Phát triển thành công dây chằng nhân tạo phân hủy sinh học

Hình ảnh dây chằng nhân tạo phân hủy sinh học được phát triển từ sợi polymer sinh học.

Dây chằng nhân tạo phân hủy sinh học được phát triển từ sợi polymer sinh học (polycaprolactone và trước đây là Polyethylene terephthalate) có thể thúc đẩy quá trình tái tạo của mô dây chằng đã đứt. Nó được dùng để ghép thay thế tạm thời dây chằng bị tổn thương nhằm giữ cố định khớp gối và trở thành khung vật liệu để thúc đẩy sự tái tạo tế bào mô thành dây chằng mới. Bề mặt của các sợi polymer này được chức năng hóa bởi các nhóm phân tử có hoạt tính sinh học cho phép cho phép chúng tăng cường sự bám dính của tế bào. Khi đó, các tế bào sợi (fibroblast) sẽ bám dính trên bề mặt khung sợi và phát triển thành mô dây chằng mới, đồng thời các sợi polymer sẽ phân hủy chậm trong cơ thể mà không gây độc tế bào cho đến khi dây chằng mới được tái tạo, thay thế dây chằng nhân tạo mà không cần đến phẫu thuật loại bỏ.

Bó sợi polymer sinh học của dây chằng nhân tạo được thử nghiệm hoạt tính sinh học trên tế bào mô sợi trong ống nghiệm.

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện phủ bề mặt bằng phương pháp ghép phân tử theo cơ chế ghép polymer bằng gốc tự do (Atom transfer radical polymerization), tiếp cận theo hướng từ dưới lên (Bottom-up) và sử dụng các phân tích hóa lý, cơ học, và nuôi cấy tế bào invitro để đánh giá tính chất lý hóa và khả năng sinh học của bề mặt vật liệu với các tế bào sợi. Một trong những phương pháp tiền xử lý bề mặt để ghép các phân tử chức năng mà nhóm nghiên cứu tập trung là hoạt hóa bề mặt bằng ozone với các ưu điểm về khả năng xử lý đồng đều bề mặt của các đối tượng có cấu trúc không gian phức tạp với phạm vi ứng dụng rộng rãi từ polymer cho đến kim loại.

Việc phát triển dây chằng nhân tạo đặt ra những yêu cầu vô cùng khắt khe về tính tương thích sinh học. Vật liệu không chỉ cần phù hợp với cơ thể mà còn phải tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của tế bào mô mới. Đối với dây chằng nhân tạo, việc đáp ứng các yêu cầu về tính cơ học là vô cùng quan trọng. Sợi biopolymer phải đủ bền để chịu được lực kéo, xoắn và trọng lực tác động lên khớp gối trong quá trình vận động. Đồng thời, bề mặt vật liệu cần được thiết kế để tăng cường khả năng bám dính và kích thích sự phát triển của tế bào sợi thành mô dây chằng mới.

Nhóm nghiên cứu đã tập trung vào việc chức năng hóa bề mặt sợi polymer bằng các phân tử sinh học, tạo ra một môi trường vi mô mô phỏng ma trận ngoại bào tự nhiên. Nhờ đó, tế bào có thể dễ dàng bám dính và phát triển, hình thành nên mô dây chằng mới một cách tự nhiên và bền vững. Đầu tiên, bề mặt của các sợi polymer được hoạt hóa bằng cách phủ một lớp polystyrene sulfonate. Loại phân tử này không chỉ có khả năng bám dính tốt mà còn tạo ra một môi trường thuận lợi cho sự phát triển của tế bào. Để đảm bảo lớp phủ phân bố đều trên toàn bộ bề mặt sợi, đặc biệt là ở những khu vực có cấu trúc phức tạp, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật ozone hóa nhằm kiểm soát khả năng phủ hoàn toàn bề mặt 3D của các bó sợi polymer.

Hình ảnh mô phỏng dây chằng nhân tạo.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển các lớp phủ mới có gốc sulfonate và acrylic acid lên bề mặt của vật liệu sinh học để ngăn chặn sự bám dính của vi khuẩn và tế bào. Trong đó tập trung vào cấu trúc nano bề mặt và tương tác tĩnh điện để hạn chế sự tiếp xúc của vi khuẩn với bề mặt và cản trở sự kết dính của chúng, tránh gây bệnh đến cơ thể chủ. Ngoài ra trong một số trường hợp, việc cấy ghép khung vật liệu vào cơ thể chỉ mang tính tạm thời để cố định chỗ gãy, nứt, hoặc che chắn vết thương cho đến khi phần tổn thương đó lành lại, khi đó sự bám dính của mô lên các vật liệu lại trở thành vấn đề cần giải quyết. Do đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển các lớp phủ lên bề mặt của vật liệu sinh học (như titanium, cellulose, màng collagene) để ngăn chặn sự bám dính. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, chế tạo sản phẩm đều trải qua sự kiểm soát nghiêm ngặt về điều kiện y tế trước khi thử nghiệm và cấy ghép trên chuột, cừu, sau đó là con người.

Với những ưu thế về vật liệu, phương pháp này có thể thúc đẩy sự hồi phục chấn thương nhanh hơn, ít rủi ro, hiệu quả và ít tốn kém hơn so với các phương pháp phẫu thuật nối ghép mô truyền thống, vốn là những phương pháp dễ gây viêm nhiễm, lây truyền bệnh và chi phí cao. Đây là giải pháp hữu ích cho bệnh nhân gặp chấn thương liên quan tới đầu gối, thường gặp ở người chơi thể thao, đặc biệt là với các cầu thủ bóng đá, người lao động nặng hoặc vận động sai cách. Hiện tại, công nghệ chế tạo dây chằng sinh học của nhóm nghiên cứu đã được 2 công ty của Pháp là Texinov và Movmedix đưa vào sản xuất và thử nghiệm lâm sàng (sau khi vượt qua các tiêu chuẩn kiểm định khắt khe của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ, cũng như các tiêu chuẩn liên quan của châu Âu).

Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phối hợp với Đại học Công nghệ Compiègne (Pháp) và Đại học Saarland (Đức) trong phát triển chuyển gen và gen hướng dẫn bằng giàn giáo cho tái tạo mô xương, sụn và dây chằng, đồng thời tiếp tục đẩy mạnh khám phá và ứng dụng các vật liệu sinh học mới, nhằm tối ưu hóa quá trình tương tác giữa vật liệu và tế bào. Mục tiêu của nhóm là tạo ra các giải pháp toàn diện cho việc tái tạo không chỉ dây chằng, mà còn cả các mô xương và sụn khớp, giúp bệnh nhân phục hồi chức năng một cách nhanh chóng và hiệu quả. Bên cạnh đó, nhóm cũng sẽ tích cực tham gia đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao, góp phần xây dựng một cộng đồng nghiên cứu mạnh trong lĩnh vực kỹ thuật mô tại Việt Nam.