Trong nỗ lực giải quyết những hạn chế của phương pháp ghép xương truyền thống, nhóm nghiên cứu từ Bệnh viện Nhân Dân Tỉnh Giang Tô và Đại học Y Quảng Đông vừa công bố một phát minh đột phá: giàn giáo hydrogel composite 3D mô phỏng sinh học, có khả năng thúc đẩy tái tạo xương hiệu quả. Nghiên cứu được đăng trên tạp chí PLOS ONE mở ra triển vọng ứng dụng công nghệ mô trong điều trị các tổn thương xương phức tạp do chấn thương, bệnh lý hoặc lão hóa.

Xương là mô giàu mạch máu, đòi hỏi sự kết nối chặt chẽ giữa hệ tuần hoàn và tế bào xương để duy trì cấu trúc. Tuy nhiên, các phương pháp ghép xương tự thân hay đồng loại đều tồn tại rủi ro như thiếu nguồn cung, đào thải miễn dịch hoặc lây nhiễm mầm bệnh. Trước thách thức này, giàn giáo hydrogel composite 3D ra đời như một giải pháp tối ưu, kết hợp vi cầu alginate natri và collagen loại I để tạo môi trường vi mô lý tưởng cho tế bào phát triển.

Bằng kỹ thuật nhỏ giọt tĩnh điện, các nhà khoa học đã tạo ra vi cầu alginate natri có kích thước từ 350μm đến 1200μm, sở hữu độ xốp cao và khả năng thẩm thấu dinh dưỡng vượt trội. Khi kết hợp với collagen loại I – thành phần chính trong chất nền ngoại bào của xương – vật liệu này hình thành giàn giáo 3D vừa đàn hồi, vừa bền cơ học, mô phỏng chính xác cấu trúc tự nhiên của mô xương.

Điểm đột phá nằm ở cơ chế đồng nuôi cấy không tiếp xúc giữa tế bào nội mô và tế bào xương trong giàn giáo hydrogel. Thí nghiệm cho thấy, tế bào nội mô tiết ra các cytokine và yếu tố tăng trưởng (như VEGF, BMP-2) kích thích tế bào xương tăng sinh mạnh mẽ. Kết quả, tỷ lệ sống của tế bào đạt trên 95%, đồng thời các marker biệt hóa xương như osteocalcin và alkaline phosphatase tăng đáng kể, chứng tỏ khả năng thúc đẩy tái tạo mô vượt trội so với phương pháp nuôi cấy thông thường.

Ứng dụng tiềm năng của công nghệ này rộng khắp nhiều lĩnh vực. Trong phẫu thuật chỉnh hình, giàn giáo hydrogel có thể được cấy ghép vào vùng xương tổn thương để kích thích mọc mô mới, thay thế phương pháp ghép xương xâm lấn. Với bệnh nhân loãng xương hoặc thoái hóa khớp, vật liệu này hứa hẹn trở thành hệ thống phân phối thuốc thông minh, giải phóng có kiểm soát các phân tử tăng trưởng. Ngoài ra, hệ thống đồng nuôi cấy 3D còn là công cụ đắc lực để nghiên cứu cơ chế tương tác tế bào – chất nền, mở đường cho thiết kế vật liệu sinh học thế hệ mới.

Dù vậy, thách thức vẫn còn hiện hữu. Độ bền cơ học của hydrogel cần được cải thiện để chịu được áp lực sinh lý trong cơ thể. Các thử nghiệm trên động vật lớn (như thỏ, lợn) cũng cần triển khai để đánh giá khả năng tích hợp mạch máu và tái tạo xương in vivo. Nhóm tác giả nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu độ an toàn, khả năng phân hủy sinh học cũng như tối ưu hóa quy trình sản xuất trước khi ứng dụng lâm sàng.

Với sự hỗ trợ từ Trường Nghiên cứu Lâm sàng Bệnh viện Đông Hoa (YJY202102), thành công bước đầu của giàn giáo hydrogel composite 3D không chỉ giải quyết bài toán nan giải trong tái tạo xương mà còn đặt nền móng cho các vật liệu sinh học đa chức năng, cá thể hóa. Trong tương lai, sự kết hợp đa ngành giữa sinh học, kỹ thuật và y học sẽ tiếp tục thúc đẩy những đột phá, biến giấc mơ phục hồi mô tổn thương thành hiện thực.

Tham khảo:
Li, C., et al. (2024). Indirect co-culture of osteoblasts and endothelial cells in vitro based on a biomimetic 3D composite hydrogel scaffold to promote the proliferation and differentiation of osteoblasts. PLOS ONE, 19(3). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0298689