CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Định nghĩa và phân loại Hydrogel là một loại polymer có thể trương nở và lưu trữ nước, với mạng lưới ba chiều chứa các liên kết chéo làm cho hydrogel có thể giữ nước mà không hòa tan trong nước. Chuỗi polymer tạo hydrogel được hình thành từ các monomer giống nhau (homopolymer) hoặc khác nhau (copolymer), các monome này chứa các nhóm chức ưa nước hoặc kỵ nước, việc lựa chọn thành phần của chuỗi polymer rất quan trọng, bởi nó sẽ ảnh hưởng đến tính ưa nước, độ trương nở của hydrogel sau này [17, 18]. Cơ thể con người được xem là một khối hydrogel sinh học, có thể biến dạng và chứa 60-90% nước vì thế có thể xem hydrogel là một loại mô tự nhiên, có khả năng tương thích sinh học cao với con người. Vào năm 1960, lần đầu tiên hydrogel được tổng hợp và sử dụng làm kính áp tròng, ngoài ra chúng còn được dùng trong cảm biến, thiết bị truyền động, lớp phủ, quang học,… Sự phát triển của hydrogel với các ứng dụng mới đã thu hút các nhà nghiên cứu từ nhiều lĩnh vực như hóa học, vật lý, kỹ thuật và y học [19].
Có thể phân loại hydrogel theo các phương pháp được trình bày ở Hình 1 [17, 20].1: Phân loại hydrogel 1 1.2 Các tính chất của hydrogel Do chitosan, vật liệu để tạo thành hydrogel trong bài nghiên cứu này là polymer tự nhiên, nên các tính chất của hydrogel được trình bày dưới đây là tính chất của hydrogel dựa trên polymer tự nhiên 1.1 Tính chất cơ học Tính chất cơ học là một trong những tính chất quan trọng khi lựa chọn vật liệu. Hydrogel là một loại vật liệu mềm có tính đàn hồi. Tùy thuộc vào polymer ban đầu, cụ thể là dựa vào sự có mặt của các nhóm ưa nước gắn với chuỗi polymer (OH, CONH, COOH, CONH2, SO3H), và số lượng các nhóm phản ứng trong chuỗi, các hydrogel sẽ có các tính chất cơ học khác nhau. Ví dụ, với các hydrogel chứa nhiều nhóm ưa nước, chúng sẽ có khả năng hấp thụ nước tốt và tăng cường độ cứng.
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, có thể chọn các loại polymer thích hợp. Độ đàn hồi là một trong những tính chất cơ học quan trọng bởi nó ảnh hưởng đến khả năng tự lành của hydrogel, một trong những khả năng đáng chú ý của hydrogel trong y học. Ngoài ra các tính chất cơ học của hydrogel còn bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường chẳng hạn như pH, nhiệt độ, cường độ ion [21].2 Khả năng tương thích sinh học của hydrogel Tương thích sinh học là khả năng vật liệu thể hiện sự lành tính khi tương tác với các chủ thể sinh học. Mục đích của việc xác định khả năng tương thích sinh học là để đánh giá mức độ ảnh hưởng của vật liệu với cơ thể của con người.
Đây là đặc tính quan trọng bắt buộc phải có của hydrogel khi muốn trở thành vật liệu y sinh. Hydrogel có cấu trúc giống với cấu trúc nền ECM hay ma trận ngoại bào tự nhiên, đây là cấu trúc nền thường nằm bên ngoài màng plasma của tế bào như collagen, elastin, glycosaminoglycans, vì vậy hydrogel sở hữu những đặc tính gần giống với các cấu trúc nền này, từ đó dễ dàng tương thích với cơ thể người. Hydrogel là loại polymer đầu tiên được sử dụng trong cơ thể người. Hydrogel có cấu trúc tuyệt vời giúp chúng có thể giữ nước và che giấu thuốc mà không làm thay đổi các tính chất của chúng.
Tùy thuộc vào nguyên liệu ban đầu tạo ra hydrogel mà các vậy liệu này có ứng dụng khác nhau trong y học nhưng nhìn chung khi sử dụng các vật liệu này trên cơ thể người cần chú ý đến viêm nhiễm, chữa lành vết thương hay phản ứng miễn dịch của cơ thể [22].3 Tính chất trương nở Khả năng thay đổi thể tích để đáp ứng với những kích thích bên ngoài là một trong những tính chất cơ bản của hydrogel. Do chứa mạng lưới polymer ưa nước liên kết ngang, nên thay vì hòa tan vào nước, hydrogel sẽ trương nở trong nước. Ngoài một số hydrogel sẽ trương nở khi ngâm nước, có một số loại hydrogel sẽ chuyển đổi giữa pha gel và pha sol. Khi mất nước, hydrogel ở trạng thái thủy tinh, nhưng khi ngâm vào nước, bên ngoài hydrogel sẽ phồng lên, chuyển từ pha thủy tinh sang pha cao su cho nước chảy vào, trong khi bên trong vẫn là pha thủy tinh.
Các chất khuếch tán chậm trong pha thủy tinh nhưng dễ dàng khuếch tán trong pha cao su. Hydrogel có thể hấp thụ và giữ một lượng nước lớn nên vật liệu này khá giống với tế bào sống của con người. Việc trương nở khi gặp kích thích từ môi trường là một trong những đặc tính kiến hydrogel trở thành vật liệu tiềm năng trong vận chuyển thuốc, điều trị vết thương trong y học [18].2: Hydrogel ở trạng thái mất nước (a), trương nở (b) và co lại (c) 1.4 Đặc tính tự phục hồi của hydrogel Tính chất tự phục hồi giúp hydrogel chống lại các hư hỏng hay khiếm khuyết khi được sử dụng trong điều kiện sinh lý của con người, tính chất này cũng là tính chất của của các mô trong cơ thể. Việc tự phục hồi giúp làm tăng tuổi thọ của vật liệu, ít tốn kém và hạn chế sử dụng các tài nguyên thiên nhiên.
Hydrogel có khả năng tự phục hồi là nhờ 3 vào các liên kết cộng hóa trị hoặc không cộng hóa trị, các liên kết mới sẽ được hình thành khi các liên kết trước đó không còn do hydrogel bị phá hủy, khiến cho hydrogel có khả năng khôi phục lại như ban đầu. Có hai cơ chế được giải thích cho đặc tính tự lành của hydrogel, một là sự khuếch tán các chuỗi polymer tại vùng bị phân các, hai là sự tái tạo các liên kết thuận nghịch của các chuỗi polymer để phục hồi lại bề mặt bị phá hủy [23].3: Quá trình tự phục hồi của hydrogel 1.5 Các tính chất sinh học khác của hydrogel Ngoài những tính chất đã nêu trên, hydrogel còn thể hiện các đặc tính sinh học khác. Một số hydrogel có khả năng chống oxi hóa, tính năng này giúp cho hydrogel ức chế các phản ứng tạo gốc tự do, gây độc cho tế bào, hydrogel từ chitosan kết hợp với acid galic, chitosan kết hợp với methacrylamine hay hydrogel poly(tannic acid) là một số hydrogel có khả năng chống oxi hóa sinh học. Tính kháng khuẩn cũng là một trong những tính chất được chú ý của hydrogel khi nghiên cứu chúng để làm vật liệu y sinh.
Hydrogel dựa trên những vật liệu có khả năng kháng khuẩn vốn có như các chất kháng sinh, polymer tự nhiên, các ion lưỡng tính, chiết xuất sinh học được phát triển, giúp chúng trở thành những loại vật liệu kháng khuẩn có hiệu quả cao mà lại ít hoặc không có tác dụng phụ. Bên cạnh tính kháng khuẩn, kháng viêm cũng là một trong những tính chất của hydrogel được các nhà khoa học quan tâm. Viêm là phản ứng miễn dịch của cơ thể khi gặp phải các kích thích có hại như các vết thương hay mầm bệnh. Các loại thuốc chống viêm có thể làm giảm các triệu chứng như sưng hoặc viêm tuy nhiên những loại thuốc này thường có tác dụng phụ gây ảnh hưởng đến thận khi sử dụng lâu ngày.
Hydrogel sinh học dựa trên polymer được tạo ra dưới dạng một tiền chất của thuốc chống viêm có khả năng lưu 4 trữ và giải phóng thuốc một cách hiệu quả, điều này giúp quản lý được lượng thuốc, đồng thời hạn chế các độc tính cho cơ thể [24].3 Ứng dụng của hydrogel Tùy thuộc vào các đặc tính, cấu trúc và tính chất hóa học mà hydrogel đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, được thể hiện ở Hình 1.4: Ứng dụng của hydrogel 1.1 Ứng dụng trong y học Với khả năng tương tích sinh học, kháng khuẩn, trương nở tốt và những đặc tính khác, việc sử dụng hydrogel trong phân phối thuốc, kỹ thuật mô, băng vết thương đang được các nhà khoa học chú ý. a) Phân phối thuốc 5 Một số loại thuốc khi sử dụng không chỉ tác động vào vị trí bệnh trong cơ thể mà còn ảnh hưởng đến nhiều vị trí khác, gây nên tình trạng nơi cần điều trị phải cung cấp thêm nhiều thuốc, điều này yêu cầu bệnh nhân phải liên tục sử dụng thuốc và đúng liều lượng, trong khi một số bộ phận trong cơ thể khỏe mạnh lại bị ảnh hưởng bởi thuốc, gây độc cho các bộ phận đó, vì vậy việc nghiên cứu một chất vận chuyển thuốc có thể kiểm soát và phân phối thuốc tại chỗ đang được nghiên cứu, một trong những loại vật liệu đang được chú ý đó là hydrogel. Với tính chất và cấu trúc có thể dễ dàng được thay đổi bằng cách điều chỉnh thành phần các nguyên liệu ban đầu cùng với việc thay đổi các liên kết chéo, hydrogel tối ưu hóa các đặc tính hỗ trợ cho việc vận chuyển thuốc. Tùy thuộc vào số nhóm ưa nước trong thành phần của polymer ban đầu, hydrogel có thể mang và bảo vệ được nhiều loại thuốc, làm chậm hoặc ngăn chặn sự phân hủy thuốc, kéo dài thời gian tồn tại của thuốc giúp hạn chế sử dụng nhiều thuốc, đồng thời cung cấp khả năng giải phóng, có thể được điều chỉnh bằng quá trình khuếch tán, hoặc được điều khiển từ xa bởi các yếu tố kích thích từ môi trường [26].
Thuốc được vận chuyển bằng hydrogel có thể được đưa vào cơ thể bằng nhiều đường khác nhau. Ví dụ hydrogel dựa trên chitosan có thể được uống trực tiếp để điều trị các bệnh ở miệng, dạ dày, ruột non hay ruột già; hoặc có thể tạo thành dạng màng hydrogel để hấp thụ thuốc qua da điều trị các bệnh về da, hydrogel hỗ trợ hấp thụ các chất qua da cũng có thể được ứng dụng trong ngành mỹ phẩm như sản xuất mặt nạ, kem dưỡng da, dưỡng tóc; hay thậm chí có thể chế tạo thành thuốc nhỏ mắt, mũi để điều trị bệnh về giác mạc mắt hay niêm mạc mũi [27]. b) Kỹ thuật mô Kỹ thuật mô (TE) là một trong những biện pháp giúp điều trị cho những bệnh nhân mất hoặc hư hỏng các mô hay cơ quan trên cơ thể. Theo Jueying Yang và cộng sự, kỹ thuật mô có thể được chia thành 4 quy trình: (1) Lấy và phân tách các tế bào cụ thể từ các mô sống của bệnh nhân; (2) Các tế bào phát triển trong khung ba chiều và mở rộng để hình thành các mô hoặc cấu trúc mới; (3) các tế bào và cấu trúc khung được cấy vào vị trí của cơ thể, dẫn đến sự hình thành mô mới trong khung; (4) khung dần dần xuống cấp, mô phát triển và cơ quan hoặc mô bị hư hỏng được xây dựng lại [28].