Công nghệ lai ghép hydrogel mở đường cho kỹ thuật mô nhân tạo

Kỹ thuật cấy ion nhúng plasma 

Sự phát triển của công nghệ trong tương lai sẽ loại bỏ nhu cầu về người hiến tạng, cho phép các bác sĩ tái tạo mô và cơ quan bị tổn thương bằng giải pháp sử dụng tế bào của chính bệnh nhân.

Hydrogel thường bao gồm các mạng lưới polymer hấp thụ nước, tạo ra một cấu trúc xốp cho phép khuếch tán oxy và chất dinh dưỡng, đồng thời phân hủy an toàn, để lại các mô tái tạo khỏe mạnh.

Nhưng hydrogel dẻo không thể được áp dụng cho những phương pháp điều trị yêu cầu độ bền và ổn định cấu trúc, ví dụ như tạo lại các mô xương bị tổn thương.

Theo TS Behnam Akhavan thuộc Trường Đại học Sydney Úc, mặc dù tương tự như mô tự nhiên của cơ thể con người, nhưng hydrogel, như đã biết rất khó được sử dụng để tái tạo mô do bản chất vật liệu mềm yếu và cấu trúc không ổn định. Hydrogel không dễ dàng bám vào chất rắn, do đó thường không được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tính bền vững cơ học.

Nhóm các nhà khoa học do TS Behnam tiến hành công trình nghiên cứu, phối hợp với GS Marcela Bilek phát triển một công nghệ plasma phổ dụng mới, gắn kết hydrogel vào những vật liệu polymer cứng, chẳng hạn như sợi tơ với polymer teflon và polystyrene, sử dụng các phân tử gốc nhúng bề mặt.

Kỹ thuật này được gọi là cấy ion nhúng plasma (PIII), là một phương pháp không cần thuốc thử (chất thúc đẩy phản ứng) để tạo liên kết cộng hóa trị và có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hàng không, vi điện tử và y học.

Trong kỹ thuật PIII, các nhà khoa họcsử dụng các xung điện áp cao làm tăng tốc các ion, tạo ra từ plasma đi qua hydrogel về phía bề mặt polymer, xâm nhập vào bề mặt polymer và hình thành một lớp gốc phản ứng cộng hóa trị trong quá trình di chuyển.

Quá trình dịch chuyển các ion dẫn đến sự gắn kết cộng hóa trị giữa hai lớp, khi các phân tử trong hydrogel tiếp xúc với bề mặt polymer sẽ hút những gốc phân tử nhúng được hình thành trên bề mặt.

Sơ đồ minh họa cho thấy việc sử dụng các gốc nhúng bề mặt, được tạo ra thông qua cấy ion nhúng plasma (PIII), tạo liên kết cộng hóa trị hydrogel trên vật liệu polymer.

Cấu trúc lai ghép hydrogel – polymer

Quy trình tác động plasma được thực hiện trong một lần duy nhất, không tạo ra chất thải và không cần thêm hóa chất.

GS Bilek cho biết, quy trình plasma độc đáo này cho phép kích hoạt tất cả các bề mặt của cấu trúc phức tạp, xốp, ví dụ như bộ khung để gắn các phân tử sinh học và hydrogel bằng phương pháp cộng hóa trị.

Công nghệ tiên tiến này cho phép tạo ra các bộ khung polymer có hình dạng phức tạp về mặt cơ học, có thể liên kết cộng hóa trị với hydrogel, giúp tiến gần hơn đến việc mô phỏng các đặc điểm của những mô tự nhiên trong cơ thể.

Để chứng minh khả năng sinh học của hydrogel lai ghép, nhóm nghiên cứu chức năng hóa bề mặt hydrogel bằng fibronectin, một loại protein liên quan đến những quy trình của tế bào như kết dính tế bào, tăng trưởng và di chuyển. Các nhà khoa học đã phát hiện được các liên kết chéo hóa học được, kết nối fibronectin với hydrogel.

Các tế bào trên hydrogel, sau khi được xử lý bề mặt bằng cấy ion ngâm plasma (PIII) trong quá trình thí nghiệm cho thấy sự kết dính và phát triển lan rộng. Khả năng duy trì chức năng sinh học tự nhiên của các protein ECM (nhóm protein hình thành mô) khi được gắn vào cấu trúc cho thấy khả năng có thể hướng dẫn phát triển tế bào, tạo thành các mô cho những ứng dụng sinh học theo yêu cầu.

 Kết quả nghiên cứu khoa học cho thấy, những gốc phân tử chức năng polymer cho phép tạo ra những nền tảng vững chắc tuyệt vời, tạo ra các cấu trúc lai ghép hydrogel – polymer ổn định, đáp ứng được các ứng dụng trong kỹ thuật y sinh, phát triển nhân tạo mô cơ thể con người.