Năm 2015, Lihui Zhang cùng các đồng nghiệp đã nghiên cứu và tổng hợp
thành công liên hợp sinh học Hemin–Montmorillonite đầu tiên với lượng dư acid amine để giả enzyme HRP tự nhiên. Histamine được gắn trong cấu trúc montmorillonite bằng cách trao đổi cation. Sự liên hợp Hemin–Histamine– Montmorillonite cho thấy hoạt tính cao qua q trình oxy hóa Guaiacol do sự hoạt hóa Hemin do sự hình thành phức hợp Fe–N giữa nhóm imidazole trong Histamine và ion sắt trong phân tử Hemin. Vật liệu giả sinh học này cho thấy khả năng ổn định nhiệt cao và khả năng tái sử dụng tốt. Hoạt tính cao, khả năng ổn định nhiệt tốt và khả năng tái sử dụng giúp vật liệu có tiềm năng lớn trong xử lý mơi trường [9].
1.3. Hydrogel trên cơ sở Gelatin
Hydrogel được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh do khả năng tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học của chúng. Các polymer tự nhiên thường biểu hiện các tính chất cơ học kém nhưng lại phổ biến cho các ứng dụng y sinh hiện nay vì chúng thường có ng̀n gốc từ sinh vật sống, khơng độc hại, tương hợp sinh học và không gây hại từ sinh vật chủ. Vì những lý do này, các nghiên cứu hiện nay tập trung nhiều vào các polymer tự nhiên, đặc biệt là Gelatin [33].
Gelatin là chuỗi polypeptide được tạo thành từ sự thủy phân collagen, dễ dàng hòa tan trong nước ở 37 °C, là thành phần protein dạng sợi quan trọng trong xương, sụn, gân và da. Gelatin có khả năng hoạt động như một acid hay một base, tính chất lưỡng tính là do các nhóm –COOH thể hiện tính acid và nhóm amine –NH2 thể hiện tính base được tạo ra trong suốt q trình thủy phân. Bên cạnh những tính chất vốn
22 có của collagen như khơng độc, tính tương hợp sinh học, khả năng phân rã sinh học, Gelatin cịn là thành phần chính của chất nền ngoại bào có vai trị trong việc điều khiển quá trình trao đổi với tế bào giúp tế bào bám dính, tăng sinh và tái tạo lại vùng mơ tổn thương. Do đó, Gelatin là ứng cử viên hình thành hydrogel được sử dụng trong các ứng dụng y sinh lâu dài do có số lượng lớn các nhóm chức và dễ dàng tạo liên kết ngang. Nhiều nghiên cứu về hydrogel trên cơ sở Gelatin gần đây cho thấy hiệu quả vượt trội của chúng trong y sinh [33, 34].
Hydrogel có thể tiêm và phân hủy là những ứng cử viên tiềm năng làm phương tiện phân phối tế bào để tái tạo các khiếm khuyết dạng sợi. Ashley Amini và Lakshmi Nair đã đánh giá tiềm năng của gel Gelatin liên kết ngang bằng enzyme như một phương tiện phân phối nguyên bào xương. Hydrogel tiêm được điều chế bằng cách tạo liên kết ngang sử dụng xúc tác enzyme HRP của các dẫn xuất phenol của Gelatin (biến tính Tyramine) với sự có mặt của H2O2. Nồng độ Gelatin ảnh hưởng đến sự kết dính và lan rộng của tế bào tiền nguyên bào trong gel Gelatin dạng tiêm. Sự vắng mặt của hoạt tính tạo xương vốn có của Gelatin và gel Gelatin đã biến đổi cho thấy sự cần thiết phải bao gờm các phân tử hoạt tính sinh học ngoại sinh để điều chỉnh các chức năng của các tế bào được bao bọc. Khả năng tương thích tế bào tốt và sự thiếu truyền tín hiệu cụ thể bởi gel Gelatin về mặt enzyme đối với tế bào nguyên bào xương giúp nó trở thành chất nền kiểm sốt tiềm năng để đánh giá các vật liệu sinh học tạo xương mới [10].
Năm 2017, Nguyen Thuy Ba Linh cùng các đồng nghiệp đã tổng hợp hệ thống hydrogel có khả năng dẫn truyền tế bào gốc từ mơ mỡ người (hADSC) và yếu tố tăng trưởng có ng̀n gốc từ tiểu cầu (PDGF) như một hệ thống mới cho kỹ thuật mô, dự kiến để hỗ trợ q trình thơng mạch. Gelatin được biến tính với Tyramine (GTA), trong khi các nhóm amine của Chitosan được chức năng hóa với acid 4– Hydroxyphenyl acetic (CHPA), tạo ra một dẫn xuất Chitosan hòa tan ở pH trung tính. Sử dụng enzyme HRP làm chất xúc tác và Hydrogen Peroxide làm chất oxy hóa hình thành hydrogel. Sự hình thành gel xảy ra trong vịng 30 – 90 s bằng cách kiểm sốt nồng độ của polymer. CHPA–GTA hydrogel được phát triển ở đây có thể tiêm, có khả năng hình thành tại chỗ trong thời gian ngắn, cung cấp khả năng tạo hình dạng in
vivo cho các ứng dụng kỹ thuật mô khác nhau. Hệ thống hydrogel mới đã thành công
trong việc đồng phân phối hADSC và PDGF–BB khả thi với một mạng lưới phân nhánh độc đáo đóng vai trò như các kênh thâm nhập tế bào và mạch máu. Hệ thống CHPA–GTA để đồng phân phối tế bào gốc và yếu tố tăng trưởng là một phương pháp tiếp cận đa chiều và đầy hứa hẹn để tái tạo mơ, hỗ trợ q trình tái tạo mạch của các
23 khuyết tật khơng đều có thể dễ dàng điều chỉnh cho kỹ thuật mô xương hoặc các ứng dụng tương tự [35].
Năm 2019, Soyoung Hong cùng các đờng nghiệp đã trình bày một phương
pháp đơn giản để tổng hợp Gelatin–PEG–Tyramine (GPT) với thời gian tạo liên kết ngang ngắn như một vật liệu liên kết sinh học tiềm năng. Nhóm chức Tyramine có thuộc tính liên kết ngang nhanh với cơ chế liên kết ngang dựa trên Catechol. PEG được sử dụng rộng rãi như một vật liệu đệm để tăng tốc độ phản ứng của hydrogel. Đầu tiên, polymer Gelatin liên kết sinh học với nhóm chức Tyramine được tổng hợp. Để tạo điều kiện tạo gel nhanh chóng, polyethylene glycol (PEG) được giới thiệu như một chất đệm giữa Gelatin và Tyramine. Hydrogel GPT được hình thành với xúc tác enzyme HRP và kết hợp với chất oxy hóa H2O2, mang lại tốc độ gel hóa cao 4,24 ± 0,08 s. Hydrogel GPT tạo gel nhanh, có khả năng tương thích tế bào và sự tăng sinh tế bào trong điều kiện 3D, có tiềm năng lớn cho sự phát triển của mạch máu kiến trúc mô 3D [36].
Hydrogel trên cơ sở Gelatin cho thấy hiệu quả vượt trội của chúng khi ứng dụng trong chữa lành vết thương, tái tạo sụn, thận nhân tạo, mang thuốc,…
1.4. Alginate
Alginate (Alg) hầu hết có sẵn ở dạng sản phẩm muối natri của acid Alginic và chúng đại diện cho một trong những họ giàu nhất của các polysaccharide anion tự nhiên, được phát hiện vào cuối thế kỷ XIX bởi một dược sĩ người Anh, E.C.C. Stanford, và có tên gọi là “Algin”, là một dung dịch nhớt thu được từ họ Laminariaceae. Kể từ khi được phát hiện vào năm 1883, nó đã trở thành một sản phẩm công nghiệp quan trọng trong thương mại từ rong biển. Sau đó chất chiết xuất của nó được gọi là "acid Alginic", sản xuất thương mại bắt đầu vào năm 1929. Ước tính rằng, Alg từ tảo được sản xuất gần 38.000 tấn hàng năm trên toàn thế giới, và phần lớn của chúng đóng góp vào ngành cơng nghiệp thực phẩm và dược phẩm [37]. Alginate là một copolymer mạch thẳng được tạo thành từ β–D–Mannuronic acid (M) và α–L–Guluronic acid (G) gắn với nhau qua liên kết 1,4 glycoside (Hình 1.21) [38]. Chuỗi được cấu thành bởi hai acid này kết hợp với nhau để thành một mơ hình khối. Alginate phân thành ba loại khối: poly–G (G–G–G–G), poly–M (M–M– M–M) và poly–GM (G–M–G–M) liên kết ngẫu nhiên trong chuỗi mạch. Hàm lượng và các thuộc tính lý, hóa sinh học của Alginate biến đổi theo loài rong, giai đoạn trưởng thành, mùa vụ và môi trường sống của rong [39].
24