phù hợp đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển tế bào, vận chuyển chất dinh dưỡng và trao đổi chất Kích thước lỗ xốp thích hợp không chỉ cho phép tế bào di chuyển vào bên trong mà còn hỗ trợ sự phát triển của xương bên trong vật liệu.

Tính chất cơ học là yếu tố quan trọng trong thiết kế vật liệu, đặc biệt là khi vật liệu cần có tính tương đồng với mô ở vùng cấy ghép Những đặc điểm này phụ thuộc vào bản chất, thành phần, cấu trúc và chất nền của toàn bộ trạng thái xốp Đáng chú ý, tính chất cơ học có thể được điều chỉnh để phù hợp với yêu cầu cụ thể.

Hydrogel

Vào năm 1955, Lim và các cộng sự đã phát minh ra hydrogel đầu tiên, mở ra tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh Từ đó đến nay, hydrogel đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Hydrogel là các polymer liên kết với nhau, có khả năng hấp thụ nước lớn nhờ tính ưa nước của chúng Thành phần và cấu trúc của hydrogel có thể được thiết kế cho các ứng dụng chuyên biệt thông qua việc lựa chọn vật liệu ban đầu và quy trình kỹ thuật phù hợp Phân loại hydrogel đa dạng, phản ánh tính chất và ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Hydrogel có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm nguồn gốc, thành phần polymer và loại liên kết ngang Trong nghiên cứu này, chúng tôi phân loại hydrogel dựa trên phương pháp hình thành các liên kết ngang, bao gồm cả phương pháp vật lý và hóa học.

Hydrogel có thể được phân loại dựa trên hai loại liên kết ngang: gel hóa học, liên quan đến mối tương tác hóa học giữa các phân tử polymer, và gel vật lý, liên quan đến mối tương tác vật lý giữa chúng Các phương pháp tạo liên kết ngang khác nhau được áp dụng để sản xuất hydrogel với những đặc tính riêng biệt như thời gian gel hóa, tính chất cơ lý và tương hợp sinh học Những đặc tính này đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng cấy ghép và tái tạo mô.

Tổng hợp hydrogel là quá trình hình thành các liên kết ngang giữa các phân tử polymer trong môi trường nước thông qua nhiều phương pháp khác nhau Các phương pháp này bao gồm polymer hóa gốc tự do, tạo liên kết ngang qua phản ứng nhóm chức của polymer, sử dụng phản ứng xúc tác enzyme, và tạo liên kết ngang bằng phức lập thể Ngoài ra, còn có các phương pháp như tạo liên kết ngang bằng tác dụng nhiệt, tạo siêu phân tử, sử dụng phức cyclodextrin, và kết hợp tương tác vật lý với tương tác hóa học.

Hydrogel composite

a Một số khái niệm cơ bản về composite

Hydrogel và hydrogel composite đã đƣợc thống nhất nhƣ sau:

Vật liệu composite là loại vật liệu được tạo ra từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau, nhằm tạo ra một vật liệu mới với các tính năng ưu việt từ các thành phần ban đầu.

-Hydrogel là các polymer được liên kết với nhau, bản chất ưa nước của polymer dẫn tới hydrogel có thể hấp thụ một lượng nước lớn [22-26]

Hydrogel composite là loại vật liệu kết hợp giữa polymer và các hạt gia cường, có thể bao gồm polymer tự nhiên hoặc tổng hợp Chúng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cấy ghép và tái tạo xương, nhờ vào khả năng tương thích sinh học và tính linh hoạt trong thiết kế.

Nghiên cứu và phát triển vật liệu thay thế xương để sửa chữa các khuyết tật xương do chấn thương hoặc bệnh đã bắt đầu từ đầu thế kỷ 20 Vào thời kỳ này, việc lựa chọn vật liệu phù hợp để lấp đầy các khuyết tật xương và đảm bảo cơ thể không đào thải vật liệu ghép là rất quan trọng Hiện nay, vật liệu thay thế xương được phân loại thành ba thế hệ khác nhau.

Vật liệu sinh học thế hệ thứ nhất, hay còn gọi là "vật liệu truyền thống", là những vật liệu có khả năng tồn tại trong cơ thể mà không bị đào thải Tuy nhiên, chúng không mang lại bất kỳ ảnh hưởng đặc biệt nào đối với tế bào.

Vật liệu sinh học thế hệ thứ hai có khả năng tương tác tích cực với mô xương xung quanh, thúc đẩy quá trình di chuyển của tế bào xương, từ đó hỗ trợ hình thành mô xương hiệu quả hơn.

Vật liệu thế hệ thứ ba là loại vật liệu sinh học có khả năng giảm dần, giúp kích thích sự hình thành mô xương mới và thay thế hiệu quả cho các vật liệu cấy ghép truyền thống.

Xương là một loại vật liệu composite được hình thành từ collagen và hydroxyapatite (HAp), có cấu trúc không gian ba chiều xốp Trong các lỗ xốp của xương, các mạch máu phát triển, giúp vận chuyển các chất dinh dưỡng và sản phẩm từ quá trình chuyển hóa tế bào.

Quá trình lành xương bao gồm những giai đoạn sau:

-Giai đoạn cục máu đông: cục máu đông có vai trò đồng hóa dịch cơ thể, chứa các thành phần quan trọng cho sự tái tạo mô

-Giai đoạn tân tạo mạch máu: sự phát triển mạch máu mang tế bào cần thiết đến sửa chữa mô

Trong giai đoạn tiêu dần, cục máu đông được thay thế bởi các tế bào dạng nguyên bào sợi, chúng bao quanh các thành phần và cấu trúc của mạch máu.

-Giai đoạn lắng đọng calcium, tạo xương: xương mới được hình thành nhờ sự tiêu xương và lắng đọng calcium

Vật liệu y sinh tổng hợp cho xương cần đảm bảo tính tạo xương (osteogenesis), tức là khả năng liên kết trực tiếp với xương.

-Tính kích tạo xương (osteoinduction): khả năng kích thích tế bào gốc biệt hóa tế bào xương

-Tính dẫn tạo xương (osteoconduction): khả năng kích thích sự di chuyển tế bào gốc từ mô xương vào khoảng trống trong vật liệu

-Tính tự tiêu sinh học: vật liệu ghép tự tiêu đi trong một khoảng thời gian thích hợp tạo khoảng trống cho sự tạo xương mới

Ngoài ra vật liệu y sinh tổng hợp dùng cho xương phải đáp ứng các yêu cầu sau:

Vật liệu có tính tương hợp sinh học và hoạt tính sinh học cao, giúp tăng cường khả năng bám dính của tế bào xương, đồng thời kích thích quá trình tạo xương và khoáng hóa xương.

-Liên kết trực tiếp với xương dẫn đến sự tái sinh xương mà không cần mô trung gian

-Có thành phần, cấu trúc xốp giúp lưu thông dịch cơ thể, tế bào, các yếu tố chuyển hóa xương và mạch máu

-Vật liệu có thể cắt thành hình dạng phù hợp với hình dạng của khiếm khuyết xương

-Khối lượng giảm cấp của vật liệu phù hợp tốc độ phát triển của xương -Vật liệu có thể sản xuất với khối lƣợng lớn

Vật liệu sinh học cho xương cần có thành phần và cấu trúc tương đồng với xương tự nhiên, đồng thời phải đảm bảo tính tương hợp sinh học và giảm cấp sinh học Cấu trúc ba chiều xốp của vật liệu không chỉ phù hợp với sự phát triển của tế bào mà còn giúp hấp thụ máu, từ đó thúc đẩy quá trình lành xương hiệu quả.

Hydrogel là một vật liệu có cấu trúc không gian ba chiều xốp và thành phần sinh học tương tự như ma trận ngoại bào Với khả năng giữ nước vượt trội, hydrogel hỗ trợ việc vận chuyển dưỡng chất và sản phẩm chuyển hóa tế bào, từ đó thúc đẩy quá trình trao đổi chất Tuy nhiên, các polymer tạo thành hydrogel không có khả năng tạo khoáng và không kích thích sự hình thành liên kết hóa học với mô xương.

Gần đây, các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển vật liệu hydrogel composite có khả năng tạo khoáng cho xương, bằng cách bổ sung các chất như calcium phosphate vào ma trận hydrogel Vật liệu này có ưu điểm với thành phần và cấu trúc tương tự như xương, đồng thời có tính tương hợp sinh học cao và khả năng giảm cấp sinh học, cho phép thay thế bằng xương mới Calcium phosphate không chỉ thúc đẩy quá trình khoáng hoá mà còn cải thiện tính chất cơ học của vật liệu Sự phân tán của calcium phosphate trong polymer tự nhiên cung cấp mầm cho lớp khoáng hóa và hỗ trợ di chuyển tế bào xương đến vùng bị tổn thương, từ đó thúc đẩy tái tạo xương Vì vậy, hydrogel composite dựa trên calcium phosphate và polymer tự nhiên đáp ứng các yêu cầu của vật liệu y sinh cho xương, tương thích với mạng ngoại bào của tế bào Thêm vào đó, vật liệu này dễ tạo hình với cấu trúc ba chiều xốp, tạo không gian cho sự phát triển của tế bào xương và sự xâm nhập của mạch máu.

Tóm lại, hiện nay vật liệu hydrogel composite với hạt calcium phosphate đang được kỳ vọng nhiều nhất trong lĩnh vực cấy ghép và tái tạo xương.

Biphasic calcium phosphate

Calcium phosphate là một thành phần quan trọng trong vật liệu cấy ghép và tái tạo xương, nhờ vào tính tương hợp sinh học, khả năng dẫn tạo xương và kích tạo xương Với khả năng tạo liên kết trực tiếp với xương, calcium phosphate có tiềm năng lớn cho ghép xương Quá trình tan dần của calcium phosphate cung cấp các ion Ca²⁺ và PO₄³⁻, hỗ trợ hình thành xương Hơn nữa, sự hòa tan này dẫn đến kết tủa carbonate apatite, có thành phần và cấu trúc tương tự như các khoáng chất sinh học của xương.

Canxi phosphate được sử dụng trong y sinh với các dạng như hydroxyapatite (HAp), β-tricalcium phosphate (β–TCP), calcium phosphate vô định hình (ACPs) và calcium phosphate pha kép (BCP) Những loại này không chỉ khác nhau về thành phần mà còn về độ tan, tính tương hợp sinh học và các tính chất cơ lý.

Calcium phosphate là một vật liệu sinh học quan trọng, thường được sử dụng trong việc sửa chữa mô xương Vật liệu này không chỉ hỗ trợ sự bám dính và phát triển của tế bào xương mà còn kích thích quá trình hình thành xương mới.

Sự kích tạo xương là khả năng của vật liệu kích thích tế bào gốc phát triển thành tế bào xương Mức độ kích tạo xương của các loại calcium phosphate khác nhau phụ thuộc vào từng loại, với thứ tự hiệu quả như sau: β-TCP vượt trội hơn BCP, tiếp theo là HAP và cuối cùng là ACP.

Calcium phosphate pha kép (biphase calcium phosphate - BCP) là sự kết hợp giữa HAp và β-TCP, được nghiên cứu vì ảnh hưởng tích cực đến quá trình tái tạo xương, vượt trội hơn so với HAp hoặc β-TCP đơn lẻ BCP có tốc độ tan phù hợp với tốc độ tái tạo xương và khả năng kích thích tạo xương Năm 1983, Klein và cộng sự đã phát triển ghép xương bằng gốm chứa 100% HAp, nhưng tốc độ phát triển xương chậm Ngược lại, ghép xương chứa 100% β-TCP do L.Geroa và nhóm nghiên cứu tạo ra có tốc độ phát triển xương non quá nhanh, dẫn đến kết quả không đạt yêu cầu Do đó, việc chế tạo ghép tổ hợp 2 pha giữa HAp và β-TCP sẽ tạo ra vật liệu có tính tương thích sinh học tốt hơn BCP được xem là tiềm năng hàng đầu cho ghép xương nhờ thành phần gần gũi với khoáng chất sinh học của xương, đồng thời phóng thích các ion Ca²⁺ và PO₄³⁻, hỗ trợ quá trình tạo xương.

Trong những năm gần đây, nghiên cứu ứng dụng vật liệu xốp BCP đã phát triển nhanh chóng, với nhiều công trình đáng chú ý Năm 2003, Bagot và cộng sự đã khảo sát ứng dụng BCP trong phẫu thuật xương tai, trong khi Nich và cộng sự cùng năm đó nghiên cứu BCP cấy ghép trong xương hông Đến năm 2005, Livingston và nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu ảnh hưởng của BCP lên tế bào gốc người, góp phần vào sự hình thành xương Năm 2006, Mastrogiacomo và cộng sự đã nghiên cứu tác động của BCP trong quá trình tạo thành xương in vitro, và cùng năm, Ogose cùng nhóm đã thực hiện đánh giá mô học BCP ghép trên xương người.

Năm 2011, Bahman và cộng sự đã tổng hợp nano β-TCP bằng phương pháp kết tủa Trước đó, vào năm 2007, Lee và các cộng sự đã thành công trong việc tổng hợp bột BCP kích thước nano dạng hình cầu thông qua phương pháp vi sóng Đến năm 2013, Wen và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng BCP làm chất mang thuốc Gentamicin để chống viêm tủy xương.

Có nhiều phương pháp tổng hợp calcium phosphate, được chia thành hai nhóm chính: phương pháp ướt và phương pháp khô, cùng với phương pháp vật lý và phương pháp hóa học.

Phương pháp ướt là một kỹ thuật tổng hợp hydroxyapatite (HAp) từ dung dịch chứa các nguyên liệu khác nhau, bao gồm các phương pháp như kết tủa, sol-gel và phun sấy Một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng điều chỉnh kích thước hạt HAp, giúp tối ưu hóa tính chất của sản phẩm cuối cùng.

Phương pháp kết tủa là một kỹ thuật tổng hợp hydroxyapatite (HAp) thông qua quá trình kết tủa từ các ion Ca2+ và PO43- Phương pháp này có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau và được phân chia thành hai nhóm chính.

Phương pháp kết tủa từ các muối dễ tan trong nước sử dụng các muối như Ca(NO3)2, CaCl2, (NH4)2HPO4 và NH4H2PO4 Phản ứng kết tủa này diễn ra theo phương trình (1.1), cho phép thu được sản phẩm mong muốn một cách hiệu quả.

10Ca(NO 3 ) 2 + 6(NH 4 ) 2 HPO 4 + 8NH 4 OH = Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 20NH 4 NO 3 + 6H 2 O (1.1)

Phương pháp kết tủa từ các hợp chất chứa Ca²⁺ ít tan trong nước diễn ra thông qua phản ứng giữa Ca(OH)₂, CaO, CaCO₃ với acid H₃PO₄ trong môi trường kiềm Phản ứng này được thể hiện theo phương trình 1.2.

10Ca(OH) 2 + 6H 3 PO 4 = Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 18H 2 O (1.2)

Trong phương pháp kết tủa, chất lượng và hình dạng của tinh thể HAp và BCP chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như nguyên liệu ban đầu, nhiệt độ, độ pH và môi trường phản ứng.

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật trong đó hệ phân tán bao gồm môi trường liên tục và các tiểu phân nhỏ được phân tán đồng đều Tập hợp các tiểu phân này được gọi là pha phân tán, trong khi môi trường chứa đựng pha phân tán được gọi là môi trường phân tán Khi môi trường phân tán là lỏng và pha phân tán là rắn, tùy thuộc vào kích thước hạt, hệ thống có thể tạo ra huyền phù hoặc hệ keo (sol).

Gel là trạng thái lỏng hoá rắn, được hình thành từ các hệ sol hoặc dung dịch cao phân tử, trong đó cấu trúc mạng không gian chứa đựng phần còn lại của chất lỏng Quá trình tạo gel diễn ra khi hệ sol hoặc dung dịch cao phân tử chuyển đổi thành gel, và ngược lại, tùy thuộc vào các điều kiện cụ thể Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này bao gồm kích thước và hình dạng của hạt keo, nồng độ pha phân tán, nồng độ chất điện ly, nhiệt độ, cũng như cường độ và thời gian khuấy.

Polymer sinh học

Hydrogel được tạo ra từ polymer tự nhiên, thường được ứng dụng trong kỹ thuật mô do tính chất tương tự như ma trận ngoại bào (ECM) tự nhiên Chẳng hạn, polysaccharide mạch thẳng và ưa nước tương tác thuận lợi trong cơ thể, vì vậy chúng được sử dụng làm vật liệu cấu trúc cho hydrogel trong kỹ thuật mô.

Gelatin là một sản phẩm được chiết xuất từ collagen thông qua quá trình biến tính nhiệt, thường lấy từ da và xương động vật Về cấu trúc, gelatin bao gồm các acid amin liên kết với nhau bằng các liên kết peptide, và khi bị phân hủy bởi enzyme, nó sẽ tạo thành các acid amin Đặc biệt, gelatin có tính tương hợp sinh học cao và không gây phản ứng kháng nguyên.

Gelatin, với các đặc tính sinh học nổi bật, đã được ứng dụng trong lâm sàng từ lâu và hiện đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều sản phẩm y tế được Cục Quản lý Dược và Thực phẩm Hoa Kỳ (FDA) phê duyệt.

Gelatin, tương tự như collagen, có các thuộc tính sinh học quan trọng và đã được nghiên cứu để phát triển keo sinh học với các chất tạo liên kết ngang như resorcinol và formaldehyde Tuy nhiên, việc thương mại hóa keo này gặp khó khăn do các báo cáo về độc tính của formaldehyde trong quá trình sản xuất Gelatin có khả năng tạo liên kết ngang dễ dàng với nhiều chất khác, tạo ra hydrogel có khả năng hấp thụ nước lớn Tùy thuộc vào điều kiện, tính chất điện tích của gelatin có thể thay đổi, dẫn đến điểm đẳng điện khác nhau và khả năng tạo thành phức polyelectrolyte với các polymer ion khác Với tính tương hợp tế bào cao, gelatin là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong kỹ thuật mô.

Nhược điểm của hydrogel từ gelatin là sự giảm khối lượng nhanh chóng, do đó cần phải biến tính gelatin hoặc kết hợp với các chất khác để tạo ra hydrogel có khối lượng giảm cấp phù hợp trong lĩnh vực y sinh Alginate là một trong những lựa chọn có thể được xem xét trong quá trình này.

Alginate là một polymer tự nhiên được chiết xuất từ tảo nâu, bao gồm các đơn vị acid mannuronic (M) và guluronic (G) dưới dạng homopolymeric và heteropolymeric Với tính tương hợp sinh học cao, alginate và các dẫn xuất của nó được ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm và vật liệu y sinh Tuy nhiên, alginate có nhược điểm là tính bám dính tế bào thấp, không hỗ trợ quá trình phát triển của tế bào Để khắc phục điều này, các nhà khoa học đã biến tính alginate và kết hợp với gelatin nhằm tăng cường tính bám dính Quá trình oxy hóa alginate được sử dụng để biến tính, trong đó sodium periodate oxy hóa hai nhóm OH trên carbon 2 và 3 của đơn vị acid uronic, dẫn đến việc cắt vòng carbon và tạo thành hai nhóm CHO.

Phản ứng oxy hóa polysaccharide

- Phản ứng oxy hóa polysaccharide

Since 1990, Van Bekkum and colleagues have employed the TEMPO catalyst [(2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl] for the selective oxidation of primary alcohols, such as those at the C-6 position of cellulose or amylose, resulting in the formation of aldehydes or potentially carboxylic acids.

Phản ứng oxi hóa cũng còn có thể đƣợc thực hiện cắt diol tại C-2 và C-3 của cellulose, amylose, hay xylose) mở vòng và tạo thành 2 nhóm carbonyl

Phản ứng oxi hóa cũng có thể đƣợc thực hiện bởi các enzyme (ví dụ enzyme galactose-6-oxidase) trong môi trương nước

 Phản ứng oxy hóa acid alginic:

Acid alginic là một heteropolysaccharide mạch thẳng thu đƣợc từ thành tế bào của tảo nâu, bao gồm acid d-mannuronic và acid l-guluronic

Alginate không bị phân hủy bởi enzyme trong cơ thể động vật, dẫn đến quá trình thủy phân diễn ra chậm và khó kiểm soát Tuy nhiên, alginate bị oxi hóa có thể điều chỉnh tốc độ thủy phân thông qua việc thay đổi mức độ oxi hóa Phản ứng oxi hóa sodium alginate là một quá trình đặc biệt để biến đổi polysaccharide, trong đó hai nhóm OH trên carbon 2 và 3 của đơn vị acid uronic bị oxi hóa bởi sodium periodate, dẫn đến việc cắt vòng carbon và hình thành nhóm CHO.

Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng oxi hóa alginate có thể được ứng dụng để tạo ra vật liệu hydrogel cho nhiều lĩnh vực khác nhau Jeon và cộng sự đã phát triển hệ hydrogel alginate thông qua phương pháp trùng hợp gốc tự do, trong đó alginate được oxi hóa bằng sodium periodate (NaIO4) với tỷ lệ khác nhau để tạo ra các loại alginate bị oxi hóa ở các mức độ khác nhau, phục vụ cho kỹ thuật mô Kết quả cho thấy, tính chất vật liệu có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi mức độ oxy hóa và nồng độ alginate Các hydrogel alginate này có độ độc tế bào tương đối thấp và tương tác sinh học tốt, mở ra nhiều ứng dụng trong cấy ghép tế bào gốc và kiểm soát phân phối các chất có hoạt tính sinh học.

Vật liệu và mô xương có khả năng kết dính nhờ phản ứng Schiff-base, liên kết giữa các nhóm aldehyde hình thành từ quá trình oxi hóa chitosan và nhóm amine có trong collagen của mô xương.

Hình 1.1: Ảnh minh họa sự tương tác giữa hydrogel trên cơ sở chitosan oxi hóa với collagen trong mô [50]

Ứng dụng của hydrogel composite trong cấy ghép và tái tạo xương

Năm 2012, Kim và cộng sự đã nghiên cứu composite BCP-collagen chứa rhBMP-2 và ảnh hưởng của nó đến sự tái tạo xương Đánh giá sau phẫu thuật cho thấy không có nhiễm trùng tại vùng phẫu thuật Sau 8 tuần, phân tích micro-CT và nhuộm mô xương cho thấy sự hình thành mô xương mới.

Năm 2012, Barbani và cộng sự đã nghiên cứu vật liệu composite Hydroxyapatite/gelatin/gellan cho ứng dụng tái tạo xương Nghiên cứu tập trung vào đặc điểm hình thái học, tính chất hóa lý, cơ học và sinh học của composite, mô phỏng các thành phần của xương Kỹ thuật đông khô được áp dụng để tạo ra cấu trúc xốp cho vật liệu, với phân tích hình thái học cho thấy độ xốp đồng nhất và các lỗ xốp kết nối lẫn nhau.

Sự tương tác giữa các thành phần trong composite đã được xác nhận qua các phương pháp phân tích hóa lý, với phân tích phổ hồng ngoại cho thấy sự tương đồng về thành phần hóa học và tính đồng nhất giữa composite và xương tự nhiên Đặc tính sinh học ban đầu cho thấy tế bào gốc xương người bám dính và phát triển tốt trên vật liệu Sự hình thành liên kết ion giữa ion Ca2+ trong mạng tinh thể HAp và các nhóm carboxyl của acid glucuronic trong chuỗi gellan (GE) cho thấy việc bổ sung GE gel có thể cải thiện tính chất cơ học, nhờ vào tương tác giữa các nhóm carboxylate của GE và amide của gelatin Hơn nữa, liên kết ion mạnh mẽ giữa nhóm carboxyl gel và nhóm amine trong chuỗi peptide như lysine cũng đóng vai trò quan trọng Chuỗi gel được liên kết ngang nhờ tác động của enzyme transglutaminase (TGase), cho thấy sự tương tác giữa các thành phần hữu cơ và vô cơ trong composite là vật liệu tương hợp sinh học Tuy nhiên, vấn đề tạo khoáng và thời gian giảm cấp của vật liệu vẫn chưa được đề cập.

Năm 2012, Isikli và cộng sự nghiên cứu vật liệu composite xốp dựa trên chitosan, gelatin và hydroxyapatite để ứng dụng làm vật liệu cho xương Họ sử dụng 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide (EDC) làm chất tạo liên kết ngang và áp dụng phương pháp đông khô để hình thành cấu trúc xốp Nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của hydroxyapatite không thiêu kết (NSHA) và thiêu kết hydroxyapatite (SHA) đến các đặc tính vật lý, hóa học và sinh học của vật liệu composite Các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hồng ngoại (FTIR) và kính hiển vi quét điện tử (SEM) được sử dụng để phân tích thành phần và cấu trúc của NSHA và SHA Kết quả cho thấy tính chất cơ lý của composite cải thiện khi có NSHA và SHA, với mô đun Young và cường độ nén tương đương với xương xốp của con người Ngoài ra, sự phát triển của tế bào Saos-2 trong điều kiện nuôi cấy in vitro cho thấy mức độ phát triển cao hơn trên vật liệu C-G/SHA so với C-G/NSHA, trong khi sự tạo khoáng và thời gian giảm cấp của vật liệu vẫn chưa được đề cập.

Năm 2013, Hunter và cộng sự đã đánh giá sự phát triển và biệt hóa của tế bào gốc xương người trong điều kiện nuôi cấy với các vật liệu sinh học như hydroxyapatite (HAp), chitosan và gelatin trong tái tạo xương Nghiên cứu tập trung vào sự tương tác của tế bào gốc xương người (hMSC) với màng composite HCG (chitosan, gelatin và HAp), cho thấy màng này hình thành một môi trường sinh học với 60% khối lượng nước và độ cứng ban đầu 20 kPa Màng HCG đã chứng minh khả năng thúc đẩy sự phát triển và biệt hóa của hMSC thông qua việc tương tác với protein huyết thanh và tế bào gốc xương người Kết quả cho thấy màng HCG có thể tạo ra môi trường thuận lợi cho sự phát triển của hMSC, cần thiết cho các ứng dụng trong tái tạo mô xương Tuy nhiên, nghiên cứu chưa khảo sát khả năng tạo khoáng của vật liệu cũng như thời gian giảm cấp của nó.

Năm 2013, Pasqui và cộng sự đã nghiên cứu composite carboxylmethyl cellulose/HAp ứng dụng cho vật liệu xương Tế bào xương MG63 phát triển tốt trên composite này nhờ vào cấu trúc xốp và thành phần của vật liệu, cho phép tế bào xâm nhập và phát triển bên trong Tuy nhiên, vấn đề giảm cấp của vật liệu vẫn chưa được đề cập.

Năm 2013, Khaled và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu in vitro về composite nano-hydroxyapatite/chitosan–gelatin nhằm khảo sát sự tạo khoáng của composite Sử dụng các phương pháp UV-Vis để phân tích nồng độ ion calcium và phosphate trong dung dịch SBF (simulated body fluid) sau khi ngâm composite, cùng với SEM và FTIR để chứng minh sự hình thành khoáng apatite sau 7 ngày ngâm Tác giả đã tổng hợp hydroxyapatite thông qua phương pháp kết tủa H3PO4 (hòa tan chitosan, gelatin) và Ca(OH)2 trong môi trường ethanol Gelatin trong composite không tạo liên kết hóa học với chitosan, dẫn đến việc gelatin dễ tan vào dung dịch và làm giảm cấp của composite khi tăng lượng polymer Do composite không có cấu trúc xốp, tế bào chỉ có thể phát triển trên bề mặt vật liệu.

Năm 2013, Chen và cộng sự nghiên cứu composite hyaluronic acid-chitosan-poly(N-isopropyacrylamide) và biphasic calcium phosphate (HA-CPN/BCP), tạo ra hydrogel composite HA-CPN/BCP nhạy nhiệt có khả năng tiêm vào vùng khiếm khuyết xương, giảm thiểu phẫu thuật Tế bào xương hFOB phát triển tốt trên vật liệu này, và khi được cấy dưới da chuột, đã hình thành mô xương mới tại vị trí cấy ghép Mặc dù composite có cấu trúc xốp và tương hợp sinh học tốt, nhưng tính chất cơ lý của vật liệu còn thấp (E