CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Công nghệ mô kỹ thuật Công nghệ mô kỹ thuật là một lĩnh vực gần đây nhằm phát triển hoặc tái tạo các mô và cơ quan nhân tạo. Ý tưởng thay thế một bộ phận cơ thể bị hư hỏng bằng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên đã được đề xuất và thậm chí đã được áp dụng từ rất nhiều năm trước. Tuy nhiên, phải đến gần đây, các mô sống mới được chế tạo, tạo ra lĩnh vực công nghệ mô.
Công nghệ mô là một lĩnh vực mới nổi hứa hẹn cung cấp sự thay thế cho các mô bị tổn thương bằng cách kết hợp ba yếu tố chính, đó là tế bào, khung hỗ trợ và hoạt chất sinh cơ hoặc sinh hóa. Nghiên cứu hiện tại trong lĩnh vực này tập trung vào sự phát triển của ba yếu tố này để trả lời các câu hỏi cơ bản và tạo ra các mô sống có chức năng. Công nghệ mô đã cho thấy những thành công đáng kể trong việc tạo ra các mô và cơ quan vô mạch (ví dụ: da, sụn, bàng quang, v.) và có nhiều hứa hẹn về việc sản xuất các mô và cơ quan phức tạp hơn có chứa cấu trúc mạch ba chiều có tổ chức cao. Trong tương lai, công nghệ mô dự kiến sẽ tạo ra các mô và cơ quan phức tạp hơn sẽ hữu ích trong việc khắc phục nhu cầu hiến tặng nội tạng, giảm số lượng động vật được sử dụng trong nghiên cứu phát hiện thuốc và độc tính của thuốc, và tạo điều kiện phát triển các chẩn đoán thông minh và y học cá nhân hóa [1].
Bên cạnh công nghệ mô ứng dụng, nhu cầu hiểu biết đầy đủ về các ngành khoa học cơ bản điều khiển tế bào, môi trường vi mô của chúng và các tín hiệu điều khiển hành vi của chúng là rất quan trọng.1 Quy trình áp dụng công nghệ mô vào cấy ghép tạng Ba thành phần cơ bản của công nghệ mô: (1) các tế bào bám dính và sinh trưởng để tạo thành các mô chức năng; (2) Khung đỡ thích hợp để cấy ghép và nâng đỡ; và (3) các phân tử hoạt tính sinh học và các yếu tố tăng trưởng sẽ hỗ trợ và điều chỉnh sự hình thành mô mong muốn [2]. Ba thành phần này có thể được sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp để tái tạo các cơ quan hoặc mô.2- Các thành phần của công nghệ mô Trong ba thành phần kể trên, khung sinh học hay khung hỗ trợ 3D đóng vai trò rất quan trọng trong việc định hình cấu trúc, tạo cấu trúc nền cho tế bào bám dính và phát triển. Tuỳ theo từng loại mô sinh học có tính chất khác nhau mà các khung hỗ trợ này ngoài hình dáng bên ngoài khác nhau tương ứng với mô cần tạo thì kết cấu khung bên trong, đặc tính cơ lý và vật liệu cũng khác nhau.2 Khung hỗ trợ trong công nghệ mô sinh học 1.1 Vai trò của khung hỗ trợ Khung hỗ trợ làm bằng vật liệu sinh học có thông thường khả năng tự phân huỷ sinh học đóng vai trò là nhà, nền hoặc cấu trúc để gắn kết tế bào, tăng sinh và cuối cùng dẫn đến hình thành mô mới. Các khung hỗ trợ với tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao tạo điều kiện cho sự bám dính, tăng trưởng, di chuyển và biệt hóa của tế bào, tất cả đều là những đặc tính rất được mong muốn cho các ứng dụng công nghệ mô.
Do đó, nghiên cứu hiện tại trong lĩnh vực này được hướng tới việc chế tạo và mô tả đặc tính của khung hỗ trợ cho các ứng dụng công nghệ mô.3- Khung hỗ trợ và các thành phần 1.2 Đặc tính của khung hỗ trợ Khung hỗ trợ được sản xuất từ nhiều loại vật liệu sinh học khác nhau và được sản xuất bằng nhiều kỹ thuật chế tạo đã được sử dụng trong lĩnh vực này với nỗ lực tái tạo các mô và cơ quan khác nhau trong cơ thể. Bất kể loại mô là gì, khung hỗ trợ cần có một số đặc tính về hình học và sinh học cơ bản như sau: a) Tương thích sinh học Tiêu chí đầu tiên của bất kỳ khung hỗ trợ nào cho công nghệ mô là nó phải tương thích sinh học; các tế bào phải bám dính, hoạt động bình thường và di chuyển lên bề mặt và cuối cùng đi qua khung hỗ trợ và bắt đầu tăng sinh trước khi tạo ra chất nền mới. Sau khi cấy ghép, cấu trúc khung hỗ trợ hoặc mô được thiết kế phải tạo ra một phản ứng miễn dịch không đáng kể để ngăn chặn nó gây ra phản ứng viêm nghiêm trọng đến mức có thể làm giảm sự chữa lành hoặc gây ra sự đào thải của cơ thể. b) Khả năng phân hủy sinh học Mục tiêu của công nghệ mô là cho phép các tế bào của chính cơ thể, theo thời gian, cuối cùng sẽ thay thế khung hỗ trợ được cấy ghép hoặc cấu trúc mô đã được thiết kế.
Do đó, khung hỗ trợ phải có khả năng phân hủy sinh học để cho phép các tế bào sản xuất chất nền ngoại bào của chính chúng. Các sản phẩm phụ của quá trình thoái hóa này cũng không độc hại và có thể thoát ra khỏi cơ thể mà không ảnh hưởng đến các cơ quan khác. Hiện nay, có một số loại polyme có khả năng phân huỷ sinh học phổ biến là PCL, PLA, PLGA tuy nhiên thời gian phân huỷ sinh học của những loại này khác nhau. Do vậy, cần lựa chọn và có chế độ kết hợp phù hợp để khống chế thời gian phân huỷ sinh học với thời gian sinh trưởng của tế bào và hình thành mô.
c) Tính chất cơ học Tốt nhất, khung hỗ trợ phải có các đặc tính cơ học phù hợp với vị trí giải phẫu mà nó sẽ được cấy ghép và từ góc độ thực tế, nó phải đủ mạnh để cho phép xử lý phẫu thuật trong quá trình cấy ghép. Việc chế tạo ra các khung hỗ trợ với các đặc tính cơ học thích hợp là một trong những thách thức lớn trong việc cố gắng tạo ra xương hoặc sụn. Đối với những mô này, khung hỗ trợ cấy ghép phải có đủ tính toàn vẹn cơ học để hoạt động từ khi cấy ghép đến khi hoàn thành quá trình hình thành mô. Nhiều vật liệu đã được sản xuất với các tính chất cơ học tốt nhưng không có lợi cho việc giữ được độ xốp cao và nhiều vật liệu đã được chứng minh là có tiềm năng in vitro đã thất bại khi cấy in vivo do không đủ khả năng tạo mạch.
Rõ ràng là sự cân bằng giữa các đặc tính cơ học và cấu trúc xốp đủ để cho phép xâm nhập tế bào và mạch máu là chìa khóa thành công của bất kỳ khung hỗ trợ nào. d) Kiến trúc khung hỗ trợ 3 Kiến trúc của khung hỗ trợ được sử dụng cho công nghệ mô là rất quan trọng. Các khung phải có cấu trúc lỗ xốp liên kết với nhau và độ xốp cao để đảm bảo sự xâm nhập của tế bào và sự khuếch tán đầy đủ các chất dinh dưỡng đến các tế bào trong cấu trúc và đến chất nền ngoài tế bào do các tế bào này hình thành. Hơn nữa, cần phải có một cấu trúc liên kết xốp để cho phép khuếch tán các chất thải ra khỏi khung, và các sản phẩm thoái hóa của khung phải có thể thoát ra khỏi cơ thể mà không ảnh hưởng đến các cơ quan khác và các mô xung quanh.
Một thành phần quan trọng khác là kích thước lỗ trung bình của khung hỗ trợ. Mật độ lỗ bị ảnh hưởng bởi diện tích bề mặt cụ thể, tức là bề mặt có sẵn trong lỗ mà tế bào có thể bám vào. Điều này phụ thuộc vào kích thước lỗ trung bình trong khung hỗ trợ. Do đó, các lỗ cần phải đủ lớn để cho phép các tế bào di chuyển vào cấu trúc, nơi cuối cùng chúng bám.
e) Công nghệ sản xuất Để một cấu trúc khung hỗ trợ hoặc mô cụ thể trở nên khả thi về mặt lâm sàng và thương mại, nó phải hiệu quả về mặt chi phí và có thể mở rộng quy mô từ việc sản xuất từng cái một trong phòng thí nghiệm nghiên cứu sang sản xuất hàng loạt nhỏ. Một yếu tố quan trọng khác là xác định cách một sản phẩm sẽ được phân phối và cung cấp cho bác sĩ lâm sàng. Điều này sẽ xác định cách thức lưu trữ khung hỗ trợ hoặc cấu trúc được thiết kế theo mô hình.3 Các phương pháp chế tạo khung hỗ trợ bằng in 3D Trước đây khung hỗ trợ được chế tạo bằng các phương pháp đúc trong khuôn truyền thống với một số kỹ thuật tạo lỗ như bay hơi (gas foaming) hay làm chảy muối (salt leaching). Tuy nhiên các phương pháp này không tạo được hình dáng phức tạp mong muốn, không khống chế được đặc tính hình học của lỗ.
Hiện nay phương pháp phổ biến để tạo khung hỗ trợ là bằng in 3D với nhiều công nghệ khác nhau và đa dạng về vật liệu cũng như cấu trúc khung [3]. Với công nghệ in 3D, các khung hỗ trợ được tạo ra dễ dàng kiểm soát được các đặc tính hình học từ đó điều chỉnh được các đặc tính kỹ thuật và đặc tính sinh học 1.1 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA Hình 1.4 Phương pháp tạo mẫu lập thể SLA [4] 4 a. Giới thiệu Đây là công nghệ sử dụng tia UV để làm cứng nhựa cảm quang tạo thành mẫu vững chắc theo từng lớp.Quá trình tương đối đơn giản nhưng hiệu quả, cho chính xác cao. Đến nay kĩ thuật SLA vẫn là phương pháp in chính xác nhất, mỗi lớp có thể mỏng tới 0,06mm.
Chi tiết in cần phải thêm các kết cấu trợ giúp để tăng độ cứng chi tiết và để tránh cho phần chi tiết đã được tạo thành chìm trong chất lỏng không bị nổi lên hoặc không bị trôi nổi tự do ở trong thùng. a) Vật liệu sử dụng Loại nhựa lỏng có khả năng đông đặc dưới tác dụng của các tia tử ngoại như: tia gama, tia cực tím, tia x, tia electron, phóng xạ của trường điện từ, như expoxy, actylates, … b) Ưu điểm •Hệ thống cứng vững và hoàn toàn tự động, độ chính xác kích thước cao (0. • Độ bóng bề mặt cao, độ phân giải cao phù hợp với các chi tiết phức tạp. c) Nhược điểm • Sản phẩm bị rổ khí, lớp sản phẩm in cuối cùng dễ bị lỗi.
• Phải qua giai đoạn hậu xử lý, chi phí vận hành và bảo trì cao.2 Phương pháp tạo mẫu FDM (Fused Deposition Modeling) Hình 1.