Sử dụng chitosan từ vỏ tôm và alginate trong rong biển, thạc sĩ Vũ Thanh Bình tạo khung xương nhân tạo phục hồi phần xương bị khuyết.
Ths Bình (34 tuổi), hiện làm việc tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật mô và Y học tái tạo, Khoa Kỹ thuật Y sinh, Đại học Quốc tế (Đại học Quốc gia TP HCM). Anh và nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra khung giá thể giúp các tế bào xương bám, tăng sinh và canxi hóa khôi phục phần xương khiếm khuyết.
Ths Bình cho biết, mô xương tự nhiên của cơ thể có các thành phần polyme, là các bó sợi collagen và thành phần hydroxyapatite (canxi phosphat). Các thành phần này tạo ra cấu trúc mô xương có khả năng chịu tải, thực hiện chức năng nâng đỡ, tạo ra khoang tủy... Từ cơ sở này, nhóm tạo ra polyme tự nhiên sử dụng từ nguyên liệu chitosan có trong vỏ tôm, cua cùng với vật liệu alginate có trong rong biển.
Chitosan và alginate được kết hợp với một polyme có trong dịch khớp là hyaluronic acid, giúp tăng khả năng đàn hồi, giảm tổn thương đầu khớp xương. "Ba nguyên liệu này cần được liên kết với nhau để tạo thành khung xương nhân tạo", thạc sĩ Bình nói. Khung giá thể xương được tạo ra trong phòng thí nghiệm có cấu trúc gần giống mô xương tự nhiên nhất.
Theo nhóm, việc liên kết các nguyên liệu có thể sử dụng chất phụ gia. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm tồn dư các chất liên kết chéo ngoại sinh, có khả năng gây độc tế bào xương. Vì thế, nhóm nghiên cứu thực hiện phương pháp biến đổi cấu trúc các nguyên liệu bằng cách gắn thêm các nhóm chức năng, giúp chúng có khả năng tự liên kết mà không cần sử dụng phụ gia.
Thạc sĩ Vũ Thanh Bình kiểm tra thiết bị máy in 3D sinh học phục vụ việc sử dụng gel làm mực in, tạo hình khung xương nhân tạo. (Ảnh: Hà An).
Từ vật liệu dạng gel, khung xương đông cứng tạo ra cấu trúc lỗ xốp giúp tế bào mô xương tự nhiên liên kết bám trên khung để tăng sinh. Khung xương nhân tạo này có khả năng phân hủy sinh học (biến mất sau khi tế bào xương người bám dính, phát triển). Tế bào xương này có thể tiết ra chất nền để tạo khung xương của chính nó để lấp đầy phần xương bị khuyết. Dựa vào tính chất, vị trí mô xương bị khuyết, nhóm có thể điều chỉnh thời gian phân hủy sinh học sao cho tương đồng thời gian tế bào xương tiết ra và tạo ra khung xương.
Theo Ths Bình, tùy thuộc loại xương và thể tích mất xương, tế bào xương cần vài tháng đến hàng năm để tái tạo khung mới và khôi phục hoàn toàn vị trí bị khuyết.
Vật liệu xương nhân tạo có nguồn gốc thiên nhiên tồn tại dưới dạng gel do nhóm nghiên cứu phát triển. (Ảnh: Hà An).
Nhóm đã thử nghiệm trên chuột bằng cách gây mê, khoan một vị trí ở nắp sọ để tạo khiếm khuyết xương và không làm tổn hại não của chúng. Sau đó tiến hành bơm gel vào khu vực chuột bị khuyết xương. Chuột khi tỉnh lại được theo dõi chỉ số sinh tồn như cân nặng, chế độ ăn uống, di chuyển... trong vòng một tháng.
Tác giả cho biết, vì vật liệu dạng gel nên khi vào nắp sọ nó có thể làm đầy vị trí bị khiếm khuyết dù ở hình dạng nào. Trong thời gian ngắn, gel sẽ đóng rắn và bắt đầu quá trình tạo khung xương nhân tạo. Sau một tháng, nhóm tiến hành làm chết nhân đạo chuột, phẫu thuật não để đánh giá khả năng tái tạo mô xương dựa trên khung xương nhân tạo bằng phương pháp nhuộm mô sinh học. Kết quả cho thấy tỷ lệ lấp đầy 80 - 90% vị trí khiếm khuyết trên nắp sọ chuột, khả năng tương thích sinh học cao.
Kết quả là cơ sở để nhóm có thể thử nghiệm trên động vật lớn với điều kiện bệnh lý gần giống người hơn, củng cố chứng cứ khoa học ứng dụng trên người. Tuy nhiên theo thạc sĩ Bình, từ mô hình động vật để ứng dụng trên người là khoảng cách khá xa, qua nhiều quy trình, thủ tục và Hội đồng đạo đức để chứng minh tính hiệu quả, an toàn của sản phẩm.
Trước mắt, nhóm nghiên cứu muốn phát triển gel tạo khung xương thành một dạng mực in sinh học có thể thương mại. Gel sau khi in sinh học có thể tạo thành các khung xương nhân tạo phục vụ cho việc nghiên cứu lĩnh vực y sinh cũng như thử nghiệm trên động vật thay thế các sản phẩm ngoại nhập có giá thành cao.
Hình dạng xương nhân tạo sau khi được in ra từ máy in 3D sinh học. (Ảnh: Hà An).
Theo PGS.TS Nguyễn Thị Hiệp, Trưởng khoa Kỹ thuật Y sinh, Đại học Quốc tế (Đại học Quốc gia TP HCM), hướng nghiên cứu xương nhân tạo từ vật liệu tự nhiên được giới khoa học trên thế giới thực hiện trong hơn 10 năm qua. Trong nước đã có một số nghiên cứu tại các viện trường thực hiện, hướng đến điều trị cá nhân hóa các tổn thương xương trên người. Điều này khắc phục vấn đề điều trị từ khung xương có sẵn, trong nhiều trường hợp không phù hợp với từng người. Việc nhóm tạo ra loại gel sau khi bơm vào khu vực xương khuyết có thể định hình và phù hợp cho bất cứ người nào.
Tuy nhiên, PGS Hiệp cho rằng, nghiên cứu cần thực hiện các bước thử nghiệm trên động vật lớn để đánh giá độ an toàn, tính khả thi trên kích thước xương lớn hơn, tiến tới các thử nghiệm lâm sàng trên người. "Với nghiên cứu này, chúng tôi tham gia tìm kiếm các nguồn tài trợ để thực hiện các bước thử nghiệm quy mô lớn hơn, hoàn thiện giải pháp công nghệ, đóng góp cho lĩnh vực y học chính xác trong nước", PGS Hiệp nói.