(1) Có cấu trúc lỗ xốp bên trong (đường kính lỗ ít nhất 60 – 100 µm) cung cấp dưỡng chất giúp tăng trưởng mô, phân bố mạch…
(2) Được chế tạo từ vật liệu có khả năng tự phân hủy sinh học, hoặc khả năng hấp thu sinh học được kiểm soát, để sau đó mô sẽ thay thế scaffold.
(3) Có hóa học bề mặt thích hợp để giúp các tế bào bám, biệt hóa và tăng sinh. (4) Có các đặc tính cơ học thích hợp để tương xứng với vùng ghép.
(5) Không kích thích bất kỳ loại phản ứng có hại nào. (6) Dễ tạo hình dáng và kích thước mong muốn. 2. Các vật liệu Scaffold
(1) Các polymer tổng hợp
Các polyester như polyglycolic acid (PGA), polylactic acid (PLA), các copolymer (như PLGA) và polycaprolactone (PCL), thường được sử dụng để thiết kế các scaffold. Sản phẩm phân hủy của các polymer này (glycolic acid và lactic acid) hiện diện trong cơ thể người và được thải loại thông qua con đường trao đổi chất tự nhiên.
(2) Các polymer tự nhiên
Các polymer là protein hoặc carbohydrate có nguồn gốc tự nhiên được sử dụng làm scaffold cho sự tăng trưởng của vài loại mô. Polymer tự nhiên phổ biến nhất được sử dụng tạo scaffold kỹ nghệ mô là collagen.
Câu 3: Các phương pháp chế tạo scaffold truyền thống
(1) Lọc gián đoạn qua khuôn dung môi (Solvent casting particulate leaching)
Kỹ thuật này tạo một dung dịch PLA trong chloroform và thêm các hạt muối có đường kính đặc biệt, để hình thành một dịch huyền phù thống nhất. Cho dung môi bay hơi để còn lại khuôn nền polymer với các hạt muối ở khắp bên trong. Sau đó, ngâm composite trong nước để loại muối, chỉ còn lại cấu trúc lỗ xốp.
(2) Bọt khí (gas foaming)
Một polymer có khả năng phân hủy sinh học như là PLGA được bão hòa với CO2 ở áp suất cao. Sau đó, làm giảm nhanh khả năng hòa tan của khí trong polymer bằng cách đưa áp suất CO2 trở về áp suất khí quyển. Điều này dẫn đến sự tạo nhân và khuếch trương bọt khí với kích thước 100 – 500 µm trong polymer.
(3) Mạng lưới sợi ( Fibre meshes/fibre bonding)
Các sợi từ công nghiệp dệt được sử dụng để chế tạo scaffold từ PGA và PLA. Tuy nhiên, các scaffold này không ổn định về cấu trúc nên thường gây ra sự biến dạng nghiêm trọng do các lực co rút của tế bào được nuôi trên scaffold. Điều này đã dẫn đến việc phát triển kỹ thuật liên kết sợi để tăng cường các đặc tính cơ học của scaffold. Quy trình như sau: hòa tan PLA trong methylene chloride và đổ khuôn qua lưới PGA. Cho dung môi bay hơi và sau đó, làm nóng khuôn với nhiệt độ trên điểm nóng chảy của PGA. Khi khuôn PGA-PLA nguội, loại PLA bằng cách hòa tan trong
methylene chloride một lần nữa. Kết quả là tạo ra một mạng lưới các sợi PGA được nối mạch.
(4) Tách pha (Phase separation)
Hòa tan một polymer tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học trong phenol hoặc naphthalene và bổ sung thêm các phân tử có hoạt tính sinh học như alkaline phosphatase vào dung dịch. Sau đó hạ nhiệt độ thấp hơn để tạo ra một sự tách pha lỏng-lỏng và làm nguội để tạo rắn hai pha. Loại dung môi bằng sự thăng hoa để có một scaffold xốp với các phân tử sinh học hoạt động bên trong cấu trúc.
(5) Làm khuôn tan chảy (Melt moulding)
Dùng bột PLGA và các vi cầu gelatin có đường kính đặc biệt, lấp đầy một khuôn Teflon. Làm nóng khuôn ở mức trên nhiệt độ chuyển tiếp thủy tinh của PLGA cùng với dùng sức ép lên hỗn hợp. Nhờ vậy, các hạt PLGA gắn kết với nhau. Khi loại bỏ khuôn, thành phần gelatin được lọc ra bằng cách ngâm trong nước, sau đó làm khô scaffold. Theo cách này, scaffold được tạo có hình dạng của khuôn. Việc làm tan chảy khuôn được biến đổi để kết hợp các sợi HA ngắn. Sự phân bố đều sợi HA trong khắp scaffold PLGA có thể thực hiện bằng kỹ thuật khuôn dung môi để chuẩn bị vật liệu sợi HA, khuôn nền PLGA và gelatin, hoặc tạo lỗ bằng muối, sau đó ứng dụng quy trình làm khuôn tan chảy.
(6) Làm khô lạnh nhũ tương
Quy trình này gồm thêm nước siêu sạch vào dung dịch methylene chloride và PGA. Sau đó, đồng nhất hai lớp không trộn lẫn này để tạo nhũ tương nước dầu. Tiếp tục làm lạnh trong nitơ lỏng và làm khô lạnh để tạo cấu trúc lỗ xốp.
(7) Đúc khuôn dung dịch (Solution casting)
Hòa tan PLGA trong chloroform, sau đó tủa bằng cách thêm methanol vào. Xương làm khô lạnh đã được khử khoáng có thể kết hợp với PLGA, sau đó vật liệu composite được ép vào khuôn, làm nóng đến 45 – 48oC trong 24 giờ để tạo scaffold.
(8) Làm khô lạnh
Hòa tan các polymer tổng hợp như PLGA trong acetic acid lạnh hoặc benzen. Sau đo, làm đông lạnh dung dịch và làm khô lạnh để tạo ra khuôn nền lỗ xốp.
Tương tự, các scaffold collagen cũng được chế tạo bằng cách làm đông lạnh dung dịch collagen và sau đó làm khô lạnh. Sự đông lạnh dung dịch sẽ hình thành các tinh thể đá, chúng ép và tập trung các phân tử collagen vào các khoảng khe. Sau đó, loại các tinh thể đá bằng cách làm khô lạnh. Sự đông lạnh dung dịch sẽ hình thành các tinh thể đá, chúng ép và tập trung các phân tử collagen vào các khoảng khe. Sau đó, các scaffold này cần phải được khâu mạch bằng tác nhân vật lý (hay hóa học) để làm
giảm khả năng hòa tan, tính kháng nguyên và tốc độ phân hủy.
Các phương pháp khâu mạch vật lý gồm chiếu tia UV, grama hoặc phương pháp nhiệt loại hydro. Các phương pháp khâu mạch hóa học liên quan đến việc sử dụng các tác nhân hai chức năng như glutaraldehyde (GTA) và hexamethylene diisocyanate, hoặc bằng phương pháp hoạt hóa nhóm carboxyl với carbodiimide. Các polymer tự nhiên khác như chitin và alginat cũng được dùng để chế tạo scaffold bằng cách làm khô lạnh.
Câu 4: Các hạn chế của Scaffold kỹ nghệ mô
- Sự phân hủy các polymer tổng hợp (cả trong điều kiện in vitro và in vivo), giải phóng các sản phẩm phụ có tính acid, khiến vi môi trường scaffold không lý tưởng cho sự tăng trưởng mô. PLGA phân hủy sẽ giải phóng lactic acid, làm giảm pH, điều này thúc đẩy tốc độ phân hủy do tự xúc tác, kết quả là polymer có môi trường acid cao, có hại cho tế bào.
- Các phương pháp chế tạo scaffold không thể kiểm soát chính xác kích thước và hình dạng lỗ, cũng như sự phân bố không gian của các lỗ và cấu trúc các kênh bên trong scaffold. Trừ phương pháp bọt khí và phương pháp khuôn tan chảy, các phương pháp chế tạo scaffold khác đều sử dụng dung môi hữu cơ như chloroform và methylene chloride để hòa tan polymer tổng hợp trong một số giai đoạn của quy trình. Dung môi còn dư đọng mang nguy cơ độc tố và gây ung thư cao.
- Phương pháp này chỉ tạo ra các mô tăng trưởng in vitro có thiết diện dưới 500 µm từ bề mặt, điều này có lẽ do sự kiềm chế khuếch tán của xốp. Các tế bào có thể dễ dàng di chuyển vào những phần bên ngoài nhất của scaffold và không 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 không thể di cư vào bên trong sâu hơn 500 µm. Để khắc phục tình trạng này, nên cấy thêm tế bào vào scaffold trong suốt quá trình thiết kế để kiểm soát tốt hơn sự phân bố tế bào.
- 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 đó 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. Do đó, các tế bào chỉ có thể sống sót gần bề mặt.
- Ngay cả khi tế bào đã phân bố khắp scaffold quy mô lớn, vẫn cần cung cấp mạch máu để nuôi dưỡng các tế bào ở sâu bên trong scaffold. Các mô mạch xung quanh có thể tăng trưởng vào trong một scaffold cấy ghép, nhưng phải mất thời gian cho quá trình phát triển mạch này, các tế bào ở sâu bên trong có thể chết khi mạch phát triển tới nơi.
Câu 5: Các kỹ thuật chế tạo dạng tự do rắn ( SFF)
SFF có thể chế tạo trực tiếp các vật thể từ mô hình được phác họa trên máy tính. PP này có thể kiểm soát được kích thước lỗ, trạng thái xốp và sự phân bố lỗ, cách hợp thành tổ chức hệ thống mạch nhân tạo => làm tăng sự vận chuyển oxy và dưỡng chất vào sâu bên trong của scaffold.
1.Hệ thống in ba chiều (Three dimensional printing - 3DP)
- 3DP kết hợp với kĩ thuật in phun mực truyền thống (kiểm soát trục x, y) để phát ra chất gắn từ đầu phun lên trên bề mặt bột polymer.
- Chất gắn sẽ hòa tan và kết hợp với các hạt bột kế kận.
- Buồng piston được hạ xuống (kiểm soát trục z), sau đó được làm đầy lại với một lớp bột khác, quá trình được lặp lại.
- Bột không dính sẽ giúp nâng đỡ phần nhô ra hay phần không liên kết và cần loại bỏ chúng sau khi hoàn tất vật liệu.
2.Hệ thống Stereolithography (SLA)
Làm polymer hóa chọn lọc một monomer photocurable lỏng bằng tia UV.
- Tia UV được chiếu trên bề mặt monomer lỏng tương ứng với dữ liệu thiết diện CAD.
- Sau khi tạo được lớp đầu tiên, trục đang giữ mô hình được hạ xuống vào trong bể, để dung dịch quang polymer phủ bề mặt.
- Sau đó, một “wiper arm” được thay thế phía trên dung dịch để bát phẳng bề mặt.
- Quy trình được lặp lại cho đến khi hoàn tất mô hình.
- Sau khi hoàn tất, ta năng lên và loại bỏ cấu trúc nâng đỡ.