Hydrogel tái tạo xương: Rút ngắn thời gian hình thành xương cho người bệnh

Mới đây, PGS.TS Nguyễn Thị Hiệp (trường Đại học Quốc tế, Đại học Quốc gia TP.HCM) và đồng nghiệp đã nghiên cứu và bước đầu thử nghiệm thành công một loại hydrogel từ alginate, carboxymethyl chitosan và beta-tricalcium phosphate có tiềm năng giúp bệnh nhân hình thành xương nhanh chóng và đồng đều hơn so với phương pháp trước đây.

Các mẫu hydrogel với nồng độ alginate và chitosan khác nhau.

Là một “bộ khung” quan trọng giúp bảo vệ các cơ quan trong cơ thể con người, xương được tạo nên từ các thành phần hữu cơ, chẳng hạn như protein (collagen) và pha khoáng vô cơ - những thành phần đem lại cho chúng có khả năng tái tạo đáng kể.

Tuy nhiên, khả năng này gặp rất nhiều hạn chế trong những trường hợp người bệnh bị mất một phần xương lớn, gặp phải các chấn thương nặng hoặc phải cắt bỏ khối u liên quan đến xương. “Cho đến nay, người ta thường sử dụng san hô, xương thu từ động vật (bò hay heo) hoặc xương hiến tặng ở các ngân hàng xương để tái tạo và chỉnh hình cho bệnh nhân”, PGS.TS Nguyễn Thị Hiệp - Trưởng khoa Kỹ thuật Y sinh, Đại học Quốc tế (Đại học Quốc gia TP.HCM) cho biết. “Nhưng việc cấy ghép các vật liệu này giống như việc lắp một viên đá vào khoảng trống trong nền nhà, nó có ưu điểm là cung cấp nền để xương phát triển, song, với những khe hở phức tạp thì giải pháp lại chưa xử lý triệt để được”.

Hứa hẹn giảm thời gian điều trị

Với những nhà khoa học đã theo đuổi lĩnh vực Kỹ thuật y sinh suốt nhiều năm nay như nhóm của PGS.TS Hiệp, viễn cảnh về một vật liệu có thể tiêm vào các vị trí xương tổn thương, từ đó len lỏi vào những khoảng trống trong xương và tăng hiệu quả điều trị cho người bệnh là điều mà nhóm luôn mường tượng.

“Chúng tôi muốn giải quyết vấn đề cặn kẽ hơn, đó là làm thế nào để lấp đầy những vết nứt phức tạp ở xương. Bởi, điều quan trọng nhất là chất lượng và độ khỏe của xương sau khi điều trị, đồng thời phải rút ngắn được thời gian người bệnh chờ đợi xương phát triển”, PGS.TS Hiệp nói. Và với kỹ thuật mô xương - một lĩnh vực trong Kỹ thuật y sinh, vật liệu sẽ tải được tế bào cũng như các phân tử sinh học có khả năng lôi cuốn tế bào đến đúng vị trí và hình thành nên xương nhanh hơn - đáp ứng những mục tiêu mà nhóm của PGS.TS Hiệp mong muốn.

PGS.TS Nguyễn Thị Hiệp và sinh viên trong phòng thí nghiệm.

Thực tế, đây cũng là hướng đi đang thu hút rất nhiều nhà khoa học trên thế giới. Trong đó, “hydrogel là một loại vật liệu sinh học lý tưởng trong kỹ thuật mô xương, có thể hỗ trợ và tương tác với xương tự nhiên”, theo nhóm nghiên cứu của PGS.TS Hiệp. Đặc biệt, các hydrogel có nguồn gốc tự nhiên (chẳng hạn như chitosan, alginate, axit hyaluronic) có nhiều điểm tương đồng với chất nền ngoại bào về cấu trúc và thành phần. “Ngoài ra, hydrogel tự nhiên có tính tương hợp sinh học tốt, có khả năng phân hủy sinh học cũng như có các các đặc tính vật lý để có thể chế tạo linh hoạt”, PGS.TS Hiệp nói thêm về lý do nhóm quyết định tập trung vào chế tạo hydrogel.

Dù đã nghiên cứu và phát triển thành công các sản phẩm tương tự như keo dán, băng dán sinh học và vật liệu hồi phục vết thương không cần kim chỉ khâu, cũng như đã sản xuất thành công β-tricalcium phosphate - một thành phần cho hydrogel tái tạo xương trước đây, nhóm nghiên cứu của PGS.TS Hiệp vẫn gặp không ít thách thức với bài toán mới.

Lý do là bởi, hydrogel cho từng ứng dụng mô cụ thể cẩn đảm bảo các tính chất khác nhau của loại mô đó. “Ví dụ như mô da cần đảm bảo tính thoáng khí, mềm dẻo. Trong khi đó, hydrogel để phục hồi mô xương lại cần đảm bảo tính dẫn truyền xương (osteoconductive) và cảm ứng xương (osteoinductive) để hỗ trợ lành xương”, nghiên cứu sinh Vũ Thanh Bình (Khoa Kỹ thuật Y sinh, trường Đại học Quốc tế - Đại học Quốc gia TP.HCM) - thành viên nhóm nghiên cứu cho biết. Hơn nữa, tùy vị trí xương mà các mô này sẽ có yêu cầu về độ bền cơ học (bao gồm độ cứng, độ nén,…) khác nhau.

Thêm vào đó, khi tận dụng các nguồn nguyên liệu chitosan và alginate trong nước thay vì nhập khẩu của nước ngoài, nhóm của PGS. TS Hiệp gặp thêm một khó khăn: giới hạn về độ hòa tan và phân hủy của nguyên liệu - vốn chưa thể bằng các nguyên liệu của công ty quốc tế. Để giải quyết vấn đề, nhóm của chị đi sâu vào tối ưu hóa quy trình tổng hợp, nồng độ, mức độ biến đổi cấu trúc hóa học cũng như tỷ lệ phối trộn từng thành phần và gắn lên đó các nhóm chức aldehyde (-CHO) để đảm bảo các nguyên liệu có thể hòa tan.

Cụ thể, để chế tạo loại gel này, sau khi oxy hóa alginate, nhóm của PGS.TS Hiệp sẽ cho chitosan trải qua hai bước kiềm hóa và ête hóa thành N,O-carboxymethyl chitosan để tan được trong môi trường pH trung tính. Sau đó, nhóm chức amino trong phân tử chitosan này sẽ tạo liên kết cộng hóa trị với nhóm chức aldehyde trong phân tử alginate được oxy hóa. Cuối cùng, “với khả năng hòa tan tốt, β-tricalcium phosphate sẽ được phối trộn với hydrogel tự liên kết chéo alginate và chitosan”, nghiên cứu sinh Bình cho biết thêm.

Nhờ đó, nhóm của PGS.TS Hiệp không chỉ tận dụng được nguồn nguyên liệu chitosan và alginate trong nước để góp phần giải quyết vấn đề về môi trường của lĩnh vực thủy hải sản, mà còn “thành công trong việc tổng hợp hydrogel bằng phương pháp tự gel hóa. Phương pháp này dựa vào phản ứng cộng hóa trị tự liên kết chéo mà không cần bổ sung chất cố định, từ đó hạn chế độc tính của sản phẩm đối với tế bào và mô sống”, nghiên cứu sinh Bình cho biết.

Để thử nghiệm vật liệu mới, nhóm của PGS.TS Hiệp đã tiêm hydrogel với các nồng độ và hàm lượng thành phần khác nhau vào mô hình chuột khiếm khuyết vòm sọ. Sau bốn tuần, kết quả cho thấy, những con chuột được cấy hydrogel đã hình thành các mô mới để che phủ các vị trí khiếm khuyết, trong khi sự tiến triển này không hề xuất hiện ở những con chuột đối chứng.

“Điều thú vị là, một cấu trúc chất nền ngoại bào mới đã hình thành ngay bên dưới đa lớp tế bào và đã chữa lành đáng kể vị trí tổn thương ở những con chuột được cấy ghép hydrogel”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo mới công bố trên tạp chí Journal of Science: Advanced Materials and Devices (phiên bản pre-proofs). Nhóm nghiên cứu cũng đánh giá khả năng phân hủy sinh học, tính trương nở, độ bền nén của hydrogel, kết quả cho thấy, dù hydrogel bị phân hủy sau hai tuần, sản phẩm của nhóm vẫn chứng tỏ được tiềm năng để tái tạo xương trong tương lai.

Không chỉ dừng lại ở xương

Trong bối cảnh lĩnh vực nghiên cứu vật liệu y sinh dạng hydrogel tại Việt Nam vẫn còn tương đối mới (theo như nhận xét trong bài báo “Vật liệu hydrogel - Tính chất và tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh” năm 2019 của nhóm nghiên cứu Đại học Đà Nẵng), việc PGS.TS Hiệp và đồng nghiệp có thể đi được đến kết quả này và tận dụng được nguồn nguyên liệu trong nước không phải là một bước tiến nhỏ.

Dù đã có những kết quả khả quan, PGS.TS. Hiệp cho biết, những thử nghiệm mà nhóm vừa thực hiện mới chỉ là một trong những bước khởi đầu cho một chuỗi nghiên cứu dài hơi mà chị và các đồng nghiệp đang theo đuổi. Chẳng hạn, với vật liệu hydrogel để tái tạo xương, nhóm của PGS.TS Hiệp đang tiếp tục nghiên cứu để tương lai có thể cho ra đời các sản phẩm dùng để tiêm cho người loãng xương hay mất xương. “Trong đó hydrogel sẽ không chỉ mang theo khoáng xương mà còn đóng vai trò là ‘hệ tải’ để vận chuyển các tế bào gốc và kiểm soát vị trí của chúng, từ đó tăng hiệu quả điều trị cho người bệnh”, PGS.TS Hiệp cho biết.

Xa hơn, mục tiêu mà nhóm mong muốn sẽ không chỉ giới hạn ở mô da hay mô xương. “Chúng tôi kỳ vọng có thể tạo ra các mực in sinh học để phục hồi và tái tạo các bộ phận trong cơ thể”, PGS.TS Hiệp nói. “Mực in sinh học sẽ có thể giúp chúng ta in ra bất kỳ cấu trúc xương hoặc các nội tạng nào như gan, thận để cấy ghép cho người bệnh. Mục tiêu mà chúng tôi mong muốn đạt được là ‘tái tạo’ chứ không chỉ là ‘phục hồi’ bộ phận bị mất mát”, PGS.TS Hiệp nói.

Dĩ nhiên, vẫn còn một chặng đường rất xa để đạt được mục tiêu này. “Có khi nghiên cứu phải kéo dài cả đời”, PGS.TS Hiệp thẳng thắn chia sẻ. Do đó, điều mà chị mong muốn là các nhà khoa học sẽ nhận được sự đầu tư nghiên cứu lâu dài và liên tục để theo đuổi đến cùng một đề tài, thay vì chỉ dừng lại ở những nghiên cứu “phần ngọn”. “Nếu các nhà khoa học được thúc đẩy để đi sâu vào một chủ đề nghiên cứu, tôi tin rằng chúng ta sẽ có những sản phẩm thật sự chất lượng”, PGS.TS Hiệp chia sẻ.

Theo Khoahocphattrien