MỞ ĐẦU Theo các báo cáo, chấn thương là nguyên nhân đứng hàng thứ tư gây tử vong ở mọi độ tuổi (6%). Bên cạnh đó, thương tật gây ra do chấn thương đang ở mức cao trên toàn cầu, đặc biệt là ở các quốc gia đang phát triển. Trong đó, tai nạn giao thông, tai nạn công nông nghiệp, thiên tai (lũ lụt và động đất) là những nguyên nhân chính dẫn đến thương tích. Trong vài thập kỷ qua, con người cũng chứng kiến những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe xương khớp [1].
Hiện nay, vật liệu hydrogel đang được chú trọng phát triển để dần thay thế cho những vật liệu truyền thống dùng trong cấy ghép trước đây như kim loại, hợp kim (titan, hợp kim titan của titan, thép không gỉ…). Chúng có tính tương hợp sinh học, tính cơ lý và độ đàn hồi tốt. Bên cạnh đó, vật liệu có thể bao bọc các yếu tố khác để gia tăng khả năng kích thích tế bào xương phát triển. Vì biphasic calcium phosphate (BCP) có thành phần tương tự thành phần khoáng trong xương, tính tương hợp sinh học, hoạt tính sinh học cao và khả năng chữa lành xương, các nhà khoa học đã nghiên cứu vật liệu cấy ghép tái tạo trên cơ sở các vật liệu composite chứa BCP.
Ngoài ra, BCP có khả năng phân hủy từ từ 2+ 3- trong cơ thể để giải phóng ion Ca và PO4 có lợi trong việc hình thành và phát triển tế bào xương. Tuy nhiên, BCP ở dạng bột với kích thước hạt lớn, khó có thể cung cấp khoáng cho xương [2]. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu điều chế in situ hydrogel composite trên nền gelatine và chitosan/alginate/chondroitin sulfate định hướng trong tái tạo xương” được thực hiện với các mục tiêu như sau: - Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hydrogel mới trên nền gelatin với các polysaccharide (chitosan, alginate, chondroitin sulfate) kết hợp với các hạt nano biphasic calcium phostphate để tạo ra vật liệu có khả năng tương hợp sinh học, kích thích sự phát triển xương, có thời gian suy giảm phù hợp với thời gian xương phát triển để có thể ứng dụng trong lĩnh vực tái tạo xương. 2 Mục tiêu cụ thể - Điều chế thành công một số hệ hydrogel composite trên nền gelatin kết hợp với polysaccharide như chitosan, alginate, chondroitin sulfate để mang các hạt nano Biphasic calcium phostphate.
- Khảo sát khả năng tạo khoáng, quá trình phân hủy sinh học của vật liệu với các nền khác nhau Từ đó tìm ra được hệ hydrogel composite phù hợp với giai đoạn phát triển của xương. Nội dung nghiên cứu Để làm sáng tỏ các mục tiêu nghiên cứu nêu trên, luận án gồm 8 nội dung chính được trình bày sau đây. - Nội dung 1: Điều chế và khảo sát các đặc tính của các hạt khoáng nano BCP. - Nội dung 2: Tổng hợp và đánh giá cấu trúc, hình thái của các hydrogel và hydrogel composite gelatin-tyramin (GTA).
- Nội dung 3: Tổng hợp và đánh giá cấu trúc, hình thái của các hydrogel và hydrogel composite chitosan 4-hydroxyphenylacetic acid (CHPA). - Nội dung 4: Tổng hợp và đánh giá cấu trúc, hình thái của các hydrogel và hydrogel composite alginate-tyramin (ATA). - Nội dung 5: Tổng hợp và đánh giá cấu trúc, hình thái của các hydrogel và hydrogel composite chondroitin sulfate-tyramin (CDTA). - Nội dung 6: Tổng hợp và xác định các tính chất của hydrogel và hydrogel composite trên nền GTA với từng loại vật liệu CHPA, ATA, CDTA với các tỉ lệ khác nhau.
- Nội dung 7: Đánh giá khả năng tạo khoáng của hydrogel và hydrogel composite trên nền GTA với từng loại vật liệu CHPA, ATA, CDTA với các tỉ lệ khác nhau. 3 - Nội dung 8: Đánh giá độc tính tế bào bằng phương pháp MTT và chụp ảnh tế bào của hydrogel và hydrogel composite trên nền GTA với từng loại vật liệu CHPA, ATA, CDTA với tỉ lệ khác nhau. Thành phần, cấu tạo của xương và giới thiệu về Biphasic calcium phosphate 1. Giới thiệu về xương Định nghĩa: Xương là bộ khung vững chắc nâng đỡ toàn cơ thể, có tác dụng che chở và bảo vệ những cơ quan bên trong như: hộp sọ, lồng ngực, khung chậu,…và là chỗ bám của các cơ.
Khung xương có ba nhiệm vụ chủ yếu: nâng đỡ, bảo vệ và vận động. Tủy xương là nơi tạo máu, sản sinh ra hồng cầu. Xương cũng là kho dự trữ khoáng chất (calci và phospho…) mà khi cần cơ thể có thể huy động lấy ra [3]. Cấu tạo và thành phần của xương - Cấu tạo đại thể: Bất kỳ một xương nào cũng được cấu tạo bằng các thành phần sau đây (kể từ ngoài vào trong): ngoài cùng là màng ngoài xương (ngoại cốt mạc), kế tiếp là xương đặc (cortical bones), dưới lớp xương đặc là xương xốp (trabecular hay cancellous bones), trong cùng là tủy xương (tủy đỏ và tủy vàng) [3].
20% tổng khối lượng xương là xương xốp, 80% còn lại là xương đặc. Xương xốp có độ chuyển hóa cao, có diện tích rộng hơn, và dễ bị gãy hơn xương đặc [4]. Cấu tạo của xương [5] - Cấu tạo vi thể: mô xương là thành phần quan trọng nhất cấu tạo nên bộ xương. Mô xương là hình thái thích nghi đặc biệt của mô liên kết, tuy nhiên, các thành phần ngoài tế bào bị calci hóa làm cho chất căn bản trở nên cứng rắn.
Mô xương được tạo thành từ các tế bào, các sợi và chất căn bản. Xương được cấu thành từ 4 loại tế bào chính: tế bào tạo xương (osteoblast), tế bào hủy xương (osteoclast), cốt bào (osteocyte), và tế bào liên kết (lining cells). Những tế bào này tương tác với một số chất khoáng, protein, hormon, và các phân tử khác để nuôi dưỡng xương, liên tục bỏ xương cũ và thay bằng xương mới qua một quá trình mô hình và tái mô hình (modelling và remodelling) [6]. Biphasic calcium phosphate (BCP) Trong số nhiều vật liệu sinh học, calcium phosphate tồn tại trong xương tự nhiên đã được quan tâm nghiên cứu.
Nó có thể góp phần trực tiếp vào quá trình tái tạo xương hoặc hỗ trợ việc các vật liệu sinh học khác trong quá trình tái tạo xương. Calcium phosphate có tiềm năng rất lớn cho ghép xương vì chúng có tính tương hợp sinh học, tính dẫn tạo xương, tính kích tạo xương và có khả năng tạo 2+ 3- liên kết trực tiếp với xương. Sự giải phóng các ion Ca và PO4 điều chỉnh việc kích hoạt các tế bào tạo xương và tế bào hủy xương để tạo điều kiện cho quá trình tái tạo xương. Quá trình suy giảm của calcium phosphate tạo kết tủa carbonate apatite có thành phần và cấu trúc tương tự với các khoáng chất 6 sinh học của xương.
Các đặc tính ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học khác nhau tùy thuộc vào loại calcium phosphate như HAP, TCP và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau do sự khác biệt về khả năng giải phóng ion, độ hòa tan, độ ổn định và độ bền cơ học. Khả năng kích tạo xương của các vật liệu kích thích tế bào gốc biệt hóa thành tế bào xương có sự ảnh hưởng khác nhau dựa trên loại calcium phosphate. Thứ tự ưu tiên của sự kích tạo xương có thể được xác định như sau: β-TCP > BCP > HAp > ACP (β-TCP: Beta tricalcium phosphate; Hap: Hydroxylapatite; ACP: Amorphous Calcium Phosphate). BCP, hay còn gọi là hỗn hợp của HAp và β-TCP, đang thu hút sự quan tâm trong nghiên cứu vì có ảnh hưởng tích cực đối với quá trình tái tạo xương hơn so với HAp hoặc β-TCP đơn lẻ.
BCP có tốc độ tan phù hợp với thời gian tái tạo xương và khả năng kích thích quá trình hình thành xương. BCP có thể được sản xuất dưới dạng bột, viên, khối đặc hoặc xốp [7] Do những ưu điểm như trên, vật liệu composite chứa calcium phosphate cho thấy tiềm năng đáp ứng các yêu cầu của vật liệu y sinh dùng cho xương. Vật liệu composite này có thành phần, cấu trúc tương tự xương, tương hợp sinh học, suy giảm sinh học. Calcium phosphate thúc đẩy sự khoáng hoá, cải thiện tính chất cơ học so với vật liệu cấy ghép trước đây.
Calcium phosphate phân tán trong polymer tự nhiên sẽ cung cấp mầm cho sự hình thành lớp tạo khoáng cũng như di chuyển tế bào xương đến vùng xương bị tổn thương từ đó thúc đẩy 7 quá trình tái tạo xương và đựợc kỳ vọng nhiều trong lĩnh vực cấy ghép và tái tạo xương. Tỷ lệ mol Ca/P trong xương được phân tích và cho thấy giá trị nằm trong khoảng từ 1,3 đến 1,9. Tỉ lệ này phụ thuộc vào sự đóng góp của các phosphate hữu cơ trong chất nền xương và bản chất của các khoáng chất trong xương [8]. Các nghiên cứu khoa học đã cho thấy rằng, cơ chế tạo khoáng xương được diễn ra thông qua các quá trình tạo khoáng sinh học trong môi trường tế bào.
Ban đầu, quá trình tạo khoáng tập trung vào nhiều vùng khác nhau dọc theo các sợi collagen. Tại những điểm này, các tinh thể khoáng đầu tiên bắt đầu hình thành ở vị trí cụ thể, sau đó tiếp tục phát triển thông qua một quá trình kéo dài qua là quá trình kết tụ. Điều quan trọng là trong quá trình tạo khoáng, kích thước và hình dạng của các mầm tinh thể apatite được điều chỉnh bởi môi trường collagen và các protein xung quanh. Điều này dẫn đến việc các mầm tinh thể này luôn có kích thước nano.
Các bệnh liên quan đến xương và phương pháp điều trị phổ biến 1. Các bệnh liên quan đến xương Các bệnh lý bộ máy vận động rất phong phú, đa dạng thường được chia làm hai nhóm: nhóm có chấn thương (chấn thương do thể thao, tai nạn giao thông, tai nạn lao động, tai nạn sinh hoạt)… và nhóm không chấn thương (bao gồm nhiều loại bệnh lý như lupus ban đỏ hệ thống, gút, viêm khớp nhiễm khuẩn, loãng xương, thoái hóa khớp, thoái hóa cột sống, u xương nguyên phát, ung thư di căn xương,…) Quá trình liền xương và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình liền xương Khi xương bị gãy, quá trình liền xương diễn ra. Đây là một quá trình phức tạp. Về mặt mô học, có bốn giai đoạn của quá trình liền xương: viêm, tạo can xương, sửa chữa can xương và hồi phục hình thái xương [9].
- Giai đoạn viêm: bắt đầu ngay sau khi xương bị gãy và kéo dài khoảng 3 tuần. Áp lực gây gãy xương làm tổn thương các tế bào tại vùng gãy, gây chết các tế 8 bào. Các tế bào này cần các yếu tố kích thích sự hình thành mạch máu, dẫn đến mở rộng mạch máu và tăng khả năng thẩm thấu của chúng, do đó làm tăng lưu lượng máu tới vùng gãy.