Fabrication of Schiff base cross-linked N, O-carboxymethyl chitosan-based bi-layered bio-inks for the treatment of osteochondral defects - NCS. Vũ Thanh Bình

Tên luận án: Fabrication of Schiff base cross-linked N, O-carboxymethyl chitosan-based bi-layered bio-inks for the treatment of osteochondral defects
Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh                              
Mã ngành: 9520212
Họ và tên NCS: Vũ Thanh Bình           
Cán bộ hướng dẫn chính: PGS.TS. Nguyễn Thị Hiệp
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Quốc Tế, ĐHQG.HCM
Điểm mới của luận án
1. Thành phần vật liệu và phương pháp liên kết chéo
1.1. Ứng dụng của hydrogel trong tái tạo xương
Lĩnh vực kỹ thuật mô xương đã nghiên cứu sâu rộng việc sử dụng hydrogel có nguồn gốc từ cả polyme tự nhiên và tổng hợp. Polyme tự nhiên như chitosan, alginate, axit hyaluronic, collagen và gelatin là những lựa chọn phổ biến nhờ khả năng tương thích sinh học vốn có và sự tương đồng về cấu trúc với chất nền ngoại bào (ECM) tự nhiên. Những vật liệu này thường tạo ra một môi trường thuận lợi cho sự bám dính, tăng sinh và biệt hóa tế bào. Polyme tổng hợp như PEG, PVA, PCL và PLA cũng được sử dụng, mang lại khả năng kiểm soát tốt hơn các đặc tính cơ học và tốc độ phân rã. Nhiều chiến lược liên kết chéo khác nhau được áp dụng để tạo thành mạng lưới hydrogel ba chiều, bao gồm các phương pháp vật lý như tương tác ion, thay đổi nhiệt độ và điều chỉnh pH, cũng như các phương pháp hóa học như liên kết cộng hóa trị, phản ứng enzyme và sự hình thành Schiff base. Đặc biệt, liên kết Schiff base đã thu hút sự chú ý nhờ tính chất động và khả năng đảo ngược của nó, mang lại tiềm năng tự phục hồi và khả năng phản ứng. Luận án này được thực hiện phù hợp với bối cảnh đã được nêu bằng cách sử dụng polyme tự nhiên và liên kết chéo Schiff base, nhưng sự kết hợp và biến đổi cụ thể của các vật liệu, đặc biệt là việc sử dụng NOCC, đóng góp vào tính mới của nghiên cứu.
1.2. Ứng dụng N,O-carboxymethyl chitosan
N,O-carboxymethyl chitosan (NOCC) là một dẫn xuất của chitosan, trong đó các nhóm carboxymethyl (-CH₂COOH) được thay thế trên cả nguyên tử nitơ và oxy của phân tử chitosan. Sự biến đổi này làm tăng đáng kể độ hòa tan trong nước của chitosan trong một phạm vi pH rộng hơn so với dạng không biến đổi, vốn thường chỉ hòa tan trong điều kiện axit. Độ hòa tan được cải thiện này là một lợi thế đáng kể cho các ứng dụng y sinh, cho phép sự hình thành hydrogel trong điều kiện sinh lý, thuận lợi hơn cho sự sống sót và chức năng của tế bào. Các tài liệu hiện có chỉ ra rằng carboxymethyl chitosan (CMCS), một thuật ngữ rộng hơn bao gồm NOCC, đã được nghiên cứu cho nhiều ứng dụng y sinh khác nhau, bao gồm cả thành phần trong hydrogel cho mục đích chống dính mô và trong các công thức điều trị viêm khớp dạng thấp. CMCS cũng đã cho thấy tiềm năng trong các ứng dụng vận chuyển thuốc và lành thương. Mặc dù các nghiên cứu trên chứng minh tính linh hoạt của hydrogel dựa vào CMCS, nhưng việc ứng dụng cụ thể NOCC trong hydrogel tái tạo xương, đặc biệt là trong các kết hợp tiềm năng được trình bày trong luận án này, cho thấy tính mới đầy hứa hẹn. Việc sử dụng nhất quán NOCC trong cả ba hệ hydrogel để tái tạo xương cho thấy rằng dẫn xuất chitosan này đóng một vai trò quan trọng trong những tiến bộ được đề xuất bởi luận án này.
1.3. Kết hợp polyme và liên kết chéo
Nghiên cứu đầu tiên khám phá một hệ hydrogel dựa trên sự kết hợp của alginate oxy hóa (OAlg) và N,O-carboxymethyl chitosan (NOCC) được liên kết chéo thông qua hóa học Schiff base để tái tạo xương. Mặc dù hydrogel chitosan-alginate đã được nghiên cứu trước đây cho kỹ thuật mô xương (BTE), nhưng việc sử dụng cụ thể NOCC, một dạng chitosan đã được biến đổi với khả năng hòa tan tốt hơn, kết hợp với alginate oxy hóa, vốn có tốc độ phân hủy nhanh hơn so với alginate tự nhiên, được liên kết chéo thông qua sự hình thành Schiff base, có khả năng mang lại một công thức các đặc tính phù hợp cho việc tái tạo xương. Tỷ lệ cụ thể của OAlg và NOCC và các đặc tính thu được, như thời gian gel hóa nhanh và cấu trúc lỗ xốp liên kết, khi kết hợp với kết quả in vivo đầy hứa hẹn, cho thấy đây là một công thức hydrogel mới.
Nghiên cứu thứ hai giới thiệu một hệ polyme bao gồm alginate, NOCC và axit hyaluronic aldehyde (AHA), được liên kết chéo thông qua Schiff base. Sự kết hợp của ba polysaccharide tự nhiên này, mỗi loại đều có những lợi ích đã biết cho BTE, là một vật liệu sinh học mới. Alginate cung cấp một mạng lưới có khả năng tương thích sinh học tốt, NOCC mang lại khả năng hòa tan và hoạt tính sinh học vượt trội, và AHA, một dẫn xuất của axit hyaluronic, một thành phần quan trọng của ECM, có thể tham gia vào các phản ứng Schiff base. Liên kết ion giữa alginate và biphasic calcium phosphate (BCP) được kết hợp càng làm tăng thêm tính mới tiềm năng của hệ thống này. Mục tiêu kéo dài thời gian phân rã bằng cách sử dụng alginate thay vì alginate oxy hóa, kết hợp với độ bền cơ học được cải thiện do BCP mang lại, cho thấy một chiến lược kết hợp có chủ ý đầy tiềm năng.
Nghiên cứu thứ ba tập trung vào một hệ hydrogel bao gồm NOCC và axit hyaluronic aldehyde (AHA) được liên kết chéo thông qua hóa học Schiff base, đặc biệt để tải lên khung PCL. Sự kết hợp của hai polysaccharide đã được biến đổi này, có khả năng hình thành liên kết Schiff base, để tái tạo xương, đặc biệt là trong một khung giá thể hỗn hợp, là một cách tiếp cận mới. Axit hyaluronic và các dẫn xuất aldehyde của nó đã được công nhận vai trò trong BTE, và sự tương tác với NOCC để tạo thành một hydrogel có thể được tải hiệu quả lên khung PCL để tăng cường độ bền cơ học cho các ứng dụng chịu lực là điểm khác biệt của nghiên cứu này. Cách tiếp cận liên kết chéo tại chỗ bằng cách sử dụng Schiff base trong cả ba nghiên cứu mang lại lợi thế là hình thành hydrogel trực tiếp tại vị trí khuyết mô, đảm bảo sự thích ứng tốt hơn với các hình dạng bất thường và giảm thiểu tính xâm lấn, điều này càng góp phần vào tính mới tổng thể và tính phù hợp lâm sàng của nghiên cứu.
2. Kết hợp bioceramic
2.1. Việc sử dụng bioceramic được nghiên cứu trong khung giá thể xương
Việc sử dụng bioceramic trong kỹ thuật mô xương là một chiến lược đã được nghiên cứu để tăng cường khả năng dẫn xương và các đặc tính cơ học của giá thể. Các bioceramic phổ biến được sử dụng bao gồm hydroxyapatite (HAp), β-tricalcium phosphate (β-TCP) và biphasic calcium phosphate (BCP), tất cả đều có thành phần tương tự như pha khoáng của xương tự nhiên. Những vật liệu này tạo điều kiện cho sự bám dính, tăng sinh và biệt hóa tế bào, đồng thời thúc đẩy sự hình thành mô xương mới. Việc lựa chọn β-TCP, BCP và HAp trong ba nghiên cứu đang phân tích phù hợp với thực tế vừa nêu, cho thấy sự tập trung vào việc tận dụng những lợi ích đã biết của gốm canxi photphat để cải thiện kết quả tái tạo xương. Do đó, tính mới trong nghiên cứu này bắt nguồn từ cách thức cụ thể mà các bioceramic này được tích hợp vào các hydrogel dựa trên NOCC và các hiệu ứng hiệp đồng mới quan sát được.
2.2. Sự tích hợp bioceramic trong hydrogel có thành phần chitosan
Trong nghiên cứu đầu tiên, β-TCP đã được kết hợp vào hydrogel alginate oxy hóa/NOCC. Các vật liệu composite chitosan-β-TCP đã được báo cáo là có khả năng tăng cường hoạt tính sinh học và các đặc tính cơ học của giá thể để tái tạo xương. Tính mới trong bối cảnh này nằm ở tỷ lệ cụ thể của β-TCP so với hydrogel OAlg/NOCC và các đặc tính phát sinh từ sự kết hợp này, đặc biệt là khả năng tái tạo trong mô hình khuyết hổng xương sọ chuột in vivo.
Nghiên cứu thứ hai đã sử dụng biphasic calcium phosphate (BCP) trong hydrogel alginate/NOCC/AHA. BCP, một hỗn hợp của HAp và β-TCP, được xem là một vật liệu thay thế xương lý tưởng do khả năng phân rã có thể kiểm soát và tốc độ hấp thụ sinh học cao. Tính độc đáo trong nghiên cứu này nằm ở sự tương tác cụ thể của BCP với hệ hydrogel polysaccharide mới, dẫn đến những cải thiện quan sát được về thời gian phân hủy và độ bền cơ học, cũng như việc xác định nồng độ tải BCP tối ưu là 40%.
Nghiên cứu thứ ba đã kết hợp hydroxyapatite (HAp) vào hệ hydrogel NOCC/AHA, sau đó được tải lên khung PCL. HAp được chọn vì tính ổn định và thành phần gần giống với khoáng chất xương nhất. Tính mới ở đây nằm ở sự kết hợp cụ thể của HAp với hydrogel NOCC/AHA và sự tích hợp với khung PCL, tạo ra một vật liệu sinh học hỗn hợp với độ bền cơ học được tăng cường đáng kể và khả năng tái tạo xương in vivo đầy hứa hẹn trong mô hình khuyết hổng xương chày ở thỏ. Trong cả ba nghiên cứu, nồng độ cụ thể của các bioceramic được sử dụng và tác động của chúng đối với các đặc tính hydrogel thu được, như độ bền cơ học, tốc độ phân rã và tương tác tế bào, là những yếu tố quan trọng góp phần vào tính mới tiềm năng của luận án này.
3. Đánh giá so sánh và các điểm mới chính
Ba nghiên cứu cho thấy một sự tiến triển hợp lý trong việc phát triển hydrogel dựa vào chitosan để điều trị khuyết hổng xương. Nghiên cứu ban đầu đã thiết lập một hydrogel tiêm nền tảng cho các ứng dụng không chịu lực. Nghiên cứu thứ hai đã tinh chỉnh hệ thống này bằng cách tập trung vào việc kiểm soát tốc độ phân rã và tăng cường các đặc tính cơ học thông qua các biến đổi trong thành phần polyme và việc kết hợp BCP. Cuối cùng, nghiên cứu thứ ba đã giải quyết các hạn chế về cơ học cho các ứng dụng chịu lực bằng cách tạo ra một giá thể kết hợp hoạt tính sinh học của hydrogel NOCC/AHA/HAp với sự hỗ trợ cấu trúc của khung PCL.
Các điểm mới chính được xác định trong các luận án này bao gồm:
• Việc sử dụng nhất quán N,O-carboxymethyl chitosan (NOCC) làm thành phần chính trong hydrogel tái tạo xương, có khả năng mang lại lợi thế nhờ khả năng hòa tan và hoạt tính sinh học tăng cường.
• Việc khám phá các kết hợp polyme tự nhiên mới, cụ thể là alginate oxy hóa với NOCC, alginate với NOCC và axit hyaluronic aldehyde, và axit hyaluronic aldehyde với NOCC, tất cả đều được liên kết chéo thông qua hóa học Schiff base.
• Một cách tiếp cận chiến lược để kiểm soát tốc độ phân rã của hydrogel bằng cách thay thế alginate bằng alginate oxy hóa, chứng minh một phương pháp để điều chỉnh thời gian lưu của vật liệu in vivo.
• Việc kết hợp các bioceramic khác nhau (β-TCP, BCP, HAp) trong mỗi hệ hydrogel, với việc tối ưu hóa nồng độ BCP trong nghiên cứu thứ hai để đạt được sự cân bằng các đặc tính mong muốn.
• Thiết kế và đánh giá sáng tạo của một giá thể kết hợp khung PCL với hydrogel NOCC/AHA/HAp, tăng cường thành công độ bền cơ học để có khả năng sử dụng trong các khuyết hổng xương chịu lực. Việc sử dụng chất tạo lỗ để tinh chỉnh cấu trúc khung PCL nhằm cải thiện khả năng tải hydrogel cũng là một khía cạnh đáng chú ý.
• Sự thành công trong việc xác nhận in vivo các hệ hydrogel và giá thể này trong các mô hình động vật phù hợp, bao gồm mô hình xương sọ chuột cho các khuyết hổng không chịu lực và mô hình xương chày thỏ cho các khuyết hổng chịu lực, cung cấp bằng chứng quan trọng về hiệu quả tiềm năng của chúng.
4. Kết luận và triển vọng tương lai
Luận án này trình bày một khối lượng công việc thuyết phục, chứng minh tính mới đáng kể trong việc phát triển và đánh giá hydrogel và giá thể hỗn hợp dựa vào N,O-carboxymethyl chitosan liên kết chéo Schiff base để điều trị khuyết hổng xương. Sự tiến triển có hệ thống qua ba nghiên cứu, mỗi nghiên cứu giải quyết các hạn chế cụ thể và hướng đến chức năng nâng cao, làm nổi bật một cách tiếp cận chu đáo và sáng tạo đối với những thách thức trong kỹ thuật mô xương. Sự kết hợp polyme độc đáo, chiến lược kiểm soát tốc độ phân rã, việc kết hợp tối ưu các bioceramic và việc tạo ra thành công một giá thể hỗn hợp được gia cố cơ học cho các ứng dụng chịu lực đều là những tiến bộ đáng chú ý trong lĩnh vực này. Việc xác nhận in vivo trong các mô hình động vật phù hợp càng nhấn mạnh tiềm năng của các vật liệu này cho việc chuyển giao lâm sàng.
Nghiên cứu trong tương lai có thể xây dựng dựa trên những phát hiện này bằng cách nghiên cứu hiệu quả và sự phân rã lâu dài của giá thể hỗn hợp trong điều kiện chịu lực, khám phá tác động của các đặc tính NOCC khác nhau, kết hợp các yếu tố tăng trưởng để tăng cường hơn nữa sự tái tạo, tiến hành phân tích chi tiết mô xương mới hình thành, đánh giá các vật liệu trong các mô hình động vật lớn hơn, tối ưu hóa cấu trúc khung PCL và khám phá việc sử dụng các kỹ thuật in sinh học 3D để chế tạo implant cá thể hóa. Những tác động rộng lớn hơn của luận án này đối với kỹ thuật mô xương là đáng kể, cho thấy tiềm năng phát triển các phương pháp điều trị an toàn hơn, hiệu quả hơn và ít xâm lấn hơn cho nhiều loại tổn thương xương, cuối cùng dẫn đến cải thiện kết quả cho bệnh nhân.