CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.4 Tổng quan về tơ tằm
2.4.3 Một số dạng cấu trúc và ứng dụng của fibroin
Cấu trúc hạt
SF có cấu trúc dạng hạt có thể được điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau. Công nghệ tự lắp ráp được sử dụng rộng rãi để điều chế các hệ vi hạt và siêu
vi hạt fibroin. Các chuỗi ưa nước (Tyr, Ser) và kỵ nước (Gly, Ala) trong phân tử SF có thể được sắp xếp xen kẽ [98], cho phép các phân tử SF hình thành các micell thông qua cơ chế tự lắp ráp. Bằng cách thêm một lượng EtOH nhất định và dập tắt dưới điểm kết tinh, quá trình tự lắp ráp của SF sẽ được bắt đầu, tạo ra các hệ hạt kích thước từ vi hạt đến siêu vi hạt mà khơng có sự tham gia của các tác nhân độc hại. Kích thước hạt được kiểm soát bởi nồng độ SF, nhiệt độ kết tinh và lượng EtOH thêm vào. Hơn nữa, trong nhiều nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc bổ sung các polymer như polyvinyl alcohol (PVA) đã cải thiện được hình thái của các hệ hạt fibroin. Trong quá trình kết tinh, PVA tạo thành một mạng lưới hydrogel để hạn chế sự tạo mầm của SF. Các hạt SF đều và mịn được hình thành dưới tác động của PVA khơng giống như cấu trúc khơng thể đốn trước của các hạt SF được tạo ra mà khơng có PVA. Một cách khác, dung dịch muối kali photphat cũng được sử dụng để tạo hạt SF, có thể kiểm sốt kích thước từ 500 nm đến 2 µm, đã được Lammel và cộng sự báo cáo trước đây [99]. Cấu trúc thứ cấp và thế zeta của các hạt SF bị ảnh hưởng bởi giá trị pH của dung dịch kali photphate [99]. Zeng và cộng sự đã phát hiện ra sự phân bố trọng lượng phân tử thấp và hẹp hơn của SF có thể thúc đẩy sự hình thành các vi cầu SF với bề mịn hơn và đồng nhất hơn [100].
Ngược lại với các phương pháp hóa học, phay SF là một phương pháp vật lý được sử dụng để tạo ra các hạt SF. Phương pháp phay khơng sử dụng bất kì loại hóa chất mà SF sẽ được nghiền cơ học bằng máy. Kích thước hạt tạo thành sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như loại máy nghiền, khẩu độ của máy lắc sàng rung [97, 98].
Ngồi các phương pháp trên, có nhiều phương pháp khác để điều chế vi hạt và siêu vi hạt SF đã được báo cáo trước đây, trong đó có phun sấy [103], vi mao quản [104] và kĩ thuật tia điện [105].
Các hạt tơ tằm chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng phân phối thuốc. Wenk và cộng sự nhận thấy rằng các vi cầu SF thể hiện gần như 100% hiệu quả bao bọc đối với cả salicylic acid và propranolol hydrochloride [106]. Sự bao bọc các yếu tố tăng trưởng giống insulin I (IGF-I) cũng đạt hiệu quả rất cao. Các vi cầu
29
SF nạp IGF-I được quan sát và cho thấy sự phóng thích liên tục trong bảy tuần ở dạng hoạt tính sinh học [106]. Hơn nữa, các loại thuốc như alcian blue, rhodamine
B và crystal violet được nạp vào các hạt SF được tạo ra dung dịch muối, dựa trên các tương tác tĩnh điện đơn giản [99].
Các hạt SF được sử dụng làm chất mang cho các protein di truyền hình thái xương (BMP) cho thấy sự giải phóng BMP bền vững trong 14 ngày, làm cho chúng hữu ích trong kỹ thuật mô xương [107]. Các hạt nano SF cũng đã được ứng dụng trong việc chữa lành vết thương. Băng ép hydrocolloid được chế tạo có kết hợp các hạt nano SF [108]. Các thí nghiệm đã chứng minh rằng việc bổ sung các hạt nano SF có thể cải thiện sự ổn định cấu trúc của băng và tăng tốc độ phát triển của tế bào. Băng ép hydrocolloid dạng hạt nano SF (SFNHD) cũng được sử dụng trên các mơ hình động vật để điều trị vết thương do bỏng. Kết quả cho thấy SFNHD có thể làm giảm kích thước vết bỏng của chuột và đẩy nhanh sự phát triển của các sợi collagen khi so sánh với băng bó bán sẵn trên thị trường, điều này cho thấy SFNHD có thể là lựa chọn tốt hơn cho vết thương [108].
Cấu trúc phim
SF có cấu trúc phim thường ở dạng màng và thảm. Màng fibroin tơ thường được điều chế bằng cách đúc dung dịch fibroin trong nước [109]. Một số kỹ thuật khác được báo cáo trước đây bao gồm lớp phủ quay [110], lắng đọng dọc [111] và quay lắp ráp từng lớp được hỗ trợ quay [112]. Màng sợi tơ tằm có thể dễ dàng thu được bằng cách đúc dung dịch SF trên một tấm nhẵn và sạch với sự bay hơi tự nhiên sau đó sấy khơ dưới một nhiệt độ nhất định. Sagnella và cộng sự đã báo cáo một phương pháp lắng đọng theo chiều dọc để sản xuất màng. Trong báo cáo của họ, một chiếc kẹp bằng thủy tinh đã được cắm thẳng đứng trong dung dịch SF trong tủ sấy ở nhiệt độ 50℃ và do lực mao dẫn bên và lực căng bề mặt giữa dung dịch fibroin và tấm phủ thủy tinh, dung dịch fibroin tơ tằm có thể đọng lại trên tấm phủ thủy tinh và được làm khô để thu được màng SF trong suốt. Tuy nhiên, màng được chuẩn bị bằng phương pháp này có kết cấu khơng đồng nhất, ngun nhân là do đặc tính cố hữu của phương pháp lắng đọng dọc [111]. Jiang và cộng sự đã phát triển một màng SF siêu mỏng (45±5 nm) được chế tạo bằng kỹ thuật lắp ráp từng lớp; màng cho kết quả hiển thị mô đun đàn hồi cao và độ bền kéo cuối cùng do cấu trúc tự gia cường dần dần của nó [112]. Tính ổn định của màng SF được sử dụng làm vật liệu sinh học là đáng kể; thuộc tính này có thể được cải thiện bằng cách kéo dài [113], ủ nước [114], làm khô chậm [114] và ngâm trong EtOH [115]. MeOH hoặc EtOH thường được sử dụng nhiều nhất để chuẩn bị màng SF không tan trong nước với hàm lượng tấm β tăng lên.
Minoura và cộng sự đã báo cáo rằng màng SF được xử lý bằng MeOH cho thấy tính thấm oxy và hơi nước cao, cũng như các đặc tính cơ học tốt [109]. Terada và cộng sự đã phát hiện ra rằng nồng độ EtOH có thể ảnh hưởng đến tính chất bề mặt của màng. Khi sử dụng EtOH dưới 80% để xử lý màng SF, lớp ngoài cùng của màng fibroin trông giống như thạch, trong khi sau khi xử lý với EtOH trên 90%, bề mặt màng cứng hơn, điều này ảnh hưởng đến sự kết dính và kết tụ của tủa [110]. Tuy nhiên, phim được xử lý bằng
30
EtOH cực kỳ giòn và kém trong suốt, điều này hạn chế việc sử dụng trong thực tế [106, 111]. Màng fibroin tơ tằm được xử lý bằng các kỹ thuật trên có khả năng phân hủy sinh học chậm do hàm lượng tấm β cao của chúng. Để nhấn mạnh sự cần thiết của vật liệu sinh học SF với tốc độ phân hủy gia tăng, màng fibroin bền trong nước với hàm lượng tấm β giảm được chuẩn bị bằng cách ủ trong nước. Jin
và cộng sự nhận thấy rằng sau khi được ủ trong nước trong 24 giờ, các màng SF
hình thành cấu trúc tơ I ổn định và khơng biến đổi thành tơ II với MeOH. Ngồi ra, màng SF được ủ trong nước trong suốt hơn và có thể tránh được các vết nứt do xử lý MeOH [114].
Vật liệu sinh học sợi tơ tằm có cấu trúc màng được sử dụng rộng rãi để làm da nhân tạo, băng vết thương và phân phối thuốc. Tế bào gốc có nguồn gốc từ tủy xương (BMSC) được gieo trên màng SF cho thấy sự tăng sinh tế bào tốt hơn và phản ứng viêm in vivo thấp hơn so với các tế bào được gieo trên polystyrene nuôi cấy mô (TCPS) hoặc collagen [116]. Tế bào gốc tủy xương của con người (hMSCs) gắn hoàn toàn trên màng SF được ủ trong nước hơn là màng được xử lý bằng MeOH
[117]. Màng lụa fibroin/chitosan thể hiện các đặc tính cơ học ưu việt và khả năng thấm hơi nước và oxy tốt, làm cho chúng có thể so sánh với băng vết thương thương mại [118]. Hơn nữa, thảm SF được phủ các hạt nano bạc (AgNPs) đã được cơng bố là có hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả với nồng độ ion bạc tương đối thấp so với băng vết thương thương mại. Do đó, SF có tiềm năng ứng dụng thương mại như băng vết thương kháng khuẩn [119]. Jin và cộng sự đã quan sát thấy rằng BMSCs phát triển với mật độ cao hơn trên thảm SF được chiết xuất PEO so với thảm không được chiết xuất PEO [120]. Hybrid SF với vitamin E cung cấp khả năng kháng oxy hóa nâng cao của nguyên bào sợi da chuột, cho thấy các ứng dụng đầy hứa hẹn trong chăm sóc da [121]. Người ta thấy rằng cấu trúc và tính chất của màng SF ảnh hưởng đến tốc độ giải phóng thuốc. Màng SF thể hiện sự giải phóng doxorubicin chậm hơn với cấu trúc nano nhỏ hơn và hàm lượng cấu trúc tấm β nhiều hơn [115]. Ceftazidime (CTZ) đã được đóng gói thành cơng vào thảm SF/gelatin và cho thấy tác dụng kháng khuẩn trong q trình giải phóng kéo dài hơn sáu giờ [122]. Gần
đây, vật liệu sinh học SF có cấu trúc phim cũng đã được sử dụng trong việc hướng dẫn tái tạo xương. Cai và cộng sự đã phát triển một màng SF mới thơng qua q trình đơng khơ, đơng đặc và xử lý bằng EtOH. Hiệu lực tạo xương của màng SF đã được khảo sát trong một mơ hình khuyết tật trên bụng thỏ. Kết quả cho thấy màng SF có thể ngăn chặn sự xâm lấn của mô liên kết vào vùng khiếm khuyết so với màng collagen [123]. Jia và cộng sự nhận thấy rằng màng SF được tối ưu hóa bằng poly-D-lysine (PDL) có thể thúc đẩy sự tăng sinh và khả năng sống sót của tế bào biểu mơ giác mạc. Các màng SF được tối ưu hóa PDL đóng vai trị như chất nền cho sự hình thành biểu mơ giác mạc của con người, mở đường mới cho quá trình tái tạo mô giác mạc [124].
Cấu trúc ba chiều
Cấu trúc ba chiều của SF thường tồn tại dưới dạng hydrogel và vật liệu bọt biển. Hydrogel có cấu trúc mạng liên kết với hàm lượng nước cao. Sự kết tụ của
31
SF có thể được tạo ra bởi sonication [125], xốy [126], sưởi [127], xử lý dung mơi [128], liên kết chéo [129] và điện hóa [130]. Tốc độ của q trình gel hóa được kiểm sốt bởi nhiệt độ, pH, nồng độ fibroin và việc bổ sung các hợp chất khác. Sự gel hóa SF nhanh hơn được tạo ra bởi nồng độ cao hơn, giá trị pH thấp hơn, nhiệt độ cao hơn và việc bổ sung Ca2+. Trong quá trình chuyển tiếp sol-gel của SF, các thay đổi cấu trúc thứ cấp xảy ra từ trạng thái cuộn ngẫu nhiên sang cấu trúc tấm β [128, 129]. Tuy nhiên, Lu và cộng sự đã báo cáo rằng q trình điện hóa của SF dẫn đến sự chuyển đổi từ cuộn ngẫu nhiên thành xoắn α thay vì
tấm β. Sự hình thành cấu trúc trung gian này rất quan trọng trong q trình điện hóa [130]. Siêu âm là một phương pháp mới tạo ra SF hydrogel với tốc độ gel hóa tăng lên đáng kể, dẫn đến thay đổi q trình hydrat hóa kỵ nước và hình thành SF với cấu trúc tấm β ổn định. Trên thực tế, siêu âm có thể gây ra sự gia tăng nhiệt độ, lực cơ học và lực cắt cũng như tăng giao diện khơng khí-chất lỏng, làm tăng tốc q trình gel hóa [125]. Kim và cộng sự đã phát hiện ra rằng quy định về thời gian thủy phân kiềm cho phép điều chế các dung dịch SF có khối lượng phân tử khác nhau. Do quá trình thủy phân lâu hơn phá hủy các phân đoạn kỵ nước, SF có khối lượng phân tử nhỏ hơn làm cho thời gian tạo gel tăng lên. Trọng lượng phân tử của SF cũng ảnh hưởng đến cấu trúc vi mơ và tính chất vật lý của hydrogel. Sợi tơ tằm có chuỗi ngắn hơn tạo ra hydrogel với các đơn vị cấu trúc nhỏ hơn và cấu trúc mạng xốp cao hơn. Ngồi ra, các tính chất vật lý như mơ đun đàn hồi cắt thay đổi theo các trọng lượng phân tử khác nhau của SF. Nói chung, do cấu trúc mạng tương đối lỏng lẻo của chúng, mô đun đàn hồi cắt của hydrogel SF giảm khi sử dụng các trọng lượng phân tử nhỏ hơn [133].
Bọt biển SF ba chiều có cấu trúc xốp liên kết với nhau và có thể thu được bằng cách rửa trơi muối, tạo bọt khí và làm khơ đơng lạnh [134]. Đối với kỹ thuật rửa trôi muối, các hạt NaCl thường được sử dụng làm chất tạo mầm. Muối được thêm vào dung dịch SF trong một thùng chứa và sau đó chiết xuất từ bọt biển bằng cách ngâm trong nước [131, 132]. Kim và cộng sự đã báo cáo rằng kích thước lỗ và độ xốp của bọt biển có thể được kiểm sốt bằng cách điều chỉnh kích thước hạt NaCl và nồng độ dung dịch SF. Ở nồng độ SF cao hơn và kích thước hạt NaCl lớn hơn, ma trận đồng nhất với sự phân bố kích thước lỗ đồng nhất được hình thành
[135]. Hexafluoroisopropanol và MeOH luôn được sử dụng trong các quy trình xử lý bọt biển SF. Một kỹ thuật xử lý hoàn toàn bằng nước đã được sử dụng để chế tạo giá đỡ SF xốp mà không cần thêm dung môi hữu cơ. Kết quả cho thấy bọt biển SF có nguồn gốc từ nước thể hiện hình thái đồng đều hơn và có tính liên kết cao hơn, cũng như tốc độ phân hủy nhanh hơn khi có mặt protease, so với bọt biển có nguồn gốc từ HFIP [135]. Mặt khác, kích thước lỗ xốp của bọt biển SF đơng khơ có thể được kiểm soát bởi nhiệt độ kết tinh và nồng độ fibroin. Mandal và cộng sự
đã báo cáo rằng kích thước lỗ xốp nằm trong khoảng từ 200-250 µm thu được bằng cách làm khô đông lạnh ở -20℃, trong khi kích thước lỗ nhỏ hơn dao động từ 100-150 µm và 80-100 µm đã được quan sát tương ứng tại -80℃ và -196℃. Ở nhiệt độ kết tinh cố định, kích thước lỗ xốp giảm khi nồng độ SF tăng. Bọt biển có độ xốp cao 96% được chế tạo bằng phương pháp đông khô ở -196℃ với 2 wt% SF [136].
32
Bọt biển SF cũng có thể được chuẩn bị bằng cách sử dụng kỹ thuật tạo bọt khí, được tiến hành bằng cách thêm amoni bicacbonat (NaHCO3) vào dung dịch fibroin. Các hạt NH4HCO3 sau đó được thăng hoa trong nước nóng, do đó tạo ra cấu trúc bọt biển xốp [134]. Tamada và cộng sự đã báo cáo một phương pháp mới được gọi là đông lạnh-tan băng, phương pháp này tạo thành bọt biển xốp SF thông qua việc bổ sung các dung môi hữu cơ như MeOH, EtOH và propanol. Dung dịch hỗn hợp được làm đơng lạnh và sau đó nhúng vào dung dịch đệm hoặc nước để loại bỏ dung môi. Bọt biển SF được làm bằng phương pháp này cho thấy độ bền kéo và mô đun nén tốt do sự tồn tại của cấu trúc tinh thể tơ tằm II được tạo ra bởi dung môi hữu cơ [137]. Yan và cộng sự đã kết hợp phương pháp rửa trôi muối và phương pháp đông khô để chuẩn bị giá đỡ SF với dung dịch nước nồng độ cao. Các hạt natri clorua (500-1000 µm) được sử dụng làm chất kích thích tố được thêm vào dung dịch SF và sau đó được chiết xuất bằng nước cất. Tiếp theo, các giá đỡ SF bị kết tinh tại -80℃ trong một ngày và sau đó đơng khơ. Các giá đỡ SF đã chuẩn bị có độ xốp cao và khả năng liên kết với nhau với các cấu trúc vi mô/vĩ mô đồng nhất. Điều quan trọng là sau khi phân hủy trong ống nghiệm trong 30 ngày, giá đỡ SF có thể duy trì tính tồn vẹn của cấu trúc và hình thái ban đầu, cũng như các đặc tính cơ học của chúng. Do đó, giá đỡ SF cho thấy tiềm năng sử dụng trong việc tái tạo sụn và khung [138].
Sợi tơ tằm ở dạng cấu trúc ba chiều là vật liệu lý tưởng cho kỹ thuật mơ vì vật liệu sinh học cấu trúc 3D mơ phỏng môi trường sinh lý in vivo chặt chẽ hơn cấu trúc 2D [139]. Hydrogel SF có thể được sử dụng trong q trình bao bọc tế bào. Wang và
cộng sự đã báo cáo rằng hMSCs có thể được đóng gói thành cơng trong các hydrogel