Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ mô sinh học là lĩnh vực nghiên cứu liên ngành nhằm phát triển hoặc tái tạo các mô và cơ quan nhân tạo, đóng vai trò quan trọng trong y học tái tạo và điều trị các tổn thương mô. Theo ước tính, nhu cầu về các mô kỹ thuật ngày càng tăng do sự gia tăng các bệnh lý mô và cơ quan, cũng như hạn chế trong nguồn hiến tạng. Trong đó, khung hỗ trợ sinh học là thành phần thiết yếu, đóng vai trò như "ngôi nhà" cho tế bào sinh trưởng và phát triển, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hình thành mô kỹ thuật.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế cấu trúc và đánh giá mức độ điền đầy dung môi của khung in 3D hỗ trợ trong công nghệ mô, với phạm vi nghiên cứu tại Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2023. Mục tiêu cụ thể là xây dựng các mô hình khung với các cấu trúc khác nhau, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng như độ xốp, độ liên thông, góc tiếp xúc và độ thẩm thấu, từ đó xác định cấu trúc tối ưu cho khả năng điền đầy dung môi, góp phần nâng cao hiệu quả nuôi cấy mô.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ mô kỹ thuật tại Việt Nam, hỗ trợ tạo ra các mô kỹ thuật phù hợp với nhiều loại mô khác nhau, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ in 3D trong y học tái tạo. Các chỉ số đánh giá như độ xốp đạt trung bình khoảng 57-59%, góc tiếp xúc và mức độ điền đầy dung môi được đo bằng hệ thống camera tốc độ cao, đảm bảo tính chính xác và thực tiễn của kết quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về công nghệ mô sinh học, đặc biệt tập trung vào vai trò và đặc tính của khung hỗ trợ sinh học trong nuôi cấy mô. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết về khung sinh học (Scaffold Theory): Khung hỗ trợ được xem như ma trận ngoại bào nhân tạo, cung cấp môi trường 3D cho tế bào bám dính, tăng sinh và biệt hóa. Các đặc tính hình học như kích thước lỗ, độ xốp, độ liên thông và tính thẩm thấu ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển mô.

  2. Mô hình cơ học và sinh học của khung hỗ trợ: Đặc tính cơ học (độ cứng, mô-đun đàn hồi) và đặc tính sinh học (tương thích sinh học, khả năng phân hủy) được cân bằng để đảm bảo khung vừa hỗ trợ cấu trúc mô vừa không cản trở quá trình trao đổi chất.

Các khái niệm chính bao gồm: độ xốp (porosity), độ liên thông (interconnectivity), góc tiếp xúc (contact angle), và độ thẩm thấu (permeability). Độ xốp thể hiện tỷ lệ thể tích lỗ rỗng so với tổng thể tích khung; độ liên thông phản ánh mức độ kết nối giữa các lỗ rỗng; góc tiếp xúc đánh giá tính ưa nước của bề mặt khung; độ thẩm thấu đo khả năng dung dịch và dưỡng chất đi qua khung.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô hình hóa CAD và in 3D để thiết kế và chế tạo các mẫu khung hỗ trợ với các cấu trúc khác nhau: vuông cơ bản, vuông dịch chỉnh, vuông đan xen, sóng cơ bản và sóng dịch chỉnh. Vật liệu sử dụng là Polycaprolactone (PCL) với các đặc tính sinh học và cơ học phù hợp.

Nguồn dữ liệu thu thập bao gồm:

  • Đo đạc độ xốp dựa trên khối lượng và thể tích mẫu in.
  • Đo góc tiếp xúc bằng kỹ thuật nhỏ giọt và camera độ phân giải cao.
  • Đánh giá mức độ điền đầy dung dịch trong khung bằng hệ thống camera tốc độ cao ghi lại quá trình thẩm thấu.
  • Thí nghiệm tính thấm sử dụng phương pháp falling-head và thiết bị đo áp suất, lưu lượng.

Cỡ mẫu gồm nhiều mẫu khung in 3D với kích thước 15x15x15 mm, được in với tốc độ 10 mm/s và gia tốc 1000 mm/s². Phương pháp chọn mẫu dựa trên thiết kế mô hình CAD với các tham số cấu trúc được điều chỉnh để đánh giá ảnh hưởng đến đặc tính điền đầy. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, với các giai đoạn thiết kế, chế tạo, thí nghiệm và phân tích dữ liệu.

Phân tích dữ liệu sử dụng các công thức tính độ xốp, độ liên thông, góc tiếp xúc và độ thẩm thấu dựa trên định luật Darcy, kết hợp phân tích hình ảnh từ video thí nghiệm để đánh giá mức độ điền đầy dung dịch.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ xốp của các cấu trúc khung: Độ xốp thực nghiệm của các khung in 3D dao động trong khoảng 57% đến 59%, trong đó khung vuông đan xen có độ xốp cao nhất trung bình 58.78%, khung vuông dịch chỉnh đạt 57.52%, và khung vuông cơ bản thấp nhất khoảng 57.2%. Sai số so với thiết kế lý tưởng nằm trong khoảng 3-5% do sự giao thoa giữa các lớp in.

  2. Góc tiếp xúc của các khung: Góc tiếp xúc đo được cho thấy các khung có tính ưa nước, với góc tiếp xúc nhỏ hơn 90°, tạo điều kiện thuận lợi cho dung dịch và tế bào thẩm thấu vào khung. Các khung có cấu trúc sóng dịch chỉnh và vuông đan xen thể hiện góc tiếp xúc thấp hơn, cho thấy khả năng hấp thụ dung dịch tốt hơn.

  3. Mức độ điền đầy dung dịch: Qua thí nghiệm sử dụng camera tốc độ cao, khung vuông đan xen và sóng cơ bản có thời gian điền đầy nhanh nhất, với chiều sâu thấm đạt khoảng 6-8 mm sau 60 giây. Ngược lại, khung vuông dịch chỉnh có thời gian điền đầy lâu nhất, do cấu trúc lỗ rỗng đan xen làm dòng chảy dung dịch chậm và phân bố đều hơn.

  4. Xu hướng dòng chảy trong khung: Dung dịch trong khung vuông cơ bản và sóng cơ bản di chuyển thẳng từ trên xuống dưới, giúp thẩm thấu sâu. Khung vuông dịch chỉnh có dòng chảy dạng tam giác ngược, làm chậm tốc độ thẩm thấu nhưng phân bố dung dịch đều hơn. Khung vuông đan xen có dòng chảy lan rộng trên bề mặt, hạn chế thẩm thấu sâu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy cấu trúc khung ảnh hưởng rõ rệt đến đặc tính điền đầy dung dịch, từ đó ảnh hưởng đến khả năng nuôi cấy và phát triển mô. Độ xốp cao và độ liên thông tốt giúp tăng khả năng thẩm thấu và vận chuyển dưỡng chất, phù hợp với yêu cầu của công nghệ mô sinh học. Góc tiếp xúc nhỏ thể hiện tính ưa nước của vật liệu PCL và cấu trúc bề mặt, tạo điều kiện thuận lợi cho tế bào bám dính.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng của cấu trúc lỗ rỗng và tính thẩm thấu đến sự phát triển mô. Việc sử dụng công nghệ in 3D cho phép kiểm soát chính xác các tham số cấu trúc, từ đó tối ưu hóa đặc tính khung hỗ trợ. Biểu đồ chiều sâu thấm và bán kính thấm theo thời gian minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các cấu trúc, giúp trực quan hóa hiệu quả điền đầy.

Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế khung hỗ trợ phù hợp cho từng loại mô kỹ thuật, góp phần nâng cao hiệu quả điều trị và ứng dụng trong y học tái tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa cấu trúc khung in 3D: Khuyến nghị sử dụng cấu trúc vuông đan xen hoặc sóng cơ bản để đạt mức độ điền đầy dung dịch nhanh và sâu, cải thiện hiệu quả nuôi cấy mô. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do các nhóm nghiên cứu và nhà sản xuất vật liệu sinh học.

  2. Điều chỉnh độ xốp và độ liên thông: Đề xuất thiết kế khung với độ xốp khoảng 58% và độ liên thông cao để cân bằng giữa khả năng thẩm thấu và tính cơ học. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế và nhà nghiên cứu vật liệu, áp dụng trong 3-4 tháng.

  3. Sử dụng vật liệu PCL kết hợp nhóm calcium phosphate: Để tăng khả năng bám dính tế bào và tăng sinh, nên phối hợp PCL với các vật liệu sinh học khác, nâng cao tính tương thích sinh học. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 1 năm, do các phòng thí nghiệm chuyên ngành.

  4. Phát triển hệ thống đo lường tự động: Áp dụng hệ thống camera tốc độ cao và phần mềm phân tích hình ảnh để đánh giá mức độ điền đầy và góc tiếp xúc chính xác, hỗ trợ quá trình kiểm soát chất lượng khung in. Chủ thể là các nhóm kỹ thuật và công nghệ thông tin, triển khai trong 6 tháng.

Các giải pháp trên nhằm nâng cao chất lượng khung hỗ trợ trong công nghệ mô, góp phần thúc đẩy ứng dụng thực tiễn và phát triển ngành y học tái tạo tại Việt Nam.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu công nghệ mô sinh học: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình thiết kế khung hỗ trợ, giúp nghiên cứu phát triển các mô kỹ thuật mới với cấu trúc tối ưu.

  2. Kỹ sư và chuyên gia in 3D trong y sinh: Tham khảo các phương pháp thiết kế và chế tạo khung in 3D, cũng như các tham số kỹ thuật quan trọng để ứng dụng trong sản xuất mô hình sinh học.

  3. Bác sĩ và chuyên gia y học tái tạo: Hiểu rõ về vai trò và đặc tính của khung hỗ trợ trong nuôi cấy mô, từ đó áp dụng hiệu quả trong điều trị và phát triển các phương pháp điều trị mới.

  4. Nhà sản xuất vật liệu sinh học: Nắm bắt các yêu cầu về vật liệu và cấu trúc khung hỗ trợ, từ đó phát triển các loại vật liệu phù hợp với công nghệ mô và in 3D.

Mỗi nhóm đối tượng có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả công việc, từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng lâm sàng và sản xuất công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Khung hỗ trợ sinh học là gì và tại sao quan trọng?
    Khung hỗ trợ sinh học là cấu trúc 3D mô phỏng ma trận ngoại bào, cung cấp môi trường cho tế bào bám dính và phát triển. Nó quan trọng vì ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành và chức năng của mô kỹ thuật.

  2. Độ xốp và độ liên thông ảnh hưởng thế nào đến nuôi cấy mô?
    Độ xốp cao giúp tăng không gian cho tế bào và dưỡng chất, trong khi độ liên thông cao đảm bảo sự kết nối giữa các lỗ rỗng, tạo điều kiện cho dòng chảy và trao đổi chất hiệu quả.

  3. Tại sao sử dụng PCL làm vật liệu in 3D?
    PCL có tính tương thích sinh học tốt, phân hủy sinh học chậm, độ dẻo dai cao và khả năng kết hợp với các vật liệu khác, phù hợp cho ứng dụng trong công nghệ mô và in 3D.

  4. Làm thế nào để đo mức độ điền đầy dung dịch trong khung?
    Sử dụng hệ thống camera tốc độ cao ghi lại quá trình dung dịch thẩm thấu vào khung, kết hợp phân tích hình ảnh để xác định chiều sâu và bán kính thấm theo thời gian.

  5. Cấu trúc khung nào tối ưu cho công nghệ mô?
    Nghiên cứu cho thấy cấu trúc vuông đan xen và sóng cơ bản có khả năng điền đầy dung dịch nhanh và sâu nhất, phù hợp cho việc nuôi cấy và phát triển mô kỹ thuật.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công các mẫu khung in 3D với các cấu trúc khác nhau, sử dụng vật liệu PCL phù hợp cho công nghệ mô sinh học.
  • Độ xốp thực nghiệm đạt khoảng 57-59%, với khung vuông đan xen có độ xốp cao nhất, đảm bảo khả năng thẩm thấu và nuôi cấy tế bào.
  • Góc tiếp xúc và mức độ điền đầy dung dịch được đo chính xác bằng hệ thống camera tốc độ cao, cho thấy cấu trúc ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả thẩm thấu.
  • Cấu trúc vuông đan xen và sóng cơ bản được xác định là tối ưu cho khả năng điền đầy dung dịch, hỗ trợ phát triển mô kỹ thuật hiệu quả.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa cấu trúc và vật liệu, đồng thời phát triển hệ thống đo lường tự động để nâng cao chất lượng khung hỗ trợ trong công nghệ mô.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ mở rộng ứng dụng các cấu trúc này trong nuôi cấy tế bào thực tế và thử nghiệm in vivo, đồng thời phát triển vật liệu composite nâng cao tính năng khung hỗ trợ. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực công nghệ mô được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên kết quả này để thúc đẩy ngành y học tái tạo tại Việt Nam.