Đột phá mới trong lĩnh vực xương nhân tạo tại Việt Nam

Nhóm nghiên cứu tại Viện Hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam đã tổng hợp thành công vật liệu α-Canxi Sulphat Hemihydrate (α-HH) và Biphasic Canxi Phosphate (BCP) trong quy mô phòng thí nghiệm. Đây là hai loại vật liệu được sử dụng chính yếu trong lĩnh vực chế tạo, ghép xương nhân tạo nói riêng và y học tái tạo nói chung.

Có thể thấy rằng, việc cấy ghép xương trên cơ thể người hiện có nhiều bước tiến vượt bậc, từ chủng loại cho đến kỹ thuật, tất cả nhằm giúp bệnh nhân khắc phục được những mất mát về chức năng, tổn thương về tinh thần bằng việc thay thế hay phục hồi các bộ phận đã mất, khiếm khuyết.

So với cấy ghép bằng xương tự thân (hay còn gọi là xương tự nhiên, xương đồng loại), thì cấy ghép xương nhân tạo từ lâu đã được ngành y đặc biệt quan tâm nhiều hơn, bởi nhiều ưu điểm như bệnh nhân không phải đau đớn, trải qua một ca phẫu thuật cắt xương, cùng một số đòi hỏi khắt khe khác về bảo quản phần xương vừa tách khỏi cơ thể. Dĩ nhiên, dù xương nhân tạo vẫn còn những "hạn chế" nhất định như dễ diễn ra tình trạng tiêu xương sau khi cấy, thời gian cứng/khô lâu, độ kết dính không cao vì thế cơ chế lành vết thương rất chậm, nhưng với sự phát triển của khoa học, đặc biệt trong lĩnh vực y tế, thì nhiều loại xương nhân tạo vẫn có cấu trúc, tính chất và thành phần giống xương tự nhiên.

PGS. TS Nguyễn Đại Hải (Viện khoa học vật liệu ứng dụng, Viện Hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam) cho biết, khuynh hướng sử dụng xương nhân tạo ngày càng phổ biến, nhưng khách quan mà nhận định thì việc nghiên cứu phát triển vật liệu y sinh nói chung và vật liệu xương nói riêng chưa được quan tâm đúng mức, không chỉ tại Việt Nam mà còn tại nhiều quốc gia khác.

"Hơn thế nữa, nguồn cung cấp xương nhân tạochủ yếu được nhập khẩu nên giá thành cao, ảnh hưởng trực tiếp tới kinh tế người bệnh", TS. Nguyễn Đại Hải chia sẻ, "Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu tại Viện khoa học vật liệu ứng dụng đã đặt mục tiêu tạo ra các sản phẩm liên quan tới vật liệu y sinh mà cụ thể là vật liệu tái tạo xương, và mục tiêu này không chỉ mang tính khoa học cao, tạo tiền đề cho các vật liệu khác phát triển mà còn có tính thực tiễn cao khi đáp ứng được nhu cầu bức thiết của bệnh nhân trong nước".

Hình ảnh sản xuất thực tế hợp chất α-HH và BCP quy mô 1.000 gam/mẻ tại Viện khoa học vật liệu ứng dụng, Viện Hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam.

Sẵn sàng thay thế nguyên liệu nhập khẩu

Trong nhiều năm qua, tổng hợp vật liệu tái tạo xương đã được nghiên cứu nhiều, bằng các phương pháp và từ nguồn nguyên liệu khác nhau, tùy thuộc vào mục đích ứng dụng mà chọn phương pháp phù hợp. Hiện nay có hai loại xương nhân tạo nổi bật nhất, đó là α-Calcium Sulfate Hemihydrate (α-HH) và Biphasic Calcium Phosphate (BCP). Trong đó, α-HH(CaSO4.0.5H2O) là một dạng của Calcium sulfate, được sử dụng trong cấy ghép và tái tạo xương; còn BCP là hỗn hợp của hai loại vô cơ khác nhau, gồm Hydroxyapatites (HA), có công thức hóa học là Ca10(PO4)6(OH)2 và β-tricalcium phosphate (β-TCP), có công thức hóa học là β-Ca3(PO4)2, với các tỷ lệ HA/β-TCP khác nhau. 

Nếu như α-HH thường được sử dụng để làm vật liệu thay thế xương trong nha khoa và phẫu thuật chỉnh hình bởi khả năng tương thích sinh học cao, thời gian tự đóng rắn tốt, có khả năng tái hấp thụ tốt mà không gây ra các phản ứng viêm nhiễm; thì BCP có hoạt tính và khả năng thích ứng sinh học tốt nên được sử dụng rộng rãi về phương diện lâm sàng. 

Tuy nhiên, giá thành của hai loại nguyên liệu α-HH và BCP từ nguồn nhập trực tiếp từ nước ngoài hiện nay rất cao, ở mức 2-5 triệu đồng cho một đơn vị sản phẩm (0,5gam), do đó việc nghiên cứu quy trình tổng hợp, sản xuất hai hợp chất chủ yếu cho lĩnh vực tổng hợp ghép xương nhân tạo này là hoàn toàn cấp bách.

Sau 2 năm nghiên cứu cùng với sự hỗ trợ từ nhiều đơn vị hữu quan tại Thành phố Hồ Chí Minh như Sở KH&CN TP, Đại học y Dược TPHCMViện Kiểm nghiệm thuốc TPHCM, Đại học Khoa học Tự Nhiên TPHCM và một số trường viện khác trên địa bàn, PGS.TS Nguyễn Đại Hải và cộng sự tại Viện khoa học vật liệu ứng dụng đã hoàn thành việc nghiên cứu tổng hợp, đánh giá tính chất sinh học, hóa lý của vật liệu α-HH và BCP; để sau đó xây dựng quy trình tổng hợp hai loại vật liệu này ở quy mô 1.000 gam/mẻ hướng đến sản xuất ở quy mô công nghiệp trong nước. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng hoàn thành nội dung xây dựng tiêu chuẩn cơ sở cho bán thành phẩm α-HH và BCP phù hợp với các quy định của ngành y tế trong và ngoài nước.

Quy trình sản xuất α-HH được hoàn thiện

Nhóm nghiên cứu cho biết, hóa chất dùng để tổng hợp α-HH và BCP chủ yếu là Calcium sulfate dihydrate, Calcium chloride Anhydrous, Trisodium phosphate dodecahydrate, Sulfuric acid, Oleic acid, Chloric acid, Acetone, Sodium hydroxide được sử dụng trong suốt quá trình thực hiện đề tài đều nhập từ hãng Fisher Scientific (Mỹ) nhằm đảm bảo chất lượng vật liệu đầu vào ở mức cao nhất.

Bên cạnh thực hiện các so sánh đối chứng với sản phẩm cùng loại nhập khẩu như α- Former bone graft (hãng 3D Global Biotech Inc, Đài Loan) và MBCP+ (hãng Biolatmante, Pháp) ở hàng loạt tiêu chí hóa học và sinh học, thì bán thành phẩm của đề tài nghiên cứu cũng đã được gửi đến các đơn vị kiểm tra độc lập như Trung tâm Dịch vụ Phân tích Thí nghiệm TPHCM, Trung tâm Eurofins (Sắc Ký Hải Đăng). Kết quả phân tích tại các đơn vị này khẳng định, bán thành phẩm α-HH và BCP được tổng hợp từ đề tài hoàn toàn đáp ứng các tiêu chí đề ra về chất lượng trong lĩnh vực hóa chất, vật liệu ngành y tế.

Hợp chất BCP và α-HH được tổng hợp thành công đạt chất lượng về các chỉ tiêu hóa lý, an toàn về y tế. 

Cũng theo lời PGS.TS Nguyễn Đại Hải, với vật liệu ghép xương, việc đánh giá các phép thử định tính các mẫu vật liệu cũng rất cần thiết, và các kết quả kiểm nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Viện Hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam đều cho thấy α-HH và BCP tổng hợp từ quy mô phòng thí nghiệm cho đến sản xuất quy mô 1.000 gram/mẻ đều phù hợp, tương ứng với tiêu chuẩn chuẩn hóa lý với độ tinh khiết cao, cùng với đó là các chỉ tiêu khác về sinh học như độ nhiễm khuẩn, tỷ lệ khoáng xương, độ ổn định,… an toàn cho lĩnh vực y học tái tạo.

Thử nghiệm thành công trên thỏ

Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm cấy ghép xương từ vật liệu thay thế α-HH và BCP trên thỏ để đánh giá khả năng tái tạo xương trên động vật. Kết quả chỉ ra rằng các vật liệu đã kết hợp tốt với xương vật chủ, và sự hình thành xương mới thâm nhập vào cấu trúc của vật liệu. Từ những luận cứ về nghiên cứu huyết học và đánh giá các phản ứng miễn dịch của thỏ trước và sau khi cấy ghép, cùng các nghiên cứu mô học truyền thống và hiện đại, cũng đã cho thấy sự tương đồng về khả năng ứng dụng của vật liệu tổng hợp với các vật liệu đã tồn tại trên thị trường và đã được chứng minh lâm sàng. Từ đó, nhóm nghiên cứu đã kết luận rằng vật liệu được trình bày trong đề tài này hoàn toàn có khả năng ứng dụng trong y học tái tạo.

Các thử nghiệm khả năng tái tạo xương trên thỏ cũng ghi nhận kết quả tích cực.

Bên cạnh đó, cũng theo lời PGS.TS Nguyễn Đại Hải, trong quá trình trước và sau phẫu thuật, cho thấy tỷ lệ sống sót 100% và sức khỏe của các nhóm thỏ hoàn toàn ở tình trạng tốt, không có dấu hiệu của sự đào thải và các phản ứng sinh học nguy hiểm của vật liệu cấy ghép α-HH và BCP, điều này chứng minh tính tương thích sinh học và sự phù hợp cho các nghiên cứu mô học tiếp theo.

Nhận định về khả năng sản xuất ở quy mô lớn hơn và thương mại hóa hai loại vật liệu α-HH và BCP theo quy trình vừa hoàn thiện, PGS.TS Nguyễn Đại Hải cho rằng với nguồn nguyên liệu phổ biến với giá thành thấp, quy trình tổng hợp ổn định và dễ nâng quy mô công nghiệp và trang thiết bị sản xuất đơn giản chi phí đầu tư thấp thì việc thương mại hóa sản phẩm là hoàn toàn khả thi. Ngoài ra, sự thành công của đề tài đóng vai trò như một tiền đề cho các nghiên cứu nhằm tối ưu hóa sản phẩm xương nhân tạo trong tương lai cũng như các loại vật liệu y sinh khác.