MỞ ĐẦU Vật liệu y sinh đã và đang đƣợc nghiên cứu mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu thay thế các bộ phận cơ thể, cấy ghép mô, xƣơng của con ngƣời, hứa hẹn cho việc chữa trị và tái tạo các mô và cơ quan bị mất hoặc bị tổn thƣơng do chấn thƣơng, bệnh tật hoặc lão hóa. Trong lĩnh vực vật liệu dùng cho xƣơng, nhiều loại vật liệu dùng trong cấy ghép và thay thế xƣơng đã phát triển đáng kể trong những thập kỷ qua nhƣ kim loại và hợp kim (titan, hợp kim của titan, thép không rỉ. Những vật liệu này tuy tƣơng hợp sinh học nhƣng tính chất cơ lý của kim loại, hợp kim khác biệt nhiều so với xƣơng dẫn đến nguy cơ gãy xƣơng do kém tƣơng thích giữa phần xƣơng tiếp xúc với kim loại ghép. Vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới hiện nay quan tâm đến vật liệu trên cơ sở calcium phoaphate nhƣ hydroxyapatite (HAp) và biphase calcium phosphate (BCP).
HAp và BCP có tính tƣơng hợp sinh học, hoạt tính sinh học cao, và khả năng chữa lành xƣơng do thành phần tƣơng tự thành phần khoáng trong xƣơng. Mặt khác, HAp và BCP có thể từ từ hòa tan trong cơ thể giải phóng ion calcium và phosphate có lợi trong việc hình thành và phát triển xƣơng. Tuy nhiên HAp và BCP ở dạng bột nên khó tạo hình có thành phần, cấu trúc xốp tƣơng tự nhƣ xƣơng. Các công trình nghiên cứu vật liệu hydrogel composite có khả năng tái tạo xƣơng trên cơ sở calcium phosphate và polymer tự nhiên nhƣ gelatin, chitosan, hyaluronic acid, collagen tuy nhiên thời gian phân hủy của các vật liệu này ngắn, chƣa phù hợp với thời gian phát triển của xƣơng.
Trên cơ sở kết quả kinh nghiệm chúng tôi đã làm tại bệnh viện đại học Soonchunhyang-Hàn quốc, vật liệu hydrogel composite sinh học trên cơ sở calcium phosphate, alginate và gelatin có khả năng kích thích phát triển tế bào xƣơng rất tốt đồng thời thời gian phân hủy của vật liệu phù hợp với thời gian xƣơng phát triển. Vật liệu hydrogel composite sinh học trên cơ sở BCP và oxidized alginate, gelatin, vật liệu tiềm năng đầy hứa hẹn trong lĩnh vực tái tạo xƣơng. Cấu trúc xốp 3D của hydrogel tạo điều kiện cho tế bào phát triển bên trong vật liệu giúp xƣơng phát triển bên trong vật liệu. Chúng tôi chọn vật liệu trên vì chúng tƣơng tự các thành phần của xƣơng.
Gelatin có nguồn gốc từ collagen, gelatin rất tƣơng hợp sinh học nên ứng dụng nhiều trong y học. Alginate là một 1 polysaccharide phân hủy sinh học, tƣơng thích với extracellular matrix của tế bào. BCP tƣơng hợp sinh học, BCP dần dần hòa tan và giải phóng các ion Ca 2+ và PO43-, có lợi để hình thành xƣơng. Hydrogel composite này tạo môi trƣờng phỏng theo môi trƣờng sinh học của xƣơng với sự tƣơng hợp sinh học cao, khi hydrogel composite phân hủy sinh học sẽ thúc đẩy quá trình tái tạo mô xƣơng, xƣơng mới hình thành thay thế dần hydrogel composite đƣợc cấy ghép.
Chúng tôi đã bƣớc đầu tổng hợp vật liệu hydrogel composite sinh học trên cơ sở calcium phosphate, alginate và đánh giá sơ khởi hoạt tính sinh học của vật liệu trên nhƣ tính tƣơng hợp sinh học và khả năng phát triển tế bào xƣơng MG-63 trên vật liệu hydrogel composite này, công trình nghiên cứu đƣợc công bố trên tạp chí Journal of Biomaterials Applications 27(3) 311–321. Kết quả cho thấy vật liệu hydrogel composite sinh học trên cơ sở calcium phosphate, oxidized alginate, gelatin tƣơng hợp sinh học, tế bào xƣơng MG-63 phát triển tốt trên vật liệu và điều thú vị của vật liệu này là thời gian phân hủy sinh học dài thích hợp làm vật liệu cho xƣơng. Trên cơ sở những kết quả đã đạt đƣợc, kinh nghiệm về tổng hợp nano calcium phosphate, hydrogel composite và những đánh giá ƣu khuyết điểm của những vật liệu composite y sinh của các nhóm nghiên cứu nhƣ đề cập trên chúng tôi hoàn thiện quy trình tổng hợp hydrogel composite sinh học trên cơ sở biphase calcium phosphate-oxidized alginate, gelatin ứng dụng làm vật liệu thay thế tạm thời và hỗ trợ quá trình tái tạo xƣơng. Trên cơ sở đó chúng tôi đề xuất đề tài “Hoàn thiện quy trình tổng hợp hydrogel composite sinh học trên cơ sở biphase calcium phosphate-oxidized alginate, gelatin ứng dụng làm vật liệu thay thế tạm thời và hỗ trợ quá trình tái tạo xƣơng”.
Mục tiêu của đề tài Hoàn thiện quy trình tổng hợp hydrogel composite sinh học trên cơ sở biphase calcium phosphate-oxidized alginate, gelatin ứng dụng làm vật liệu thay thế tạm thời và hỗ trợ quá trình tái tạo xƣơng làm cơ sở khoa học cho ứng dụng cho vật liệu y sinh thay thế tạm thời và hỗ trợ quá trình tái tạo xƣơng. 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Thành phần và cấu tạo của xƣơng Xƣơng là vật liệu dạng composite có thành phần bao gồm chất nền hữu cơ (organic matrix), các khoáng chất, tế bào và nƣớc [1]. Sự tích hợp của các khoáng chất trong chất nền hữu cơ làm cho xƣơng có tính chất cơ học cao do kết hợp giữa các tính chất giòn của khoáng chất và tính đàn hồi của chất nền hữu cơ [2]. Chất nền hữu cơ Xƣơng bao gồm những tế bào sống (living cells) nằm bên trong chất nền hữu cơ-khoáng (mineralized organic matrix).
Chất nền này chứa thành phần hữu cơ (phần lớn là collagen) và thành phần vô cơ (chủ yếu là các hydroxyapatite HAp). Thành phần hữu cơ chiếm khoảng 30% khối lƣợng xƣơng và 70% khối lƣợng xƣơng là HAp. Các bó sợi collagen tạo nên tính co dãn (tensile strength) và kết hợp với (synergistic) các tinh thể hydroxyapatite phân bố bên trong giữa các sợi collagen tạo nên tính chịu nén (compressional strength) của xƣơng. Collagen loại I là thành phần chính của chất nền hữu cơ của xƣơng, chiếm khoảng 30% của chất nền khô không khử khoáng (dry nondemineralized matrix).
Collagen loại I là một dị polymer (heteropolymer) của hai chuỗi giống nhau và một chuỗi riêng biệt, mỗi chuỗi đều có thành phần, cấu trúc chính (Gly-X-Y)n, trong đó X và Y thƣờng là proline hoặc hydroxyproline [3]. Mô tip phổ biến nhất trong dãy acid amino của collagen là glycin-proline-X và glycin-X-hydroxyproline, với X là acid amino bất kỳ nào đó khác với glycin, proline hay hydroxyproline. Collagen đƣợc biến tính vị trí dịch mã (post-translationally modified) để chứa hydroxylysine, hydroxyproline, và glycosylated hydroxylysine. Trong mạng ngoại bào (extracellular matrix), các hydroxylysine còn lại đƣợc tham gia vào sự hình thành liên kết ngang collagen ổn định (stable collagen cross-links).
Ngoài ra, chất nền hữu cơ của xƣơng còn chứa một lƣợng nhỏ các collagen loại III, loại V và loại XII. Những collagen này ảnh hƣởng đến các tính chất của mô xƣơng. Các tinh thể chất khoáng của xƣơng đƣợc liên kết với trục dài song song với trục collagen. Trong trƣờng hợp các phân tử collagen bị thay đổi (nhƣ trong trƣờng hợp của các đột biến di truyền trong bệnh xƣơng dẫn đến xƣơng dễ gãy, hay còn gọi là bệnh xƣơng giòn), tinh thể khoáng có kích thƣớc nhỏ hơn so với tinh thể ở những 3 ngƣời trong độ tuổi xƣơng khỏe mạnh và các khoáng chất cũng có thể đƣợc tìm thấy bên ngoài sợi collagen.
Collagen làm thay đổi các tính chất của xƣơng và khoáng chất cho thấy tầm quan trọng của collagen đối với sự tạo khoáng thích hợp của xƣơng. Các khoáng chất của xương Thành phần khoáng vô cơ của xƣơng (bone mineral) là các muối của calcium và phosphate, trong đó thành phần chính là hydroxyapatite với công thức hóa học Ca10(PO4)6(OH)2 [4]. Phân tích các khoáng chất trong xƣơng cho thấy tỉ lệ mol Ca:P từ 1,3 đến 1,9. Tỉ lệ này phụ thuộc sự đóng góp của các phosphate hữu cơ trong chất nền xƣơng, và bản chất của các khoáng chất trong xƣơng.
Ngoài ra, thành phần khoáng vô cơ của xƣơng còn có các vết của các nguyên tố magnesium, sodium, potassium và muối carbonate. Hiện tƣợng tạo khoáng xƣơng đƣợc đặc biệt quan tâm bởi sự tạo khoáng xƣơng có tính chất quan trọng trong quá trình hình thành xƣơng. Các kết quả của nhiều nghiên cứu khoa học cho thấy cơ chế tạo khoáng xƣơng đƣợc thực hiện thông qua các quá trình tạo khoáng sinh học trong môi trƣờng tế bào (cell-mediated biomineralization). Nét chung của tạo khoáng sinh học xƣơng đều đƣợc thực hiện thông qua trung gian tế bào ở cả bên ngoài và bên trong bộ khung xƣơng (exo- and endo-skeleton).
Chất nền protein, thƣờng là anion, hoạt động nhƣ hạt nhân tạo mầm kết tinh và chất điều chỉnh các quá trình khoáng hoá. Trong quá trình hình thành xƣơng, sự tạo khoáng ban đầu xảy ra tại nhiều vùng dọc theo chất nền collagen và đƣợc coi là mầm của sự hình thành apatite đầu tiên. Khi các tinh thể khoáng chất đầu tiên đƣợc hình thành ở những vị trí riêng rẽ, chúng phát triển qua quá trình kéo dài bằng sự kết tụ. Kích thƣớc của các tinh thể khoáng chất trong xƣơng rất nhỏ, các nhà khoa học cho rằng khoảng cách giữa các sợi collagen và khoảng cách giữa các chất nền protein hoạt động nhƣ chất ức chế điều chỉnh kích thƣớc và hình dạng của các tinh thể khoáng chất.
Các chất nền protein này ổn định các mầm tinh thể đầu tiên, làm cho quá trình tăng sinh khoáng chất thuận lợi hơn, cũng có thể bao phủ những tinh thể này và ảnh hƣởng đến hình dạng, kích thƣớc của tinh thể. 4 Sự lắng đọng khoáng chất trong xƣơng trong quá trình phát triển và tái tạo xƣơng là một quá trình phức tạp liên quan đến các tế bào, các chất nền ngoại bào hữu cơ, và các quá trình hóa lý. Khoáng chất của xƣơng có thành phần và kích cỡ khác nhau, nhƣng các tinh thể khoáng chất luôn gắn liền với chất nền collagen [5]. Vật liệu dùng cấy ghép và tái tạo xƣơng Vật liệu y sinh đã và đang đƣợc nghiên cứu mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu thay thế các bộ phận cơ thể, cấy ghép mô, xƣơng của con ngƣời, hứa hẹn cho việc chữa trị và tái tạo các mô và cơ quan bị mất hoặc bị hƣ do chấn thƣơng, bệnh tật hoặc lão hóa.
Trong những năm gần đây, con ngƣời đã đạt đƣợc những tiến bộ đáng kể trong việc cấy ghép nội tạng, phẫu thuật tái tạo và sử dụng mô nhân tạo để điều trị, cấy ghép các cơ quan nội tạng hoặc mô xƣơng [6]. Sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ đã cho ra đời rất nhiều vật liệu dùng trong cấy ghép, tái tạo xƣơng. Các phương pháp ghép xương Phƣơng pháp ghép xƣơng tự thân (xƣơng từ cơ thể ngƣời nhận ghép từ nhiều vùng khác nhau) là tốt nhất bởi vì vật liệu này có khả năng tạo xƣơng rất cao và không xảy ra phản ứng thải ghép, nhƣng nhƣợc điểm là bệnh nhân phải chịu thêm phẫu thuật để lấy xƣơng và có thể xảy ra các biến chứng do lấy xƣơng.