Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu tổng hợp hạt cầu micro có cấu trúc lỗ xốp meso từ vật liệu sinh học Sr-carbonated hydroxyapatite ứng dụng cho cấy ghép xương và vận chuyển thuốc (30/03/2026)

Autografts từ lâu đã được xem là “golden Standard" trong việc thay thế xương. Kĩ thuật “autografts” dựa trên việc cấy ghép chính phần xương của bệnh nhân với các ưu điểm là không gây ra dào thải và các bệnh truyền nhiễm. Tuy nhiên phương pháp này cùng dể lại rất nhiều các vấn đề như có thể gây bệnh ở các vị trí lấy xương dể ghép và giới hạn cùa số lượng xương có thể sử dụng . Vật liệu thay thế xương nhân tạo có thể là giải pháp vấn dể này. Ví dụ vặt liệu hydroxyapatite (HAp) được sử dụng phổ biến do có tính tương thích sinh học tuyệt vời và khả năng dẫn tạo xương. Tuy nhiên vật liệu thay thế xương HAp lại quá ổn định tại vị trí cấy ghép và quá trinh tái hấp thu xảy ra rất chậm. Điều này cỏ thể làm tăng nguy cơ như nhiễm trùng tại vị trí cấy ghép vi các vi khuần và vi sinh vật có thể bám dính trên bề mặt HAp.

Xương người có thành phần hóa học khác với thành phần hóa học cùa hydroxyapatite ở hàm lượng carbonate với hàm lượng 4-8\vt%, và còn dược gọi là carbonated hydroxyapatite hay carbonate apatite [CHAp, Caiữ-»(P04)6-b(COj)c(OH)2-d]. Do khả tái hấp thu tốt, vật liệu CHAp có tính dẫn xương cao hơn so với HAp. Vi vậy, CHAp có khà nang thay thế xương cũ nhanh hơn và rút ngắn thời gian chữa lành hơn so với HAp. Kct quả in vilro sử dụng té bào lên vật liệu CHAp cho thấy có sự- phát triển của các nguyên bào tạo xương osteoblastic cells, dồng thời các tế bào huỳ xương osteoclasts phân hủy vật liệu CHAp. Ngược lại, tể bào hủy xương osteoclasts không phần hủy được HAp. Điều này cho thấy, CHAp có khả năng tái mô hỉnh theo cách cùa xương tự nhiên. CHAp sỗ tái hấp thu để tái tạo và thay thế xương mới khi cấy ghép in vivo. Do vậy, việc phát triển và ứng dụng vật liệu CHAp có khà năng tái hấp thu và được thay thế bằng mô xương mới đang là hướng mới trong liệu pháp chỉnh hình và nha khoa. Tuy nhiên, việc tổng hợp CHAp đang là thách thức do không thể sử dụng nhiệt độ cao như tổng hợp HAp vì sỗ gây ra thoát carbon, và làm phân hủy hợp chất hóa học. Thay vào đó, bàng việc sù dụng calcium carbonate (CaCƠ3) như một tiền chất, thông qua quá trình phosphate hoá trong dung dịch có ion PO43', sẽ dần chuyển biến thành khối CHAp mà vẫn giữ nguyên cấu trúc macro cùa vật liệu ban dầu.

Tổng hợp vật mẫu Sr-CaC03 bằng phưomg pháp sol-gel thủy nhiệt: Nghiên cứu ảnh hưỏmg cùa nồng độ NaOH đốn sự tạo thành Sr-CaCOi: Ảnh hường của nồng độ Na(OH) đến sự hình thành cấu trúc cùa CaCO3, từ đó chọn ra nồng độ phù hợp để tồng hợp Sr-CaCC>3. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu được tổng hợp ở các nồng độ NaOH khác nhau. Giàn đồ XRD của các mẫu chuẩn calcite (CaCO3), Ca(OH)2 được sử dụng để so sánh. Ờ nồng độ 0.5 mol/L NaOH. thành phần pha cùa mẫu bao gồm calcium nitride và hàm lượng nhỏ Ca(OH)₂. Không có peak nhiễu xạ calcite. Ớ nồng độ NaOH 2 mol/L, có sự xuất hiện các peak nhiễu xạ cùa calcite, một dạng thù hình cùa CaCO3. Tuy nhiên, có sự xuất hiện của các peak nhiễu xạ ờ khoảng 18,5° và 34,6° là do Ca(OH)2. Ngược lại, ờ nồng độ NaOH 3 mol/L, thành phần pha của mẫu là Ca(OH)2 và hàm lượng nhỏ calcite.

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu 1.25 ChAp ở các độ phóng đại khác nhau.

Sự hình thành các hợp chất calcium khác nhau do nồng dộ hydroxyl có thể được giải thích như sau. Đầu tiên, ion calcium trong calcium nitrate phản ứng với citric acid tạo thành phức calcium citrate trong quá trình sol-gel. Sau dó, trong điều kiện thủy nhiệt, các phức calcium citrate citrate này hòa tan để giải phóng các ion calcium và cacbonate. Ngoài ra, OH' được cung cấp bởi NaOH. Cuối cùng, các ion Ca2+,CC>32‘ và OH' có sẵn trong dung dịch là các ions tham gia vào quá trình phản ứng. Các ion OH' trong dung dịch phản ứng với H+ từ phức calcium citrate, làm giảm độ acid cùa dụng dịch. Khi nồng độ OH" thấp (0,5 mol/L), dung dịch có tính acid, do vậy phản ứng đỗ tạo thành Ca(OH)2 và CaCOj, và do đó calcium citrate còn dư như được chi ra ở Hình 1. Khi tăng nồng độ OM\ dung dịch trở nên trung tính, đo dỏ CaCƠ3 và/hoặc Ca(OH)ĩ được hình thành. Ở nồng độ NaOH 2,0 mol/L, ion OH' được cho là có hiệu quả làm cho dung dịch bớt axit hơn và đẩy nhanh quá trình hình thành CaCƠ3. Ngược lại, khi nồng dộ NaOH' cao tới 3 mol/L thì dung dịch có tính kiềm cao dó dó Ca(OH)ỉ chiếm ưu thể. Vì vậy, ion OH' là yếu tổ then chốt cho sự hình thành hợp chất calcium cuối cùng.

Tổng họp Sr-CHAp sử dụng vật mẫu Sr-CaC03 and Na2HP04 băng phương pháp chuyển hóa ion hòa tan và kết tủa (dissolution-precipitation process) giữa Sr-CaCOj và NaỉHPO: Từ các két quả trên đây, thông số tối ưu để tổng hợp hạt cầu CHAp cỏ kích thước lồ xốp meso là Na2HPƠ4 lmol/L, nhiệt dộ 150°c và thời gian giữ nhiệt 5h. Các mẫu này sỗ dược đánh giá các tính chắt vật liệu tiếp theo. Hạt cầu lỗ xốp meso CHAp đă được tổng hợp bằng phương pháp phosphate hóa - thủy nhiệt với hàm lượng Sr khác nhau. Phàn tích XRD đã EDX đã cho thấy ion Sr2+ đă thay thế in Ca2+ trong mạng tinh thể và kích thước tinh thể có xu hướng tăng lẽn từ 11,64 đến 11,79 nm khi tăng hàm lượng Sr từ Odển Smmol. Quan sát bề mạt bằng SEM cho thấy rảng các tinh thể CHAp dạng thanh dă dược hình thành khi tăng hàm lượng Sr thay thế cho các tinh thể dạng tấm hoặc kim ban đầu cùa CHAp. Phân tích FTIR cho thấy các mẫu CHAp khi tăng hàm lượng Sr vẫn giữ được các liên két hỏa học của CHAp. Phàn tích BET và BJH dã cho thấy vật liệu cỏ cấu trúc lỗ xốp tương thông với kích thước lỗ xốp trung bình khoảng 10 nm dă đạt được kích thước lỗ xốp meso (2-Í-50) nm. 

Phân tích đánh gia cấu trúc tc vi và thành phần hóa học: Nhở các các phản ứng hòa tan-kết tủa liên tục này dẫn đến sự biến đổi thành phần từ CaCOì thành CHA, nhưng không làm thay dồi cấu trúc vĩ mô của tiền chất. Điều            này quan trọng vì cấu trúc hạt cầu sẽ ảnh hường dến tính chất cùa sản phẩm cuối cùng, cấu trúc vĩ mô cùa tiền chất cằn được bảo toàn sau quá trình chuyển đổi thành phần, do đỏ chúng phải hòa tan vừa phải và không bị rửa trôi khi ngâm trong dung dịch phosphate. Trong nghiên cứu nảy, CHA và SrCHA được chế tạo dự kiến sỗ cỏ kích thước vĩ mô tương tự với các vi cầu CaC03 và SrCaC03. Tuy nhiên, chi CHA tinh khiết mới duy trì cấu trúc vĩ mô của các vi cầu trong khi SrCHA thì không. Một trong những lý do có thể là khả năng hòa tan cùa các tiền chất được tăng cường do sự thay thế Sr2*. Ngoài ra, Calcite và Sr-calcite được hỉnh thành bằng phương pháp xử lý thủy nhiệt sol-gel, cỏ kích thước tinh thể nhỏ hơn nhiều so với Calcite thu được từ quá trình xử lý nhiệt Ca(OH)2 tiếp xúc với CƠ2 trong quá trình nghiên cứu trước đó. Do đó, các vi cầu Calcite và Sr-calcite trong nghiên cứu này có thể cỏ độ hòa tan cao hơn và do đó hòa tan nhanh hơn so với các tiền chất Calcite đă đề cập ở trên.

Phân tích đánh giá tính chất thu nạp và giải phóng thuốc: Độ hòa tan cùa các mẫu CHA và SrCHA được đánh giá thông qua phương pháp ngâm mẫu trong dung dịch đệm phosphate (PBS) ờ các thời gian khác nhau. Hình 4.1.4.1 cho thấy sự mẩt khối lượng (tính bằng mg) cùa các vật liệu CHA và SrCHA khi ngâm trong PBS trong 21 ngày. Nhìn chung, CHA cho thấy xu hướng phân hủy cao hơn, với khối lượng mất đi -0,48 mg/g sau khi ngâm trong PBS trong 21 ngày. Trong khi đó, 1.25SrCHA cho thấy khoảng - 0,13 mg/g sau 21 ngày ngâm. Xu hướng tương tự cũng được quan sát thấy đổi với SSrCHA sau 21 ngày ngâm trong PBS, trong đỏ khối lượng giảm 0,12 mg/g dược ghi lại. cỏ một sự mất mát đáng kể về khối lượng dược ghi nhận từ ngày thứ 15 của quá trình ngâm nước. Dựa trên những kết quả này, có thể kết luận ràng CHA thể hiện tỳ lệ hòa tan thấp trước ngày ngâm thứ 15 và sau ngày hòa tan cao này dã dược ghi nhận cho tất cả các mẫu. Nhìn chung, 5SrCHA cho thấy tỷ lệ hòa tan thấp nhất; Khả năng thu nạp, dẫn truyền và giải phóng thuốc dược thực hiện bằng cách ngâm mẫu carbonated hydroxyapatite (CHAp) và Sr-carbonated hydroxyapatite (Sr-CHAp) trong dung dịch phosphate buíĩer saline (PBS) có chứa Vancomycin trong 48 giờ. Sau khoảng thời gian xác dịnh, các thông số đo bao gồm: Độ pH của dung dịch và thay dổi khối lượng mẫu trước và sau khi ngâm bàng cách sử dụng cân phân tich, kiểm tra hàm lượng thuốc thu nạp và giải phóng bằng phương pháp phân tích UV-VIS. Được xác định hàm lượng thuốc giải phóng, các mẫu CHAp và Sr-CHAp cỏ chứa thuốc dược ngâm trong dung dịch PBS trong các khoảng thời gian khác nhau là 1, 5,10-80 giờ (cách nhau 10 giờ). Sau mỗi khoảng thời gian nhất dịnh, dung dịch PBS được chiết ra và sử dụng phương pháp phân tích UV-VIS dựa trên hàm lượng thuốc biết trước. Mỗi nhỏm thỉ nghiệm dược lặp lại trên 5 mẫu; Kết quả thu nạp và giải phóng thuổc của các mẫu ban đầu đưa ra cho thấy rằng khà năng điều khiển thuốc của vật liệu tương đối tốt. Tuy nhiên, chưa nhận thấy sự khác biệt rỏ ràng các khả năng này cùa 2 loại vật liệu tạo ra. Mặc dù cả hai có cùng cấu trúc lỗ xổp meso tương thông, nhưng mẫu có chứa Sr có kết quả thu nạp và giải phóng thuốc tốt hơn so với mẫu không chứa Sr là do thể tích lỗ xốp, diện tích bề mặt riêng cao hơn, và độ hòa tan tốt hơn. Tuy nhiên, cần lắp lại các thí nghiệm này với số lượng mẫu lớn hơn và thời gian dài hơn để dạt được kết quả tin cậy.

Phân tích đánh giá tinh chất sinh học: Các hình ảnh SEM cho thấy sự hiện diện của các tế bào nguyên bào xương bám vào các bề mặt này, chửng minh khả năng tương thích sinh học cùa các apatite này. Có thể thấy ràng các tể bào đa gán kết và lan trên các bề mặt apatite, cho thấy khả năng tương thích sinh học cùa chủng. Các tế bào có nhiều sợi và chân bám, giúp chúng liên kết với nhau và với vật liệu. Độc biệt, cảc tế bào trên các mẫu 1.25SrCHA có nhiều nimodia hơn, là những cấu trúc giống như ăng ten giúp tế bào cảm nhận và thích ứng với môi trường xung quanh, các fimodia kéo dài từ các cạnh của tế bào. Điều này có thể cho thấy ràng SrCHA có khả năng kích thích sự phát triển của các tế bảo nguyên bảo xương. So sánh với 5SrCHA, các tể bào trên CHA nguyên chất và 1.25Sr-CHA dường như bám chắc hơn vào bề mặt. Điều này có thể do độ hòa tan của SrCHA cao hơn, làm giâm dộ ổn định cùa vật liệu. Các nghicn cứu trước đây đa chì ra ràng SrCHA có độ hòa tan cao hơn CHA nguyên chất. Người ta dă báo cáo ràng trong quá trinh tạo xương, các nguyên bảo xương mờ rộng chân bám theo hướng khoảng hỏa cùa chúng và dần dần phát triển các tể bào tua, là một dấu hiệu của quá trình khoáng hóa xương. Do đó, kết quả hình thái tế bào cho thấy CHA tinh khiết và 1.25SrCHA cỏ hiệu quả trong việc thúc đầy quá trinh tạo xương. Kết quả cho thấy rẳng các tế bào MC3T3-E1 đã sinh sàn và nhân lẻn trên các mẫu apatite trong suốt thời gian nuôi cấy, cho thấy khả năng tương thích sinh học của các loại vật liệu này. Tuy nhiên, có sự khác biệt về mức độ tăng sinh cùa các tế bảo trên các loại apatite khác nhau. Sau I và 3 ngày, CHA nguyên chất cỏ số lượng tế bào cao nhất, theo sau là 1,25Sr- CHA và 5Sr-CHA. Điều này có thể do CHA nguyên chắt cỏ độ ổn định cao hơn và không làm giảm sức sống cùa các tể bào (p<0,01). Ngoài ra, 1.25Sr-CHA có lẽ cũng có khả năng kích thích sự phát triển cùa các tế bào do có một lượng Sr nhò trong cấu trúc apatite. Sr2* được biêt là có vai trò quan trọng trong quá trình khoáng hóa xương và điều tiết hoạt động cùa các tế bào xương. Tuy nhiên, khi hàm lượng Sr2+ quá cao, nỏ có thể gây ra hiệu ứng ngược lại và làm giảm sự sinh sản của các tế bào. Điều này có thể giải thích cho việc số lượng tế bào trên 5Sr- CHA thấp nhất sau 1 và 3 ngày. Các nghiên cứu khác cũng dã chi ra rằng Sr-CHA cỏ độ hòa tan cao hơn CHA nguyên chất, làm giảm độ ổn định cùa vật liệu và do đỏ làm giảm khả năng gắn kết của các tế bào. Ngoài ra, Sr-CHA cũng cỏ thề làm thay dồi pH cùa dung dịch nuôi cấy và làm ảnh hưởng đến sự sống còn và hoạt động cùa các tế bào. Sau ngày thứ 5, không có sự khác biệt dáng kể về số lượng tế bào giữa các mẫu apatite, cho thấy các tế bào đã thích nghi với môi trường nuôi cấy mặc dù sổ lượng tế bào dược nuôi cấy trên các mẫu SrCHA cao hơn mẫu CHA (p>0,05). Tuy nhiên, số lượng tế bào trên 5Sr-CHA vẫn thấp hơn so với CHA nguyên chất và 1.25Sr-CHA. Điều này có thể do 5Sr-CHA có độ hòa tan quá cao, làm giảm độ bền của vật liệu và do dó làm giảm khả năng gán kết và sinh sản của các tế bào. cần lưu ý rằng các tế bào dược nuôi cấy trên mẫu Sr-CHA bất kể hàm lượng Sr2* có tốc dộ tăng sinh tể bào cao hơn dáng kể trong giai doạn nuôi cấy so với các tế bào dược nuôi cấy trên CHA.

Trong quá trình tái tạo, các tế bào xương được điều dộng đến vị trí xương bị khuyết để: thúc dẩy quá trình tái tạo xương, sau đó, quá trình tăng sinh tế bào, biệt hỏa nguyên bào xương và hình thành nổt xương diễn ra. Các phản ứng của tế bào trên CHA và Sr*CHA cho thấy ma trận ba tể bào tự nhiên trong việc thúc đẩy sự phát triển và biệt hỏa cùa tế bào. Bề mặt mà chúng có thể tái tạo một cách hiệu quà các đặc tính hóa học và vật lý cùa vật liệu có tác dộng đến sự hình thành tích hợp xương. Sr dã đưọc chứng minh là làm tăng dộ bền của xương bằng cách kích thích sự phát triển của nguyên bào xương trong khi ức chế hoạt dộng của tế bào tủy xương, do đó làm giảm quá trình tủy xương. Sr hoạt động như một chắt chù vận và chất thay thể Calcium, hiệu quả ức chể loãng xương. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy cỏ sự xuât hiện các đốt xương mới nhiều hơn ở các mẫu Sr-CHA so với mẫu không có chứa Sr.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu dự án tại Trung tâm Công nghệ thông tin và Truyền thông Hải Phòng./.