Vật liệu 4D thay đổi hình dạng đầy hứa hẹn cho kỹ thuật hình thái học

Theo một nhóm các nhà nghiên cứu tại Trường Đại học Illinois Chicago (UIC), các vật liệu mới dựa trên hydrogel có thể thay đổi hình dạng để phản ứng với các kích thích tâm lý, chẳng hạn như nước, có thể là thế hệ vật liệu tiếp theo được sử dụng để chế tạo mô và cơ quan sinh học.

Trong một bài báo mới được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials, nhóm nghiên cứu do Giáo sư kỹ thuật y sinh Eben Alsberg đứng đầu đã phát triển được vật liệu độc đáo có thể cuộn thành ống khi phản ứng với nước, làm cho các vật liệu này trở thành “ứng cử viên sáng giá” để phát triển các mạch máu công nghệ sinh học hoặc các cấu trúc hình ống khác.

Trong tự nhiên, quá trình phát triển phôi và chữa lành mô thường liên quan đến mật độ cao của tế bào và những thay đổi phức tạp về tổ chức và cấu trúc, dẫn đến cấu trúc và hình thái mô cuối cùng.

Đối với kỹ thuật mô, kỹ thuật truyền thống liên quan chẳng hạn như kỹ thuật nuôi cấy các giá thể polyme phân hủy sinh học với các tế bào trong các khoang sinh học (biochambers) được lấp đầy bằng chất dinh dưỡng lỏng để giữ cho các tế bào sống sót, theo thời gian, khi cung cấp các tín hiệu thích hợp, các tế bào sẽ nhân lên về số lượng và tạo ra mô mới có hình dạng giá thể tương tự với giá thể bị phân hủy. Ví dụ như, giá thể hình dạng một một chiếc tai được cấy các tế bào có khả năng tạo ra các mô da và sụn tai, cuối cùng tạo thành một tai sinh học có thể cấy ghép.

Tuy nhiên, giá thể tĩnh về mặt hình học không thể cho phép hình thành các mô thay đổi hình dạng động theo thời gian hoặc tạo điều kiện tương tác với các mô lân cận để thay đổi hình dạng.

Alsberg, giáo sư chỉnh hình, kỹ thuật công nghiệp và cơ khí tại UIC, cho biết: “Sử dụng mật độ tế bào cao có thể mang lại nhiều lợi ích trong kỹ thuật mô vì điều này cho phép tăng tương tác giữa tế bào và tế bào để có thể thúc đẩy mô phát triển”.

Vật liệu 4D cũng giống như vật liệu 3D, tuy nhiên, vật liệu này có thể thay đổi hình dạng khi tiếp xúc với các tín hiệu môi trường cụ thể, chẳng hạn như ánh sáng hoặc nước. Những vật liệu này được các kỹ sư y sinh coi là chất nền cấu trúc mới, đầy tiềm năng cho kỹ thuật mô nhưng hầu hết các vật liệu 4D hiện có không thể phân hủy sinh học hoặc không tương thích với tế bào.

Để tận dụng tiềm năng của vật liệu 4D cho các ứng dụng kỹ thuật sinh học, Alsberg và các đồng nghiệp đã phát triển vật liệu 4D mới dựa trên hydrogel giống gelatin có thể thay đổi hình dạng theo thời gian để đáp ứng với việc thêm nước, tương thích với tế bào và có thể phân hủy sinh học, khiến chúng trở thành ứng cử viên xuất sắc cho kỹ thuật mô tiên tiến. Các hydrogel cũng hỗ trợ mật độ tế bào cao, vì vậy chúng có thể tạo ra nhiều tế bào.

Trong bài báo, các nhà nghiên cứu mô tả cách tiếp xúc với nước khiến các giá thể hydrogel phồng lên khi nước được hấp thụ. Ví dụ, lượng trương nở có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi các phương diện của vật liệu hydrogel, chẳng hạn như tốc độ phân hủy của nó hoặc nồng độ của các polyme liên kết chéo - trong trường hợp này là các sợi protein hoặc polysaccharid - bao gồm hydrogel. Nồng độ polyme và liên kết chéo càng cao, hydrogel nhất định sẽ hấp thụ nước càng ít và chậm hơn để gây ra sự thay đổi hình dạng. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng bằng cách sắp xếp lớp hydrogel giống như một chồng giấy với các đặc tính khác nhau, sự khác biệt về khả năng hấp thụ nước giữa các lớp sẽ có thể khiến chồng hydrogel này uốn cong thành hình dạng chữ 'C'. Nếu độ uốn cong đủ khít, sẽ tạo thành một hình ống, giống với các cấu trúc như mạch máu và các cơ quan hình ống khác.

Họ cũng phát hiện ra rằng có thể hiệu chỉnh hệ thống để kiểm soát thời gian và mức độ thay đổi hình dạng. Họ cũng đã thực hiện được việc nhúng các tế bào gốc tủy xương vào hydrogel có mật độ rất cao, mật độ tế bào cao nhất từng được ghi nhận đối với vật liệu 4D, và giữ cho chúng sống sót được. Đây là một tiến bộ đáng kể trong kỹ thuật sinh học có ứng dụng thực tế. Trong bài báo, các nhà nghiên cứu đã mô tả cách hydrogel lấp đầy tế bào thay đổi hình dạng, tạo thành các mô giống như xương và sụn. Quá trình in sinh học 4D của hydrogel này cũng được thử nghiệm để xác định các cấu hình độc đáo nhằm đạt được các kiến ​​trúc 4D phức tạp hơn.

“Sử dụng hydrogel đa lớp này, chúng tôi không chỉ kiểm soát được mức độ uốn cong của vật liệu và tiến trình thời gian của nó, mà bởi vì hydrogel có thể hỗ trợ mật độ tế bào cao, bắt chước gần đúng với số lượng mô hình thành hoặc chữa lành tự nhiên. Hệ thống này hứa hẹn cho kỹ thuật mô nhưng cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu các quá trình sinh học liên quan đến sự phát triển ban đầu”, Yu Bin Lee, nhà nghiên cứu sau tiến sỹ về công nghệ y sinh, tác giả đầu tiên của bài báo nói. 

Viện quốc gia về các bệnh viêm khớp, cơ xương và da (NIAMS), và Viện Công nghệ sinh học và tạo ảnh y sinh quốc gia tài trợ nghiên cứu này.

P.T.T (NASATI), theo https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210225082443.htm, 25/2/2021