V. VẬT LIỆU SINH HỌC TẠO KHUNG (SCAFFOLD) TRONG KỸ NGHỆ MƠ
V.5.Các hạn chế của scaffold kỹ nghệ mơ
- Sự phân hủy các polymer tổng hợp, cả trong điều kiện in vitro và in vivo, giải phĩng các sản phẩm phụ cĩ tính acid khiến cho vi mơi trường scaffold khơng lý tưởng cho sự tăng trưởng mơ. PLLA phân hủy sẽ giải phĩng acid lactic làm giảm pH, điều này thúc đẩy tốc độ phân hủy do tự xúc tác, kết quả là mơi trường acid cao kề sát polymer. Một mơi trường như thế cĩ hại đến chức năng của tế bào. Các tế bào bám trên scaffold được nuơi cấy in vitro trong vài tuần trước khi khối mơ thích hợp cho việc cấy ghép. Trong suốt thời gian này, ngay cả các thay đổi nhỏ về pH trong vi mơi trường scaffold cũng cĩ ảnh hưởng đáng kể đến các tế bào. Hơn nữa, các polymer tổng hợp hiện tại khơng cĩ hĩa bề mặt tương tự với tế bào mà phát triển mạnh trên nền ngọai bào bằng collagen, elastin, glycoprotein,
proteoglycans, laminin và fibronectin. Giống như các polymer tự nhiên khác, collagen cĩ thể gây ra đáp ứng miễn dịch. Cĩ thể làm giảm tính kháng nguyên của collagen bằng cách xử lý pepsin để lọai những vùng telopeptid hoặc bằng cách khâu mạch.
- Các phương pháp chế tạo scaffold khơng thể kiểm sĩat chính xác kích thước lỗ, hình dạng lỗ, sự phân bố khơng gian của các lỗ và cấu trúc các kênh bên trong scaffold. Phương pháp lọc gián đọan qua khuơn dung mơi khơng thể đảm bảo nội liên kết của các lỗ vì điều này phụ thuộc vào các hạt muối kế cận cĩ tiếp xúc hay khơng. Hơn nữa, các lớp vỏ tạo thành trong suốt quá trình bốc hơi và kết tụ các hạt muối khiến cho việc kiểm sĩat kích thước lỗ khĩ khăn. Ngịai ra, chỉ cĩ thể tạo ra các lớp scaffold mỏng vì khĩ lọai được các hạt muối sâu bên trong khuơn nền. Đối với phương pháp bọt khí, chỉ cĩ 10 – 30% lỗ được nội liên kết. Các lưới sợi cĩ tính cơ học yếu. Trừ phương pháp bọt khí và phương pháp khuơn tan chảy, các phương pháp chế tạo scaffold đều sử dụng các dung mơi hữu cơ như chloroform và methylene chloride để hịa tan các polymer tổng hợp trong một số giai đọan của quy trình. Sự hiện diện của dung mơi hữu cơ cịn dư lại là vấn đề quan trọng nhất mà các phương pháp này phải đương đầu vì nguy cơ độc tố và gây ung thư đối với tế bào.
- Các phương pháp này tạo ra các scaffold cĩ cấu trúc lỗ xốp. Sau đĩ, cấy tế bào và các tế bào này tăng trưởng trong scaffold. Tuy
nhiên, phương pháp này chỉ tạo ra các mơ tăng trưởng in vitro cĩ thiết diện dưới 500µm từ bề mặt. Điều này cĩ lẽ do sự kiềm chế khuếch tán của xốp. Các tế bào cĩ thể dễ dàng di chuyển vào những phần bên ngịai nhất của scaffold và khơng thể phân bố đồng nhất trong khắp scaffold vì tính di động ngẫu nhiên và sự khuếch tán dưỡng chất hạn chế. Hầu hết các tế bào khơng thể di cư
vào bên trong sâu hơn 500µm. Để khắc phục tình trạng này, thêm tế bào vào scaffold trong suốt quá trình thiết kế để kiểm sĩat tốt hơn sự phân bố tế bào. Tuy nhiên, điều này khơng thể thực hiện được với hầu hết các quy trình thiết kế scaffold vì cĩ liên quan đến các hĩa chất độc và nhiệt mà sẽ làm tổn thương các tế bào sống.
Sơ đồ sau đây thể hiện sự kiềm chế khuếch tán của các scaffold kỹ nghệ mơ
Scaffold kỹ nghệ mơ cĩ cấu trúc xốp mở. Oxy và dưỡng chất được cung cấp từ mơi trường lỏng nuơi cấy tế bào.
Cấy tế bào trên scaffold.
Các tế bào bắt đầu tăng sinh và di cư vào các lỗ của scaffold.
Các tế bào lấp đầy các lỗ và bắt đầu tiết ECM của riêng chúng.
Lớp tế bào trên cùng tiêu thụ phần lớn oxy và dưỡng chất, làm hạn chế sự khuếch tán của các thành phần này, do đĩ làm giảm số tế bào tiên phong di cư sâu vào bên trong scaffold. Cuối cùng, sự di cư của tế bào bị dừng lại do thiếu oxy và dưỡng chất cung cấp. Lớp tế bào cĩ thể sống sĩt nhờ sự khuếch tán của oxy và dưỡng chất từ mơi trường được gọi là độ sâu thâm nhập tế bào (Cellular penetration depth - Dp).
Đối với kỹ nghệ mơ xương, tốc độ chuyển dưỡng chất và oxy nhanh tại bề mặt scaffold kích thích sự khống hĩa bề mặt scaffold, làm hạn chế sự chuyển khối vào bên trong scaffold. Do đĩ, các tế bào chỉ cĩ thể sống sĩt gần bề mặt. Khơng cĩ tế bào nào, ngoại trừ tế bào sụn, tồn tại cách xa nguồn cung cấp máu 25 – 100 µm. Nhu cầu thấp về oxy của tế bào sụn cĩ thể là lý do tại sao chỉ cĩ mơ này được tăng trưởng thành cơng invitro với thiết diện dày hơn 1mm bằng cách sử dụng các phương pháp chế tạo scaffold truyền thống.
Da là một mơ 2D nên khơng yêu cầu thiết diện dày. Điều đĩ giải thích sự thành cơng của việc sản xuất mơ da với các phương pháp chế tạo scaffold truyền thống.
- Ngay cả khi các tế bào đã phân bố khắp scaffold quy mơ lớn, vẫn cần cung cấp mạch máu để nuơi dưỡng các tế bào ở sâu
bên trong scaffold. Các mơ mạch xung quanh cĩ thể tăng trưởng vào trong một scaffold cấy ghép nhưng phải mất thời gian cho quá trình
phát triển mạch này, do đĩ các tế bào ở sâu bên trong cĩ thể chết khi mạch máu phát triển tới.