Hydrogel đƣợc hình thành từ polymer có nguồn gốc tự nhiên thƣờng đƣợc sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật mơ bởi vì chúng là một thành phần và có tính chất tƣơng tự nhƣ ECM tự nhiên. Ví dụ polysaccharide mạch thẳng và ƣa nƣớc, tƣơng tác một cách thuận lợi trong cơ thể và do đó đƣợc sử dụng làm vật liệu thành phần, cấu trúc hydrogel cho kỹ thuật mô [47-49].
a. Gelatin
Gelatin đƣợc điều chế bởi sự biến tính nhiệt của collagen, phân lập từ da và xƣơng động vật. Về mặt thành phần, cấu trúc, gelatin bao gồm các acid amine nối bởi liên kết peptide, gelatin giảm cấp bởi enzyme tạo thành các acid amine. Về mặt sinh học, gelatin có tính chất tƣơng hợp sinh học và khơng có tính kháng ngun. Do đặc tính sinh học, gelatin đã đƣợc sử dụng trong lâm sàng trong một thời gian dài và đang đƣợc sử dụng trong một loạt các sản phẩm y tế theo quy định của cục quản lý Dƣợc và Thực phẩm Hoa kỳ FDA [47].
Gelatin, giống nhƣ collagen, thể hiện thuộc tính sinh học và đã đƣợc nghiên cứu cho sự phát triển của keo sinh học sử dụng các chất tạo liên kết ngang gồm
resorcinol và formaldehyde. Thƣơng mại hóa keo này đã bị giới hạn bởi các báo cáo về khả năng gây độc do formaldehyde tạo ra trong q trình giảm cấp. Gelatin có thể dễ dàng liên kết ngang bởi một loạt các chất liên kết ngang và tạo thành một hydrogel có khả năng hấp thụ một lƣợng lớn nƣớc. Hơn nữa, tùy thuộc vào các điều kiện, tính chất điện tích của gelatin có thể thay đổi nên gelatin có điểm đẳng điện khác nhau, cho phép khả năng tạo thành phức polyelectrolyte với polymer ion khác. Với khả năng tƣơng hợp tế bào cao, gelatin thích hợp cho các ứng dụng kỹ thuật mơ [47-49].
Nhƣợc điểm của hydrogel chế tạo từ gelatin là khối lƣợng giảm cấp nhanh nên cần biến tính gelatin hoặc kết hợp gelatin với chất khác nhằm tạo hydrogel có khối lƣợng giảm cấp phù hợp trong y sinh.
b. Alginate
Alginate là polymer tự nhiên chiết xuất từ tảo nâu, bao gồm acid (1-4)-BD- mannuronic (M) và acid (1-4)-Al-guluronic (G) các đơn vị dƣới hình thức homopolymeric (MM hoặc GG-khối) và trình tự heteropolymeric (MG-hoặc GM- khối). Alginate có tính tƣơng hợp sinh học nên alginate và các dẫn xuất của chúng đƣợc sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, mỹ phẩm và dƣợc phẩm , vật liệu y sinh. Nhƣợc điểm của alginate là tính bám dính tế bào thấp và không hỗ trợ quá trình phát triển của tế bào. Để khắc phục nhƣợc điểm trên các nhà khoa học biến tính alginate, sau dó dùng dẫn xuất alginate kết hợp với gelatin để tăng tính bám dính tế bào của vật liệu. Oxi hóa alginate đƣợc dùng để biến tính alginate, sau đó dùng alginate đã biến tính tạo liên kết với gelatin. Phản oxi hóa sodium alginate là phản
ứng đặc biệt để biến đổi polysaccharide, trong phản ứng này hai nhóm OH trên cacbon 2 và 3 của đơn vị acid uronic bị oxi hóa bởi sodium periodate dẫn đến cắt vịng cacbon và tạo thành 2 nhóm CHO.
Phản ứng oxy hóa polysaccharide
- Phản ứng oxy hóa polysaccharide
Từ năm 1990, Van Bekkum và cộng sự đã sử dụng xúc tác TEMPO [(2,2,6,6-tetramethyl-piperidin-1-yl) oxyl] để oxi hóa có chọn lọc các alcohol bậc nhất (ví dụ tại C-6 của cellulose hoặc amylose). Sản phẩm là các aldehyde hay có thể là các acid carboxylic.
Phản ứng oxi hóa cũng cịn có thể đƣợc thực hiện cắt diol tại C-2 và C-3 của cellulose, amylose, hay xylose) mở vịng 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 mơi trƣơng nƣớc.
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. Sự thủy phân của alginate rất chậm và khó kiểm sốt. Alginate bị oxi hóa có thể kiểm sốt tốc độ thủy phân bằng cách thay đổi độ oxi hóa alginate. Phản ứng oxi hóa sodium alginate là phản ứng đặc biệt để biến đổi polysaccharide, trong phản ứng này hai nhóm OH trên carbon 2 và 3 của đơn vị acid uronic bị oxi hóa bởi sodium periodate dẫn đến cắt vịng carbon và tạo thành nhóm CHO.
Hiện nay, đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về oxi hóa alginate và sử dụng chúng làm cơ sở tạo ra vật liệu hydrogel ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Jeon và đồng nghiệp đã phát triển hệ hydrogel alginate bằng phƣơng pháp trùng hợp gốc tự do, trong đó alginate đƣợc oxi hóa bằng sodium periodate (NaIO4) với tỉ lệ khác nhau nhằm tạo ra các loại alginate bị oxi hóa ở các mức độ khác nhau, ứng dụng trong kỹ thuật mô. Kết quả cho thấy tính chất vật lý của vật liệu có thể đƣợc điều chỉnh bằng cách thay đổi mức độ của q trình oxy hóa và nồng độ alginate. Các hydrogel alginate tạo thành có độ độc tế bào tƣơng đối thấp và có tính tƣơng tác sinh học tốt trong công nghệ mô, bao gồm cả các ứng dụng trong việc cấy ghép tế bào gốc và kiểm sốt phân phối các chất có hoạt tính sinh học.
Vật liệu và mơ xƣơng có khả năng kết dính phản ứng Schiff-base giữ các nhóm aldehyde tạo ra khi oxi hóa chitosan và nhóm amine của collagen có trong mơ xƣơng [50].
Hình 1.1: Ảnh minh họa sự tƣơng tác giữa hydrogel trên cơ sở chitosan oxi hóa với collagen trong mơ [50]