CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu nanocomposite dùng làm giá thể cho xương 1.1 Khái niệm về vật liệu nanocomposite Định nghĩa về vật liệu nanocomposite trong những năm qua đã được mở rộng để bao gồm một cách tổng quát hơn như là vật liệu một chiều, hai chiều, ba chiều và vật liệu vô định hình, được tạo thành từ các thành phần khác nhau rõ rệt và được trộn lẫn ở quy mô nanomet. Tóm lại, nanocomposite có thể được định nghĩa nó là vật liệu đa pha, trong đó có ít nhất một pha có một, hai hoặc ba chiều nhỏ hơn 100 nm hoặc các pha hỗn hợp có khoảng cách kích thước nano giữa các pha khác nhau tạo nên vật liệu. Vật liệu nanocomposite có thể cải thiện đáng kể các đặc tính như: các tính chất cơ học bao gồm độ bền, môđun và độ ổn định kích thước; độ dẫn điện, điện hóa, nhiệt, quang học và xúc tác; giảm tính thấm khí, nước và hydrocacbon. Vì vậy, nó được ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vực, cụ thể như làm hệ thống phân phối thuốc trong y học; lớp phủ hàng rào chống ăn mòn; gel chống tia cực tím; chất bôi trơn và sơn không trầy xước; làm vật liệu chống cháy, chống mài mòn; tạo sợi và màng có độ bền vượt trội; … [1].2 Tổng quan về giá thể xương Tái tạo mô xương là một lĩnh vực dựa trên nguyên tắc khả năng tái sinh của cơ thể sống để tạo ra các loại mô mới nhằm mục đích thay thể sự mất mác, hư tổn của các mô xương cũ [2].
Các vật liệu sử dụng để tái tạo mô xương được gọi là giá thể. Như vậy, giá thể được hiểu là một vật liệu có cấu trúc ba chiều, nó có thể là vật liệu composite kết hợp giữa các polymer sinh học với một số thành phần tương ứng khác được ứng dụng vào kỹ thuật tái tạo xương trong y học. Để đáp ứng làm với chức năng làm giá thể xương, giá thể composite cần phải có cấu trúc xốp, phải tương thích với môi trường cơ thể và đặc biệt phải có tính phân hủy sinh học tốt [2].1 Sơ đồ cách thức tiếp cận kỹ thuật mô dựa trên giá thể Dựa trên công dụng của nó, giá thể được chia thành nhiều loại. Nhưng với chức năng tái tạo mô xương, nó cơ bản được chia thành 2 loại chính là giá thể truyền dẫn xương và giá thể mang [3].
Có nhiều phương pháp để chế tạo nên giá thể, bao gồm: phương pháp quay điện, đông khô, tự lắp ráp, thiêu kết laser chọn lọc, tách pha, … Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm. Tuy nhiên, cần phải chọn một phương pháp mà nó có thể kiểm soát được các tính chất về cấu trúc như độ xốp, kích thước lỗ rỗng nhằm phù hợp với vai trò làm giá thể xương [4]. Quan trọng hơn, nguyên vật liệu làm giá thể cần phải có những đặc tính phù hợp với các tính chất của nó. Vì vậy, việc lựa chọn ra các vật liệu thích hợp để chế tạo nên một loại giá thể một việc làm rất quan trọng.3 Cấu trúc của xương Xương là một cấu trúc phức tạp, được tạo thành từ mô đặc (lớp cứng, bên ngoài) và mô xốp (lớp xốp, bên trong chứa tủy đỏ).
Mô xương được duy trì bởi các tế bào tạo xương gọi là nguyên bào xương và các tế bào phân hủy xương gọi là hủy cốt bào. Mô xương bao gồm từ 50 – 70% là thành phần vô cơ hoặc pha khoáng, 20 – 40% là thành phần hữu cơ, 5 – 10% là nước và 3% là lipid. Thành phần chính của pha khoáng là Hydroxylapatite (Ca10(PO4)6(OH)2 và các muối của Magie, Mangan, Silic, Kẽm, Đồng… Thành phần chính của pha hữu cơ là các collagen và các phức hợp protein. Khoáng chất vô cơ có chức năng hỗ trợ độ bền cơ học và khả năng chịu lực còn các pha hữu cơ thì tạo ra tính đàn hồi và tính linh hoạt.
Chúng được liên kết chặt chẽ với nhau đảm bảo cho xương đặc có tính đàn hồi và rắn chắc.2 Thành phần và cấu trúc của xương 1.2 Các đặc tính của giá thể composite Giá thể composite để sử dụng trong kỹ thuật tái tạo mô xương cần phải có tính chất sau: • Độ xốp: Giá thể phải có độ xốp phù hợp để vận chuyển các chất dinh dưỡng, loại bỏ chất thải và trao đổi chất với nhau nhờ sự trợ giúp của các lỗ rỗng, vì vậy các lỗ rỗng phải được liên kết chặt chẽ với nhau trong một giá thể. Hơn nữa, độ liên thông tốt của các lỗ rỗng sẽ giúp các mao mạch phát triển tốt hơn. Nếu tỉ lệ thể tích bề mặt trên diện tích lớn sẽ cho phép tế bào phát triển và nó sẽ phân bố trong toàn bộ cấu trúc của giá thể, nhờ đó việc tái tạo tế bào mới xung quanh giá thể composite sẽ diễn ra thuận lợi [5]. Tuy nhiên, độ xốp của giá thể cũng ảnh hưởng đến các tính chất khác của vật liệu, điển hình là độ bền cơ học.
Khi giá thể có quá nhiều lỗ rỗng thì độ bền cơ của giá thể sẽ bị giảm, vì vậy cần phải xem xét cân bằng giữa độ xốp và độ bền để vật liệu có thể đáp ứng đầy đủ các đặc tính của một giá thể cho xương. • Kích thước lỗ rỗng: Đây cũng là một tiêu chí quan trọng để chế tạo giá thể xương. Kích thước lỗ rỗng phù hợp sẽ giúp cho sự trao đổi và vận chuyển chất dinh dưỡng bên trong diễn ra thuận lợi, đồng thời độ bền cơ học của vật liệu cũng sẽ được đảm bảo. Theo nghiên cứu, kích thước lỗ rỗng của giá thể thường nằm trong khoảng từ 300 µm đến 900 µm được cho là phù hợp [6], do các kích thước này có những ưu điểm cụ thể về tỉ lệ bề mặt trên thể tích, tạo điều kiện thuận lợi cho tế bào, mô và mạch máu phát triển.
6 • Tính chất cơ: Để tồn tại trong môi trường cơ thể, giá thể composite phải có đủ độ bền cơ học để chống chịu với áp suất và sự chèn ép của các cơ quan khác khi được cấy vào cơ thể người. Vì thế, tính chất cơ học là một đặc tính quan trọng và được quan tâm nhất trong quá trình chế tạo nên vật liệu [7]. • Tính tương thích sinh học: Khi tiếp xúc với cơ thể sống, giá thể phải tương thích với môi trường bên trong cơ thể. Giá thể không được tạo ra bất kì ảnh hưởng tiêu cực nào đến mọi cơ quan trong cơ thể, không gây hại cho hệ miễn dịch và không làm biến đồi các thành phần trong môi trường cơ thể.
• Khả năng phân hủy sinh học: Sau khi được cấy ghép vào phần xương bị tổn thương, giá thể phải suy thoái để tạo không gian cho xương mới tái tạo và phát triển. Ngoài ra, tốc độ phân hủy của vật liệu phải phù hợp với tốc độ phát triển của tế bào, sao cho sau khi xương mới được lắp đầy thì vật liệu phải hoàn toàn bị phân hủy [8].3 Các phương pháp chế tạo thường dùng Việc chế tạo giá thể phải được xem xét để sau giá thể được hình thành, nó phải thể hiện đầy đủ các tính chất của một giá thể xương. Các phương pháp chế tạo thường sử dụng như: [4] + Phương pháp đông khô: Nó bắt đầu bằng sự đông đặc của một dung dịch polymer, dẫn đến sự hình thành của các tinh thể dung môi được bao quanh bởi các tập hợp polymer, sau đó dung môi trải qua quá trình thăng hoa trực tiếp thành khí từ pha rắn. Ưu điểm là không cần phải lọc riêng biệt và không sử dụng nhiệt độ để sấy vật liệu nhưng mất nhiều thời gian cho quá trình sấy mẫu.
+ Phương pháp quay điện: Sử dụng điện trường đặt bên ngoài để kéo các sợi tích điện của dung dịch polymer hoặc polymer nóng chảy dưới dạng các tia phản lực mỏng từ ống mao. Ưu điểm của phương pháp là vật liệu được chế tạo nhanh chóng, kiểm soát được kích thước lỗ xốp nhưng độ bền cơ học thấp. + Phương pháp tự lắp ráp: Phương pháp sử dụng các sợi nano tự lắp ráp với nhau thông qua quá trình điều khiển của phần mềm máy tính tự động. Nó có ưu điểm là kiểm soát được độ xốp, kích thước lỗ rỗng nhưng lại gây tốn nhiều chi phí vật tư và thông số thiết kế phức tạp.
7 + Phương pháp rửa trôi muối: Kỹ thuật này sử dụng các chất để phân tán vào một cấu trúc khuôn và sau đó nó bị hòa tan để loại bỏ sau khi cấu trúc đã ổn định. Ưu điểm của phương pháp là đơn giản, dễ thực hiện nhưng khó kiểm soát được kích thước lỗ xốp.1 Tổng quan về tinh bột Tinh bột là một carbohydrate có rất nhiều trong tự nhiên, thường được lưu trữ trong cây thực vật. Đây là nguồn năng lượng quan trọng sử dụng rộng rãi hằng ngày để làm thực phẩm cho con người. Công thức phân tử của tinh bột là (C6H10O5.Tinh bột được cấu tạo từ hai polymer bao gồm các D- glucose lặp lại là amylose và amylopectin có công thức được mô tả như hình 1.
Amylose là một polymer mạch thẳng, bao gồm các phân tử glucose liên kết α (1,4) còn amylopectin có khối lương phân tử lớn hơn vì có nhiều nhánh hơn với các liên kết nhánh α (1,6). Tỷ lệ amylose/amylopectin trong tinh bột thay đổi theo loại thực vật và có thể thay đổi theo điều kiện thời tiết và trồng trọt như bảng 1.1 Hàm lượng amylose và amylopectin trong một số loại thực vật Hàm lượng Amylose Hàm lượng Amylopectin Loại thực vật (%) (%) Sắn 10.78 Các polymer hoạt tính phân hủy sinh học có nền từ tinh bột thì thường có hàm lượng tinh bột từ 10 – 90%. Khi hàm lượng tinh bột tăng, các composite polymer trở nên dễ bị phân hủy hơn. Phân hủy sinh học polymer trên nền tinh bột dựa trên sự tấn công của enzym vào các liên kết glucoside giữa các nhóm đường làm giảm độ dài mạch, phân chia các mắt xích đường thành monosaccharide, disaccharide, oligosaccharide.3 Cấu trúc phân tử của amylose Hình 1.4 Cấu trúc phân tử của amylopectin 1.2 Tính tan trong nước và sự hồ hóa của tinh bột của tinh bột Amylose khi hòa tan vào nước sẽ nhanh chóng bị thoái hóa và không tan trong nước.
Ở nhiệt độ thường, amylopectin ít tan trong nước, chỉ tan trong nước nóng. Khi ngâm tinh bột vào nước, nước sẽ bị hấp thụ vào tinh bột nên thể tích hạt sẽ tăng. Hiện tượng này được gọi là sự trương nở của tinh bột. Độ trương nở tùy thuộc vào tỷ lệ giữa amylose và amylopectin [12].