Thủy tinh hoạt tính sinh học là một loại vật liệu vô cơ, được áp dụng hiệu quả trong lĩnh vực y tế và nha khoa hiện nay. Bài viết sau đây hãy cùng Anh & Em tìm hiểu đầy đủ thông tin về thủy tinh sinh học.
Thủy tinh hoạt tính sinh học là gì?
Thủy sinh sinh học hay còn gọi là bioactive glass là vật liệu sinh học dựa trên silica được tạo thành từ mạng lưới oxit silic ba chiều bao gồm: natri, canxi và oxit phốt pho. Vật liệu này tương thích với cơ thể con người, liên kết với xương và mô mềm, đồng thời có thể kích thích sự phát triển xương mới.
Cụ thể, bioactive glass có khả năng phục hồi các xương bị bệnh hoặc bị hư hỏng trở về trạng thái ban đầu bằng cách điều chỉnh các thành phần và cấu trúc của chúng. Ngoài ra cũng có thể điều chỉnh các đặc tính vật lý của chúng để đáp ứng nhu cầu cụ thể và kiểm soát thời gian vật liệu tồn tại trong cơ thể trước khi phân hủy.
Lịch sử hình thành và phát triển thủy tinh sinh học
Bioactive glass được phát triển vào năm 1969 bởi Larry Hench, giáo sư kỹ thuật gốm sứ tại Đại học Florida, ông đã cộng tác với các bác sĩ trong chiến tranh Việt Nam để phát triển một loại vật liệu có thể thay thế xương và các loại mô khác khi người lính bị thương nặng. Khám phá của ông đã mở ra một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới về các vật liệu “hoạt tính sinh học”.
Vào thời điểm đó, các nghiên cứu vật liệu sinh học tập trung vào việc tạo ra các vật liệu ít phản ứng nhất có thể, làm giảm phản ứng viêm của cơ thể và giảm khả năng cơ thể đào thải vật liệu hoặc thiết bị cấy ghép. Khi đó, các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết rằng vật liệu nhân tạo có khả năng hỗ trợ chữa lành hoặc tái tạo mô.
Tuy nhiên, điều mà nhóm của Hench đã phát hiện ra các vật liệu của họ (sau này được đăng ký nhãn hiệu là Bioglass) có thể liên kết với xương. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học quan sát thấy một vật liệu cấy ghép có khả năng liên kết bề mặt với mô.
Thủy tinh hoạt tính sinh học còn được gọi là 45S5, được làm từ bốn thành phần: silicon dioxide, canxi oxit, natri oxit và phốt pho pentoxit. Tên 45S5 biểu thị trọng lượng 45% được tạo thành từ silicon dioxide và tỷ lệ mol canxi và phốt pho là 5:1. Thành phần này rất quan trọng trong việc làm cho vật liệu có khả năng phản ứng cao trong chất lỏng chứa nước và có hoạt tính sinh học.
Nhóm của Hench đã thử nghiệm việc cấy ghép xương bằng vật liệu này ở chuột và nhận thấy rằng chúng khó loại bỏ sau sáu tuần. Họ báo cáo rằng độ bền của liên kết bề mặt giữa Bioglass và xương bằng hoặc lớn hơn độ bền của xương cũ. Theo thời gian, người ta cũng thấy rõ rằng Bioglass có thể liên kết với các mô mềm khác.
Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra lại hàng loạt các nghiên cứu trước đây bao gồm việc thử nghiệm hàm lượng silica, bổ sung boron và florua, đồng thời so sánh trạng thái vô định hình với trạng thái kết tinh. Hench phát hiện ra rằng các thành phần khác nhau ảnh hưởng đến tốc độ liên kết xương cũng như độ bền và tính ổn định của liên kết. Đối với 45S5, liên kết diễn ra nhanh chóng ở mức silica trong khoảng 42–53%, mất 2 – 4 tuần ở mức silica 54–60% và hoàn toàn không xảy ra ở mức hơn 60% silica.
Sau đó, nhóm nghiên cứu tiếp tục tìm ra chuỗi phản ứng sau khi thủy tinh hoạt tính sinh học được cấy vào xương hoặc mô mềm. Quá trình diễn ra khá phức tạp và nhiều giai đoạn dẫn đến sự hình thành lớp apatit, hydroxycarbonate (HCA) có hoạt tính sinh học. Tương tự như pha khoáng trong xương, nó giúp các tế bào xương bám vào và phát triển trên bề mặt cấy ghép và cuối cùng được thay thế bằng xương.
Vào những năm 1990, người ta quan sát thấy những loại vật liệu này giải phóng các ion canxi và silica có hoạt tính sinh học, hòa tan, kích thích các tế bào tiết ra vật liệu hình thành xương (nguyên bào xương) và tế bào gốc. Công trình này của Hench và những người khác đã chứng minh rằng sự giải phóng ion, cũng như lớp HCA là cách kính hoạt tính sinh học kích thích sự phát triển của tế bào và đẩy nhanh quá trình chữa lành xương và các mô mềm. Hiện nay người ta đã biết rằng một số loại kính hoạt tính sinh học có thể kích thích sự phát triển của các mạch máu mới (tạo mạch) và có hoạt tính kháng khuẩn nhờ sự giải phóng ion này.
Nhược điểm của nghiên cứu thủy tinh sinh học
Mặc dù có những mặt tích cực nhưng thủy tinh sinh học ban đầu vẫn có một số nhược điểm. Vật liệu có xu hướng yếu về mặt cơ học và giòn dễ gãy. Để làm cho chúng bền hơn và có khả năng chống gãy tốt hơn, các nhà khoa học đã thiết kế các vật liệu lai polyme thủy tinh hoạt tính sinh học. Ở những vật liệu này, nếu quá trình sản xuất được kiểm soát cẩn thận, mạng lưới các thành phần hữu cơ và vô cơ sẽ hòa trộn và liên kết ở cấp độ nano. Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các tính chất cơ học và tốc độ phân hủy của vật liệu lai dễ kiểm soát hơn so với kính hoạt tính sinh học ban đầu.
Việc biến các vật liệu sinh học ban đầu thành các cấu trúc xốp phù hợp với giàn giáo trong kỹ thuật mô cũng là một thách thức. Do vật liệu kết tinh trong quá trình thiêu kết (một quá trình xử lý nhiệt được sử dụng để sản xuất vật liệu xốp). Các nhà khoa học đã khắc phục điều này bằng cách chế tạo thủy tinh hoạt tính sinh học thông qua một quy trình khác.
Theo truyền thống, khi chế tạo thủy tinh (làm nguội nóng chảy), quá trình này đòi hỏi nhiệt độ trên 1300 °C. Tuy nhiên, phương pháp dựa trên hóa học sol-gel cho phép các hạt nano silica tập hợp lại ở nhiệt độ phòng. Những tiến bộ khác trong quá trình xử lý như tạo bọt, chế tạo dạng rắn tự do và kéo sợi nano, có nghĩa là giàn giáo thủy tinh hoạt tính sinh học xốp hiện có thể được sản xuất từ kính nóng chảy và kính sol-gel.
Thời gian gần đây, những tiến bộ trong công nghệ nano đã cho phép các nhà khoa học tạo ra các hạt nano thủy tinh hoạt tính sinh học có thể được theo dõi trong tế bào hoặc đưa vào vật liệu trị liệu hoặc di truyền. Cả kính tan chảy và kính sol-gel đều có thể được sản xuất dưới dạng hạt nano.
Ứng dụng của thủy tinh hoạt tính sinh học
Ứng dụng y sinh
Lần đầu tiên, thủy tinh hoạt tính sinh học được ứng dụng làm tai giả vào năm 1985. Sau đó, vật liệu đã được ứng dụng rộng rãi trong y sinh, bao gồm ghép xương, tái tạo răng và chữa lành vết thương. Tính linh hoạt này bắt nguồn từ khả năng kích thích sự phát triển của xương và mô mềm mới cũng như các mạch máu mới cung cấp chất dinh dưỡng cho mô mới.
Hơn nữa, thủy tinh sinh học có thể được chế tạo khác nhau để phù hợp với từng ứng dụng. Ví dụ, các dạng hạt hoạt động tốt trong cấy ghép cột sống, các hạt mịn cho các ứng dụng nha khoa và các dạng sợi thủy tinh ứng dụng để băng vết thương. Gần đây, chủ yếu đã chuyển sang kỹ thuật mô và các giàn giáo xốp chứa hạt tế bào để có thể tích hợp hoàn toàn vào cơ thể.
Ứng dụng trong chỉnh nha
Thủy tinh sinh học học gốc silicat cũng đã được ứng dụng trong một số ứng dụng chỉnh hình và nha khoa. Các biến thể trên vật liệu ban đầu bao gồm kính sinh học 13-93, chứa nhiều silicat (50-56%) hơn 45S5 và kết hợp các chất biến tính mạng, chẳng hạn như oxit kali và magiê. Vật liệu khuyến khích xương phát triển nhưng mạnh hơn 45S5 và thoái hóa nhanh hơn. Vật liệu này hiện được sử dụng để ghép xương và sửa chữa các khuyết tật nha chu và mặt, chăm sóc vết thương và kiểm soát mất máu.
Khả năng kháng khuẩn
Một số loại bioactive glass được biết là có đặc tính kháng khuẩn, chẳng hạn như S53P4, chứa 53% silica và trọng lượng natri, canxi và phốt pho nhỏ hơn 45S5. Nó được phát triển vào đầu những năm 1990 tại Đại học Åbo Akademi và Đại học Turku ở Phần Lan. Khi thiết bị cấy ghép tiếp xúc với chất dịch cơ thể, các ion natri được giải phóng, làm tăng độ pH, các ion được giải phóng kết hợp với nhau để tăng nồng độ muối, đẩy áp suất thẩm thấu lên cao. Những điều kiện này sẽ làm cản trở sự phát triển của vi khuẩn.
Tác dụng kháng khuẩn của thủy tinh hoạt tính sinh học có thể được tăng cường bằng cách thêm các ion như boron, đồng, bạc, yttrium và iốt hoặc các hạt nano hữu cơ. Vật liệu làm từ borat đã được chứng minh là có đặc tính kháng khuẩn chống lại nhiều loại vi khuẩn, bao gồm MRSA và E-coli. Như nghiên cứu đã chứng minh, vi khuẩn không thể bám vào những chiếc kính này, khiến chúng đặc biệt hữu ích trong việc ngăn ngừa nhiễm trùng ở vết thương và vết bỏng.
Điều trị vết thương
Mirragen được phát triển bởi một nhóm tại Mo-Sci Corporation (Rolla, Missouri, Hoa Kỳ) với sự tham gia của người đồng sáng lập Mo-Sci là Delbert Day và Steven Jung, một sinh viên tốt nghiệp tại Đại học Khoa học và Công nghệ Missouri và hiện là Giám đốc Công nghệ tại Mo-Sci. Khi làm việc với cố Ted Day, cựu Giám đốc điều hành của Mo-Sci, Jung đã tinh chỉnh vật liệu này để được FDA chấp thuận vào năm 2017 để điều trị vết thương. Một sản phẩm tương tự là Rediheal cũng được các bác sĩ thú y sử dụng để chữa lành vết thương lớn ở động vật.
Sợi thủy tinh có hàm lượng canxi cao, là sản phẩm chăm sóc vết thương dựa trên thủy tinh hoạt tính sinh học đầu tiên trên thế giới và hiện đã được chứng minh là hỗ trợ chữa lành vết loét mãn tính do tiểu đường. Cấu trúc sợi của nó cho phép Mirragen hấp thụ chất lỏng từ vị trí vết thương và tạo điều kiện chữa lành.
Tái tạo mô
Thủy tinh sinh học gốc borat giúp tái tạo mô bằng cách khuyến khích tế bào tiết ra các yếu tố tăng trưởng liên quan đến sự tái phát triển của mạch máu, là chìa khóa cho sự phát triển của mô vì chúng cung cấp tất cả các chất dinh dưỡng cần thiết. Như vậy, thủy tinh hoạt tính sinh học rất có lợi khi tạo ra các giàn giáo kỹ thuật mô vì trước đây cần có các yếu tố tăng trưởng tái tổ hợp.
Một loại kính sinh học khác được làm từ photphat và thường chứa các chất phụ gia khác, chẳng hạn như đồng, kẽm hoặc oxit bạc. Chúng ít cứng hơn thủy tinh silicat và có thể được điều chế ở nhiều dạng khác nhau, bao gồm đĩa, vi cầu và sợi. Những sợi thủy tinh này cũng có thể tạo thành các ống siêu nhỏ, có thể được kết hợp trong nhiều loại polyme khác nhau để giúp chất dinh dưỡng khuếch tán và các mạch máu tái sinh khi được sử dụng làm khung để tái tạo mô. Kính hiển vi đã được sử dụng trong xạ trị vì chúng cung cấp bề mặt ổn định cho tế bào phát triển và ngăn ngừa tổn thương mô.
Vai trò của Mo-Sci trong thủy tinh sinh học
Trên thị trường hiện nay, hầu hết các loại thủy tinh hoạt tính sinh học dùng trong thiết bị y tế đều do Mo-Sci cung cấp.
Mo-Sci được thành lập vào năm 1985 bởi Delbert Day như công ty nhỏ từ công trình nghiên cứu của ông tại Đại học Khoa học và Công nghệ Missouri về các quả cầu thủy tinh phóng xạ. Sản phẩm đầu tiên của công ty là kính hiển vi thủy tinh được sử dụng trong TheraSphere, một công nghệ được thiết kế để cung cấp một lượng nhỏ chất phóng xạ để điều trị bệnh ung thư gan không thể phẫu thuật.
Từ đó, Mo-Sci đã phát triển nhiều loại thủy tinh sinh học gồm các vi cầu, cấu trúc xốp và bột thủy tinh (frit). Những vật liệu này có sẵn ở nhiều thành phần và kích cỡ khác nhau tùy thuộc vào dạng kính và mục đích sử dụng. Mo-Sci cũng tạo điều kiện thuận lợi cho thủy tinh hoạt tính sinh học được chế tạo theo yêu cầu cho các yêu cầu về cường độ và tốc độ phân hủy cụ thể.
Các sản phẩm của Mo-Sci phù hợp để sử dụng trong nhiều ứng dụng y tế và chăm sóc sức khỏe, từ lớp phủ cho mô cấy đến bột để trộn với vật liệu composite cho đến giàn giáo kỹ thuật mô. Kính hoạt tính sinh học mới nhất của Mo-Sci có gốc borat, sử dụng boron thay vì silica và công ty có giấy phép độc quyền cho cả ứng dụng mô cứng và mô mềm cho loại kính này. Engineered Tissue Solutions (ETS) chính là một công ty phụ của Mo-Sci, hiện đang phân phối Mirragen.
Công ty hợp tác chặt chẽ với ngành chăm sóc sức khỏe và các ngành y tế. Ví dụ, công ty đã thiết kế vật liệu có độ xốp cao Porogran phối hợp với các bác sĩ phẫu thuật để sử dụng trong các giàn giáo và mảnh ghép có thể cấy ghép. Porogran thích hợp để sử dụng làm vật liệu dạng hạt hoặc được chế biến thành các dải bột nhão hoặc collagen. Do diện tích bề mặt cao nên phản ứng xảy ra nhanh hơn. Porogran có thể được sản xuất dưới nhiều dạng thủy tinh hoạt tính sinh học, chẳng hạn như 45S5 và S53P4.
Bài viết trên, chúng tôi đã giúp bạn hiểu rõ hơn về thủy tinh sinh học và những ứng dụng trong lĩnh vực y tế hiện nay. Hy vọng đây là những thông tin hữu ích dành cho bạn trong việc điều trị y tế dành cho bệnh nhân.
Xem thêm: Ứng dụng vật liệu sinh học dựa trên thủy tinh hoạt tính sinh học trong điều trị nội nha hiện đại (*)
