CHƯƠNG 1. Hydrogel Hydrogel là các polymer ưa nước có cấu trúc không gian ba chiều (3D). Một hydrogel có thể được định nghĩa là một mạng lưới polymer liên kết ngang, trương trong nước, có khả năng giữ nước trong cấu trúc xốp của nó, cho phép khuếch tán và gắn các phân tử cũng như tế bào. Khả năng giữ nước của hydrogel chủ yếu do sự hiện diện của các nhóm ưa nước như các nhóm amino, carboxyl và hydroxyl trong chuỗi polymer.
Theo Hoffmann, hydrogel có khả năng hấp thụ lượng nước lớn gấp hàng nghìn lần khối lượng khô của chúng (xerogel). Một xerogel có thể được định nghĩa là một mạng lưới polymer không có nước. Khả năng giữ nước của xerogel phụ thuộc vào số lượng nhóm ưa nước và mật độ liên kết ngang. Số lượng các nhóm ưa nước càng cao, khả năng giữ nước càng cao.
Việc sử dụng hydrogel cho các ứng dụng y sinh bắt nguồn từ năm 1960 khi Forgeterle và Lim phát triển liên kết ngang poly (Hydroxyethyl Methacrylate). Tính chất hấp thụ nước của hydrogel khiến chúng trở nên có ích trong nhiều ứng dụng thực tế (lĩnh vực môi trường, điện tử, y sinh, sinh học,. Hydrogel được phân loại theo nhiều cách khác nhau, tuy nhiên phân loại dựa vào loại liên kết ngang là phương pháp hóa học được sử dụng phổ biến. Hydrogel được tổng hợp bằng cách sử dụng các phương pháp tạo liên kết ngang như phương pháp vật lí (tương tác hydro, tương tác ion, phức lập thể, tương tác tại vị trí kỵ nước), phương pháp hóa học (tạo liên kết ngang bằng chất tạo liên kết ngang, phản ứng cộng Michael, xúc tác enzyme,.
Tương tác hydro: Hydrogel hình thành nhờ tương tác tạo liên kết hydro được thực hiện bằng cách tăng hoặc giảm nhiệt độ đến nhiệt độ đông đặc. Hyaluronic acid, poly (vinyl ancohol) và Methylcellulose là những hydrogel điển hình được tạo thành theo phương pháp này. Liên kết hydro cũng có thể được dùng để tổng hợp hydrogel tiêm được. Hỗn hợp của hai hay nhiều các polymer tự nhiên có thể có sự đồng bộ về tính lưu biến, nghĩa là các thuộc tính đàn hồi, độ nhớt của hỗn hợp polymer giống gel nhiều hơn so với các đặc tính này ở từng polymer riêng lẽ.
Sự đồng bộ này thường là kết quả của quá trình tương tác tạo các liên kết hydro giữa các chuỗi polymer tạo ra sự tương thích trong cấu trúc hình học của các polymer tham gia. Hydrogel được tạo từ các polymer tự nhiên như Gelatin–Agar, Starch–carboxymethyl cellulose và Hyaluronic acid–Methylcellulose thường thể hiện khả năng tương thích sinh học tuyệt vời [13]. 2 do an Liên kết hydro Hình 1. Tương tác tạo liên kết hydro của Hyaluronic acid và Methylcellulose [13] Tương tác tại vị trí kỵ nước: Các phân tử polymer có chứa một đầu ưa nước và một đầu kỵ nước được tạo thành bằng phản ứng trùng hợp tạo ra khối copolymer.
Các polymer này có thể hòa tan trong nước ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng, phần kỵ nước có xu hướng xoay vào trong giảm thiểu diện tích bề mặt tiếp xúc trực tiếp với nước, xảy ra hiện tượng gel hóa. Khả năng gel hóa này phụ thuộc vào nồng độ của các polymer, độ dài đầu kỵ nước và cấu trúc hóa học của polymer [13]. Tương tác kỵ nước [13] Tương tác ion: Tương tác ion đã được nghiên cứu rộng rãi để tạo liên kết ngang trong quá trình gel hóa.
Một lợi thế của phương pháp này là sự phân hủy sinh học có thể xảy ra như sự phân ly ion trong ngoại bào, phá vỡ mạng lưới liên kết ngang. Tương tác ion có thể xảy ra giữa một phân tử polymer và một phân tử nhỏ hoặc giữa hai phân tử polymer trái dấu để tạo thành hydrogel [13]. 3 do an Hình 1. Tương tác ion [13] Tương tác tạo phức lập thể: Xảy ra giữa các chuỗi polymer hoặc các phân tử nhỏ có thành phần hóa học tương tự nhưng lập thể khác nhau.
Đặc biệt, tương tác lập thể xảy ra mạnh mẽ giữa các khối polylactide với đồng phân L– và D– lập thể. Các polymer tự nhiên cũng có thể tạo liên kết ngang bằng tương tác tạo phức lập thể. Ghép các đồng phân L– và D– có thể tạo ra các hydrogel có tính chất tương thích sinh học và phân hủy sinh học tốt mà không đòi hỏi việc sử dụng các điều kiện biến tính khắc nghiệt như dung môi hữu cơ, hóa chất tạo liên kết ngang [13]. Trộn Phức lập thể Hình 1.
Tương tác lập thể L–lactide và D–lactide [13] 4 do an Tạo liên kết ngang bằng chất tạo liên kết ngang: Các chất tạo liên kết ngang như Glutaraldehyde, Epichlorohydrin,… đã được sử dụng rộng rãi để tạo liên kết ngang trong các hydrogel tổng hợp và hydrogel tự nhiên (Hình 1. Kỹ thuật này chủ yếu liên quan đến việc đưa các phân tử mới vào giữa các chuỗi polymer để tạo ra các chuỗi liên kết ngang [14]. Tạo liên kết ngang bằng Glutaraldehyde [14] Tạo liên kết ngang bằng cách polymer hóa gốc tự do: Bằng cách sử dụng các chất dùng để tạo gốc tự do như chất khơi mào nhạy sáng (tia UV), chất khơi mào oxy hóa khử N, N, N’, N’–tetramethyl ethylenediamine (TEMED) và amoni peroxydisulfate (APS),. Chất khơi mào nhạy sáng tạo liên kết ngang rất nhanh tuy nhiên khi tiếp xúc với tia UV ở cường độ cao hoặc thời gian dài ảnh hưởng xấu đến hoạt động trao đổi chất của tế bào và nhiệt phát sinh trong quá trình tạo liên kết ngang có thể gây hoại tử tế bào.
Do đó, tia UV sử dụng giới hạn 5 mW/cm2 để tránh gây hoại tử tế bào. Khi tăng nồng độ chất khơi mào sẽ làm giảm thời gian gel hóa và tăng cường tính cơ học. Tuy nhiên, nồng độ chất khơi mào cao (10 mM) sẽ dẫn đến gây độc tế bào cao do đó tỷ lệ sống của tế bào thấp (nhỏ hơn 30 %) sau ba ngày nuôi cấy tế bào [14]. 5 do an Bề mặt hoạt hóa Ghép bề mặt Hình 1.
Tạo liên kết ngang thông qua polymer hóa gốc tự do [14] Tạo liên kết ngang bằng phản ứng cộng Michael: Là phản ứng cộng Michael giữa một tác nhân nucleophile (nhóm amine hoặc nhóm thiol) và tác nhân electrophile (vinyl/acrylate). Hydrogel được điều chế bằng phản ứng cộng Michael có thời gian gel hóa trung bình (0,5 – 60 s), độ bền cơ học trung bình và tính chất của hydrogel có thể được điều chỉnh bởi các nhóm chức và mật độ liên kết ngang [15]. Tạo liên kết bằng phản ứng cộng Michael [15] 6 do an Tạo liên kết ngang bằng phản ứng Schiff–base: Phản ứng Schiff–base hình thành giữa một nhóm aldehyde và một nhóm amine. Do phản ứng Schiff–base dễ phân hủy bằng quá trình thủy phân liên kết nhóm amine ở nhiệt độ thấp, việc bổ sung các thành phần như borax có thể tạo điều kiện hình thành phản ứng Schiff–base, làm cho hydrogel tương đối ổn định với thời gian gel hóa nhanh [15].
Tạo liên kết ngang bằng phản ứng Schiff–base [15] Tạo liên kết ngang bằng xúc tác enzyme: Enzyme thường cho thấy tính đặc hiệu cao, có khả năng tránh được phản ứng phụ trong quá trình tạo liên kết ngang. Điều này giúp kiểm soát và dự đoán các động học của sự gel hóa và làm tăng tỷ lệ liên kết ngang bằng cách điều chỉnh nồng độ enzyme. Các enzyme thường được sử dụng để tổng hợp hydrogel như Transglutaminase, Tyrosinase, Horseradish Peroxidase. Các enzyme này thúc đẩy quá trình liên kết tạo ngang như cho thời gian gel hóa nhanh, độ bền cơ học tốt, dễ phân hủy sinh học và được thực hiện trong điều kiện sinh lý bình thường và không có bất kỳ phản ứng phụ không mong muốn nào.
Do đó, chúng được ứng dụng để tạo liên kết ngang của hydrogel cho các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh [15]. Liên kết ngang hình thành với sự hiện diện HRP và H2O2 [15] 7 do an Hydrogel có nhiều tính chất ưu việt đặc biệt trong y sinh: tính trương nở, tính cơ học, tính phân hủy sinh học và tính tương hợp sinh học. Tính trương nở: khả năng trương của hydrogel có thể được xác định là khoảng không gian bên trong cấu trúc hydrogel có sẵn để chứa nước thông qua tương tác polymer – nước [16]. Khả năng trương trong nước dưới những điều kiện sinh học khiến hydrogel trở thành vật liệu lý tưởng sử dụng trong vận chuyển thuốc, cố định protein, peptide cũng như các hợp chất sinh học khác.
Do có hàm lượng nước cao nên các gel này giống tế bào sống tự nhiên hơn bất kỳ vật liệu sinh học tổng hợp nào khác. Các mạng lưới này có cấu trúc khâu mạch không tan cho phép cố định các tác nhân hoạt động hay các phân tử sinh học một cách hiệu quả và cho phép giải phóng chúng theo một cách riêng, dẫn đến hydrogel có nhiều ứng dụng khác nhau [17]. Tính cơ học: đối với những ứng dụng không phân hủy sinh học, điều quan trọng là chất mang nền gel phải duy trì được tính bền vững cơ học và vật lý, bởi vậy độ bền cơ học của gel là chỉ tiêu quan trọng khi thiết kế một hệ điều trị. Độ bền của vật liệu có thể tăng cường nhờ bổ sung các tác nhân tạo lưới, comonomer cũng như tăng mức độ khâu mạch.
Tuy nhiên, cần xác định một mức độ khâu mạch tối ưu, do mức độ khâu mạch quá cao thì sẽ dẫn đến tính giòn hoặc ít đàn hồi. Tính đàn hồi của gel cũng rất quan trọng để tạo ra độ mềm dẻo của các mạch tạo lưới, thuận lợi cho quá trình di chuyển của các tác nhân có hoạt tính sinh học. Tính phân hủy sinh học: sự phân hủy của hydrogel rất cần thiết trong quá trình tái tạo mô, khối lượng phân hủy của vật liệu cấy ghép phải phù hợp với tốc độ hình thành mô mới và các phân tử giải phóng ra trong quá trình phân hủy không độc đối với tế bào. Hydrogel có 3 cơ chế suy giảm cơ bản: thủy phân, suy giảm bởi enzyme, và suy giảm do quá trình hòa tan.
Phần lớn các hydrogel tổng hợp suy giảm thông qua quá trình thủy phân của các liên kết ester. Những hydrogel suy giảm bởi enzyme có khối lượng suy giảm khác nhau trong nghiên cứu in vitro và in vivo, vì trong cơ thể động vật có rất nhiều loại enzyme [1, 18]. Tính tương hợp sinh học: đặc điểm quan trọng của vật liệu tổng hợp như hydrogel là khả năng thiết kế tạo ra các tương hợp sinh học và không độc để trở thành một polymer y sinh khả dụng. Hầu hết các polymer được sử dụng cho ứng dụng y sinh đều phải trải qua những thử nghiệm về khả năng độc tế bào và độc tính in vivo.