Tổng quan nghiên cứu

Theo các báo cáo y tế, chấn thương xương là nguyên nhân đứng hàng thứ sáu gây tử vong trên toàn cầu, chiếm khoảng 6% tổng số ca tử vong do các nguyên nhân khác nhau. Tình trạng gãy xương và các bệnh lý liên quan đến xương ngày càng gia tăng, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển, gây ra gánh nặng lớn cho hệ thống y tế và xã hội. Trong bối cảnh đó, việc phát triển các vật liệu sinh học có khả năng hỗ trợ tái tạo xương là một nhu cầu cấp thiết. Hydrogel composite trên nền gelatin kết hợp với các polysaccharide như chitosan, alginate và chondroitin sulfate, cùng với các hạt nano biphasic calcium phosphate (BCP), được xem là giải pháp tiềm năng trong kỹ thuật mô xương (BTE).

Mục tiêu chính của nghiên cứu là điều chế thành công các vật liệu hydrogel composite in situ trên nền gelatin và polysaccharide, khảo sát khả năng tạo khoáng, quá trình phân hủy sinh học và đánh giá đặc tính tế bào nhằm tìm ra vật liệu phù hợp cho giai đoạn phát triển xương. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, TP. Hồ Chí Minh trong năm 2023, với phạm vi tập trung vào các vật liệu hydrogel composite chứa BCP có tỷ lệ mol Ca/P khoảng 1,57, phù hợp với thành phần khoáng tự nhiên của xương.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc phát triển vật liệu có tính tương hợp sinh học cao, khả năng kích thích tế bào xương phát triển, đồng thời có thời gian phân hủy phù hợp với quá trình tái tạo mô xương, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị các tổn thương xương và mở rộng ứng dụng trong kỹ thuật mô xương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết về vật liệu hydrogel: Hydrogel là polymer có cấu trúc mạng lưới ba chiều, có khả năng giữ nước cao, tính tương hợp sinh học và phân hủy sinh học. Hydrogel có thể được tổng hợp bằng các phương pháp liên kết ngang vật lý hoặc hóa học, trong đó liên kết ngang enzym (như horseradish peroxidase - HRP) được ưu tiên do tính đặc hiệu và điều khiển được thời gian gel hóa.

  • Mô hình biphasic calcium phosphate (BCP): BCP là hỗn hợp của hydroxyapatite (HAp) và beta-tricalcium phosphate (β-TCP), có khả năng phân hủy sinh học và giải phóng ion Ca2+ và PO43-, kích thích quá trình tạo xương. Tỷ lệ mol Ca/P khoảng 1,57 được xem là tối ưu cho khả năng tương hợp và kích thích tế bào xương.

  • Khái niệm về kỹ thuật mô xương (Bone Tissue Engineering - BTE): BTE sử dụng các khung nền (scaffold) 3D đa thành phần nhằm tái tạo mô xương, đòi hỏi vật liệu phải có tính tạo xương (osteoconduction), sinh xương (osteogenicity) và kích thích xương (osteoinduction).

Các khái niệm chính bao gồm: tính tương hợp sinh học, khả năng tạo khoáng sinh học, phân hủy sinh học, và đặc tính tế bào (đặc biệt là tế bào gốc trung mô - MSC).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các nguyên liệu tự nhiên gồm gelatin, chitosan, alginate, chondroitin sulfate và biphasic calcium phosphate tổng hợp nano. Các polymer được biến đổi hóa học để gắn nhóm tyramine hoặc 4-hydroxyphenylacetic acid nhằm tạo điều kiện cho phản ứng liên kết ngang enzym HRP/H2O2.

  • Phương pháp tổng hợp: Hydrogel composite được tổng hợp in situ bằng phương pháp pha trộn các polymer nền gelatin-tyramine (GTA) với các polysaccharide biến đổi (CHPA, ATA, CDTA) và hạt nano BCP, sử dụng enzyme horseradish peroxidase (HRP) và hydrogen peroxide (H2O2) làm xúc tác liên kết ngang.

  • Phân tích cấu trúc và tính chất: Sử dụng các kỹ thuật phân tích như X-ray diffraction (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) và proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR) để xác định cấu trúc hóa học, scanning electron microscopy (SEM) và energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) để khảo sát hình thái và thành phần nguyên tố.

  • Đánh giá tính chất vật lý và sinh học: Thời gian gel hóa, độ cứng, khả năng tạo khoáng trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể (SBF) trong 28 ngày, tỷ lệ phân hủy sinh học trong dung dịch PBS có enzyme collagenase, và khả năng tương tác với tế bào gốc trung mô (MSC) được đánh giá bằng phương pháp MTT và nhuộm tế bào.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trên nhiều mẫu hydrogel composite với tỷ lệ thành phần khác nhau (1:1, 1:2, 2:1) trong khoảng thời gian 12 tháng, từ tổng hợp, phân tích đến đánh giá sinh học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công hydrogel composite in situ: Các vật liệu hydrogel composite trên nền gelatin kết hợp với chitosan (CHPA), alginate (ATA), chondroitin sulfate (CDTA) và hạt nano BCP được tổng hợp thành công với thời gian gel hóa dao động từ vài phút đến vài chục phút tùy tỷ lệ enzyme HRP và thành phần polymer. Ví dụ, hydrogel CHPA-GTA có thời gian gel hóa khoảng 5-15 phút với HRP 0,07 mg/mL.

  2. Khả năng tạo khoáng và cấu trúc nano: Phân tích XRD và SEM cho thấy hydrogel composite chứa BCP duy trì cấu trúc tinh thể biphasic calcium phosphate sau 28 ngày ngâm trong dung dịch SBF, với sự hình thành các mảng khoáng apatite kích thước nano trên bề mặt. Hàm lượng Ca và P trong dung dịch SBF giảm khoảng 20-30% sau 28 ngày, chứng tỏ khả năng tạo khoáng tích cực.

  3. Tính phân hủy sinh học phù hợp: Hydrogel composite có tỷ lệ phân hủy sinh học trong dung dịch PBS có enzyme collagenase dao động từ 30-50% sau 28 ngày, phù hợp với thời gian tái tạo mô xương. Hydrogel CDTA-GTA có tỷ lệ phân hủy cao hơn so với CHPA-GTA và ATA-GTA, cho thấy khả năng điều chỉnh thời gian phân hủy bằng cách thay đổi thành phần polymer.

  4. Tương tác tế bào tốt: Đánh giá bằng phương pháp MTT và nhuộm tế bào cho thấy hydrogel composite không gây độc tế bào, tỷ lệ sống tế bào MSC sau 48 giờ tiếp xúc đạt trên 85%, cao hơn so với nhóm đối chứng. Hydrogel composite còn kích thích sự tăng sinh và biệt hóa tế bào xương, thể hiện qua biểu đồ tăng trưởng tế bào và hình ảnh nhuộm tế bào.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của việc tổng hợp hydrogel composite là do sự kết hợp giữa gelatin-tyramine với các polysaccharide biến đổi có nhóm phenol, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng liên kết ngang enzym HRP/H2O2, giúp kiểm soát thời gian gel hóa và tính cơ học của vật liệu. Sự bổ sung hạt nano BCP không chỉ cung cấp khoáng chất tương tự xương tự nhiên mà còn kích thích tế bào tạo xương nhờ giải phóng ion Ca2+ và PO43-.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, vật liệu hydrogel composite trong nghiên cứu này có khả năng tạo khoáng và phân hủy sinh học tốt hơn, đồng thời tương thích sinh học cao, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật mô xương hiện đại. Các biểu đồ XRD, SEM và tỷ lệ phân hủy sinh học minh họa rõ ràng sự ổn định cấu trúc và khả năng phân hủy có kiểm soát của vật liệu.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển vật liệu hydrogel composite đa thành phần có thể tùy chỉnh đặc tính theo nhu cầu tái tạo xương, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị các tổn thương xương phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình tổng hợp hydrogel composite chuẩn hóa: Đề xuất xây dựng quy trình tổng hợp in situ hydrogel composite trên nền gelatin và polysaccharide với tỷ lệ enzyme HRP và H2O2 được kiểm soát chặt chẽ nhằm đảm bảo thời gian gel hóa và tính cơ học phù hợp. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu sinh học, trong vòng 12 tháng.

  2. Ứng dụng hydrogel composite trong mô hình động vật: Khuyến nghị tiến hành các thử nghiệm tiền lâm sàng trên mô hình động vật để đánh giá hiệu quả tái tạo xương và an toàn sinh học của vật liệu. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu y sinh, trong vòng 18-24 tháng.

  3. Tối ưu hóa tỷ lệ thành phần và cấu trúc nano: Đề xuất nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của tỷ lệ các polymer và kích thước hạt BCP đến đặc tính vật lý và sinh học của hydrogel composite nhằm tối ưu hóa hiệu quả tái tạo. Chủ thể thực hiện: các nhóm nghiên cứu vật liệu, trong vòng 12 tháng.

  4. Phát triển hydrogel composite dạng tiêm tại chỗ: Khuyến nghị phát triển hydrogel composite dạng tiêm có khả năng gel hóa nhanh tại vị trí tổn thương, giảm thiểu xâm lấn phẫu thuật, tăng tính ứng dụng lâm sàng. Chủ thể thực hiện: các công ty công nghệ sinh học, trong vòng 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu sinh học: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về tổng hợp, phân tích cấu trúc và đánh giá tính chất của hydrogel composite, hỗ trợ phát triển vật liệu mới trong lĩnh vực mô xương.

  2. Bác sĩ chuyên khoa chỉnh hình và phục hồi chức năng: Thông tin về khả năng tái tạo xương và tương tác tế bào của vật liệu giúp lựa chọn phương pháp điều trị phù hợp cho bệnh nhân gãy xương và tổn thương mô xương.

  3. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và dược phẩm: Nghiên cứu mở ra cơ hội phát triển sản phẩm hydrogel composite ứng dụng trong điều trị xương khớp, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu biến chứng.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành Hóa hữu cơ, Vật liệu y sinh: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về kỹ thuật tổng hợp polymer biến đổi, phương pháp phân tích vật liệu và đánh giá sinh học trong lĩnh vực y sinh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hydrogel composite là gì và tại sao lại quan trọng trong tái tạo xương?
    Hydrogel composite là vật liệu polymer có cấu trúc mạng lưới ba chiều, kết hợp với các hạt khoáng như biphasic calcium phosphate để mô phỏng thành phần và cấu trúc xương tự nhiên. Chúng quan trọng vì có khả năng tương hợp sinh học, kích thích tế bào xương phát triển và phân hủy phù hợp với quá trình tái tạo mô.

  2. Phương pháp tổng hợp hydrogel composite in situ sử dụng enzyme HRP có ưu điểm gì?
    Phương pháp này cho phép kiểm soát thời gian gel hóa, tạo liên kết ngang đặc hiệu và êm dịu, không tạo ra sản phẩm phụ độc hại, phù hợp với ứng dụng y sinh và tiêm tại chỗ.

  3. Biphasic calcium phosphate (BCP) đóng vai trò gì trong hydrogel composite?
    BCP cung cấp ion Ca2+ và PO43- cần thiết cho quá trình khoáng hóa và kích thích tế bào tạo xương. Nó giúp vật liệu có tính tương hợp sinh học cao và khả năng tạo khoáng sinh học giống xương tự nhiên.

  4. Hydrogel composite có an toàn cho tế bào không?
    Kết quả đánh giá bằng phương pháp MTT và nhuộm tế bào cho thấy hydrogel composite không gây độc tế bào, tỷ lệ sống tế bào MSC trên 85% sau 48 giờ, đồng thời kích thích tăng sinh và biệt hóa tế bào xương.

  5. Thời gian phân hủy của hydrogel composite có phù hợp với quá trình tái tạo xương không?
    Hydrogel composite có tỷ lệ phân hủy sinh học từ 30-50% sau 28 ngày trong môi trường có enzyme collagenase, phù hợp với thời gian cần thiết để mô xương mới hình thành và thay thế vật liệu.

Kết luận

  • Đã điều chế thành công hydrogel composite in situ trên nền gelatin kết hợp chitosan, alginate, chondroitin sulfate và hạt nano biphasic calcium phosphate với thời gian gel hóa kiểm soát được.
  • Vật liệu có khả năng tạo khoáng sinh học tốt, duy trì cấu trúc biphasic calcium phosphate sau 28 ngày ngâm trong dung dịch mô phỏng dịch cơ thể.
  • Hydrogel composite có tỷ lệ phân hủy sinh học phù hợp, không gây độc tế bào và kích thích tăng sinh tế bào gốc trung mô.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu hydrogel đa thành phần ứng dụng trong kỹ thuật mô xương và điều trị tổn thương xương.
  • Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm tiền lâm sàng, tối ưu hóa thành phần và phát triển hydrogel dạng tiêm tại chỗ để nâng cao tính ứng dụng lâm sàng.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ sinh học nên tiếp tục đầu tư phát triển và ứng dụng hydrogel composite trong lĩnh vực tái tạo xương nhằm cải thiện hiệu quả điều trị và chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.