Sử dụng vật liệu y sinh để tái tạo xương

Nghiên cứu thử nghiệm cấy ghép vật liệu hydrogel composite sinh học trên cơ sở biphasic calcium phosphate (BCP)-oxidized alginate, gelatin được tiến hành trên thỏ. Đánh giá sự phát triển của xương sau khi cấy ghép vật liệu composite vào xương đùi thỏ dựa trên kết quả phân tích phương pháp vi mô chụp cắt lớp về tỷ lệ thể tích xương/thể tích mô, diện tích xương bề mặt/thể tích xương và kết quả phân tích mô học. Nhuộm mô học bằng kỹ thuật nhuộm thường quy H&E để khảo sát cấu trúc mô xương đánh giá sự phát triển của tế bào trên khối xương ghép vật liệu cho thấy, sau 4 tháng và 6 tháng trên tất cả các mẫu xương mới hình thành, tế bào xương và tế bào mạch máu phát triển.

Vật liệu y sinh đã và đang được quan tâm nghiên cứu để đáp ứng nhu cầu thay thế các bộ phận cơ thể, cấy ghép mô, xương của con người, hứa hẹn cho việc chữa trị và tái tạo các mô và cơ quan bị mất hoặc bị tổn thương do chấn thương, bệnh tật hoặc lão hóa.

Trong lĩnh vực vật liệu dùng cho xương, nhiều loại dùng trong cấy ghép và thay thế xương đã phát triển đáng kể trong những thập kỷ qua như kim loại và hợp kim (titan, hợp kim của titan, thép không rỉ...). Những vật liệu này tuy tương hợp sinh học nhưng tính chất cơ lý của kim loại, hợp kim khác biệt nhiều so với xương, dẫn đến nguy cơ gãy xương do kém tương thích giữa phần xương tiếp xúc với kim loại ghép.

Vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới hiện nay quan tâm đến vật liệu trên cơ sở calcium phoaphate như hydroxyapatite (HAp) và biphasic calcium phosphate (BCP). HAp và BCP có tính tương hợp sinh học, hoạt tính sinh học cao, và khả năng chữa lành xương do thành phần tương tự thành phần khoáng trong xương. Mặt khác, HAp và BCP có thể từ từ hòa tan trong cơ thể giải phóng ion calcium và phosphate có lợi trong việc hình thành và phát triển xương. Tuy nhiên HAp và BCP ở dạng bột nên khó tạo hình có thành phần, cấu trúc xốp tương tự như xương.

Các công trình nghiên cứu vật liệu hydrogel composite có khả năng tái tạo xương trên cơ sở calcium phosphate và polymer tự nhiên như gelatin, chitosan, hyaluronic acid, collagen, tuy nhiên thời gian phân hủy của các vật liệu này ngắn, chưa phù hợp với thời gian phát triển của xương. Trên cơ sở kết quả kinh nghiệm tại Bệnh viện đại học Soonchunhyang (Hàn Quốc), vật liệu hydrogel composite sinh học trên cơ sở calcium phosphate, alginate và gelatin có khả năng kích thích phát triển tế bào xương rất tốt, đồng thời thời gian phân hủy của vật liệu phù hợp với thời gian xương phát triển.

Vật liệu hydrogel composite sinh học trên cơ sở BCP và oxidized alginate, gelatin, vật liệu tiềm năng đầy hứa hẹn trong lĩnh vực tái tạo xương. Cấu trúc xốp 3D của hydrogel tạo điều kiện cho tế bào phát triển bên trong vật liệu giúp xương phát triển. Vật liệu trên tương tự các thành phần của xương. Gelatin có nguồn gốc từ collagen, gelatin rất tương hợp sinh học nên ứng dụng nhiều trong y học. Alginate là một polysaccharide phân hủy sinh học, tương thích với extracellular matrix của tế bào. BCP tương hợp sinh học, BCP dần dần hòa tan và giải phóng các ion, có lợi để hình thành xương.

Hydrogel composite này tạo môi trường phỏng theo môi trường sinh học của xương với sự tương hợp sinh học cao, khi hydrogel composite phân hủy sinh học sẽ thúc đẩy quá trình tái tạo mô xương, xương mới hình thành thay thế dần hydrogel composite được cấy ghép.

Theo tác giả nghiên cứu, vật liệu hydrogel composite sinh học trên cơ sở calcium phosphate, oxidized alginate, gelatin tương hợp sinh học, tế bào xương MG-63 phát triển tốt trên vật liệu và điều thú vị của vật liệu này là thời gian phân hủy sinh học dài thích hợp làm vật liệu cho xương.

Kết quả khảo sát cấu trúc mô xương, hình thái, các thành phần khác trong mô xương của các mẫu hydrogel composite, hydrogel và mẫu đối chứng cho thấy sau khi cấy ghép vật liệu 4, 6 tháng mô xương mới hình thành (NB), các tế bào tạo thành xương (OB), tế mạch máu (B) phát triển tại vị trí phẫu thuật. Mẫu hydrogel sau 4 tháng vẫn còn hydrogel chưa phân hủy hết.

Lớp xương cứng hình thành ở mẫu 6 tháng phát triển hơn mẫu 4 tháng. Cấu trúc mô xương của mẫu hydrogel composite 6 tháng giống như mẫu xương không phẫu thuật, lớp xương cứng hình thành che phủ toàn bộ vị trí phẫu thuật.

Mẫu hydrogel 6 tháng lớp xương cứng hình thành vẫn xen lẫn vùng tế bào xương cho thấy sự phát triển chưa hoàn thiện của lớp xương cứng. Mẫu đối chứng 6 tháng cũng tương tự mẫu hydrogel, lớp xương cứng hình thành như chưa che phủ hết vị trí phẫu thuật xương.

Kết quả nhuộm tiêu bản H&E của mẫu hydrogel composite cho thấy sau 6 tháng vùng phẫu thuật xương giống xương chưa phẫu thuật.

Như vậy, sau khi phẫu thuật 4 và 6 tháng, kết quả phân tích phương pháp vi mô chụp cắt lớp của các mẫu xương cho thấy xương mới được hình thành trong vùng phẫu thuật, hydrogel composite xương mới hình thành với tỷ lệ thể tích xương/thể tích mô cao hơn hydrogel và mẫu đối chứng. So sánh kết quả phân tích phương pháp vi mô chụp cắt lớp của mẫu 4 tháng và 6 tháng cho thấy không có sự khác biệt về tỷ lệ thể tích xương/thể tích mô cũng như tỷ lệ diện tích bề mặt xương/thể tích xương, điều này cho thấy có sự tiêu xương và sự hình thành xương đồng thời xảy ra trong giai đoạn hồi phục xương.

Kết quả phân tích mô học cho thấy mẫu hydrogel composite sau 6 tháng cấy ghép đã phát triển thành mô xương giống mô xương không phẫu thuật.