TS. Nguyễn Ngọc Tuân: Sáng tạo trên những vật liệu sinh học

TS. Nguyễn Ngọc Tuân (bìa trái) và nhóm LIGA2BIO thực hiện dự án dây chằng nhân tạo.

Trò chuyện với TS. Nguyễn Ngọc Tuân về vật liệu sinh học và chất liệu điều trị y tế trong phòng thí nghiệm, có lẽ ít ai biết rằng, ở xuất phát điểm, anh lại là một kỹ sư ngành hóa dầu. Năm 2012, khi còn học tại trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu, anh bắt đầu tiếp xúc với polymer qua một dự án nghiên cứu khoa học dành cho sinh viên. Đó là một cú chạm nhẹ nhưng đủ sức hướng anh từ lĩnh vực hóa dầu để đến với giáo sư Veronique Migonney của Đại học Sorbonne Paris Nord, nhận học bổng tiến sĩ về vật liệu sinh học cho tái tạo dây chằng chéo trước đầu gối trong dự án LIGA2BIO - một dự án có tổng giá trị đầu tư 6,4 triệu Euro từ chương trình đầu tư tương lai (PIA).

Anh nhận thấy kỹ thuật mô thực sự là một ngành khoa học với mục tiêu tìm cách sửa chữa, thay thế hoặc tái tạo các mô bị tổn thương duy trì, phục hồi hoặc tăng cường chức năng của chúng trong cơ thể. Trong thập niên qua, lĩnh vực này đã có những kết quả hứa hẹn, làm gia tăng hiểu biết về kỹ thuật mô dựa trên sự kết hợp sức mạnh đa ngành như sinh học, khoa học vật liệu, hóa học, vật lý và các chuyên ngành kỹ thuật mới như trí tuệ nhân tạo (1), (2).

Những ngày miệt mài trong phòng thí nghiệm mang lại cho anh cái nhìn sâu hơn về vật liệu sinh học, một trong những hướng đi tiềm năng cho lĩnh vực kỹ thuật mô và y học tái tạo. Sự linh hoạt kỳ diệu của vật liệu sinh học trao cho các nhà khoa học khả năng kiểm soát và thay đổi các tính chất của vật liệu theo mong muốn. Dù vẫn còn những thách thức nghiên cứu về lĩnh vực này, ví dụ như phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe trong cấy ghép vào cơ thể bởi vật liệu cần phải có tính tương thích sinh học với tế bào, không gây độc tế bào, tính chất cơ học phù hợp mô (ví dụ đối với sợi biopolymer cho dây chằng nhân tạo, chúng cần chịu được lực kéo, xoắn và trọng lượng lên khớp đầu gối, để giữ cho các khớp được cố định), yêu cầu tăng cường bám dính cho tế bào và thúc đẩy biệt hóa tế bào thành các mô đích. Khả năng tái sản xuất của các vật liệu này cũng là một thử thách cần phải vượt qua. Những vật liệu cần đáp ứng yêu cầu về sự ổn định về chức năng, sản xuất và vượt qua các bài kiểm tra độ bền của các tổ chức y tế như FDA ở Hoa Kỳ hoặc CE của Châu Âu.

Các thách thức như vậy của vật liệu sinh học đã đưa TS. Nguyễn Ngọc Tuân đến với đại học danh giá ENS-PSL, Paris, Pháp cho nghiên cứu sau tiến sĩ để tiếp tục các hướng phát triển mới trong kỹ thuật mô, song song với công việc hiện nay tại bộ phận R&D của Ceraver- Les Laboratoires Osteal Medical.

Trong một môi trường làm việc năng động, TS. Ngọc Tuân cùng các đồng nghiệp trong nhóm nghiên cứu đã phát triển dây chằng nhân tạo có thể phân hủy sinh học từ sợi polycaprolactone. Dây chằng nhân tạo là một giải pháp mà họ hướng tới để có thể thay thế dây chằng đầu gối bị tổn thương. Dây chằng chéo trước đầu gối là một trong những bộ phận dễ bị tổn thương, thường gặp ở người chơi thể thao, lao động nặng hoặc khi vận động sai cách. Cứ khoảng 100.000 người ở độ tuổi 16–39 thì có đến 85 người dễ bị chấn thương loại này, theo báo cáo từ tạp chí Knee Surgery, Sports Traumatology(3).

Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu đã hợp tác cùng hai Công ty TEXINOV và MOVMEDIX để phát triển dây chằng nhân tạo từ sợi polymer sinh học, polycaprolactone, có thể thay thế tạm thời dây chằng đã bị tổn thương để giữ cố định khớp gối. Bề mặt của các sợi polyme này được chức năng hóa bởi các nhóm phân tử có hoạt tính sinh học cho phép chúng tăng cường độ bám dính của tế bào. Khi đó, các tế bào sợi (Fibroblast) sẽ bám dính trên bề mặt khung sợi và phát triển thành mô dây chằng mới, đồng thời các sợi polymer sẽ phân hủy chậm trong cơ thể mà không gây độc tế bào cho đến khi dây chằng mới được tái tạo và thay thế dây chằng nhân tạo mà không cần phẫu thuật loại bỏ.

Anh và các đồng nghiệp đã thực hiện phủ bề mặt bằng phương pháp ghép phân tử theo cơ chế tổng hợp polymer bằng gốc tự do (Atom transferr radical Polymerization) tiếp cận theo hướng từ dưới lên (Bottom-up) và sử dụng các phân tích hóa lý, cơ học, và nuôi cấy tế bào invitro để đánh giá tính chất lý hóa và khả năng sinh học của bề mặt vật liệu với tế bào fibroblast. Một trong những phương pháp tiền xử lý bề mặt để ghép các phân tử chức năng mà nhóm tập trung nghiên cứu trong dự án là hoạt hóa bề mặt bằng ozone với các ưu điểm về khả năng xử lý đồng đều bề mặt của các đối tượng có cấu trúc không gian phức tạp, với phạm vi ứng dụng rộng rãi từ polymer cho đến kim loại. Đây được đánh giá là một phương pháp sạch và thân thiện với cơ thể.

Với những ưu thế về vật liệu, phương pháp này có thể thúc đẩy phục hồi chấn thương nhanh hơn, ít rủi ro, hiệu quả và ít tốn kém hơn so với các phương pháp chữa bệnh phẫu thuật nối ghép mô truyền thống, vốn là những thứ phương pháp điều trị bị hạn chế về viêm nhiễm, lây truyền bệnh và chi phí cao.

Các kết quả nghiên cứu đã được đối tác - dự án là Công ty MOVMEDIS (trước đây là LARS) đưa dây chằng nhân tạo để thử nghiệm lâm sàng tại Châu Âu và Hoa Kỳ.

Mô phỏng dây chằng nhân tạo.

Việc phát triển dây chằng nhân tạo từ vật liệu sinh học không chỉ mang đến lợi ích cho bệnh nhân mà còn đóng góp vào sự hiểu biết sâu hơn về tương tác giữa bề mặt vật liệu và tế bào. Một số kết quả nổi bật mà anh và các đồng nghiệp đã thực hiện trong dự án này có thể kể đến là: việc kiểm soát sự tương tác bề mặt - giữa vật liệu được chức năng hóa và các phân tử sinh học trong ma trận ngoại bào có thể được thực hiện và có thể thúc đẩy sự bám dính của tế bào fibrolast thành mô dây chằng thông qua các nhóm phân tử chức năng của styrene sulfonate. Kết quả này được mô tả rõ hơn trong các nghiên cứu của nhóm đã được đăng trên tạp chí học thuật Academic journal Biointerphase của American institute of Physics(4), (5).

Ngoài ra, sự cân bằng giữa tốc độ phân hủy sinh học, quá trình chức năng hóa bề mặt sợi polymer và sự phát triển của tế bào mô mới sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng tiêu chí của cấy ghép dây chằng. Các kết quả được đăng trên tạp chí Sự phân hủy và Độ ổn định của Polymer degradation and Stability (6), (7), (8).

Dây chằng sản phẩm thương mại thế hệ thứ ba.

Khi được hỏi tại sao lại có thể đạt được kết quả ấn tượng như vậy, TS. Nguyễn Ngọc Tuân trả lời “Việc trao đổi kết quả và các vấn đề thường xuyên giữa các nhóm nghiên cứu trong dự án, giữa các đồng nghiệp trong các lĩnh vực khác nhau, là một điều quan trọng giúp cho nhóm giải quyết các khó khăn trong khi thực hiện. Đôi khi, có những ý tưởng mấu chốt đến từ những ý tưởng đơn giản đến bất ngờ”.

Đây vẫn là một lĩnh vực mở hấp dẫn trong học cả thuật và mang đến giá trị thị trường tiềm năng. Ví dụ, về gân và dây chằng nhân tạo, một báo cáo ước tính giá trị thị trường toàn cầu vào khoảng 37,18 triệu USD(9). “Mình và nhóm nghiên cứu đã phát triển các hướng tiếp cận mới hiệu quả cho dây chằng nhân tạo, bằng việc sử dụng phương pháp ozone hóa và phân tích bề mặt để kiểm soát độ phủ của lớp chức năng trên bề mặt, đảm bảo cân bằng giữa mức độ xử lý bề mặt và tính cơ lý của sợi polymer phù hợp với yêu cầu khi cấy ghép các đồng nghiệp đưa ra và các kết quả có thể tái lập”, anh nói.

Vật liệu sinh học và chất liệu y tế là một con đường trải rộng mà không một trạm nghỉ thành tích nào có thể níu kéo người bộ hành dừng chân. Đó là lý do mà TS. Nguyễn Ngọc Tuân tiếp tục tập trung vào một nghiên cứu về lớp phủ lên bề mặt các lớp polymer thông minh (Stimulus responsive Polymes) để kiểm soát sự bám dính của tế bào bằng laser. Với mục tiêu phát triển các lớp vật liệu chức năng mới có thể kiểm soát sự kết dính, định hướng tế bào phát triển hoặc ngăn sự bám dính ở cấp độ phân tử, đây được coi là công cụ mới có tiềm năng trong điều trị y tế, ví dụ như phân phối thuốc, cảm biến sinh học, chọn lọc tế bào.

Ngược lại với, hướng tăng cường bám dính tế bào, việc phát triển một bề mặt (polymer hoặc kim loại) có thể chống bám dính của vi khuẩn, và có thể với cả tế bào, là một hướng đi khác của TS. Nguyễn Ngọc Tuân trong lĩnh vực này. Anh đã phát triển các lớp phủ mới có gốc sulfonate và axit acrylic lên bề mặt của vật liệu sinh học để ngăn chặn sự bám dính của vi khuẩn và tế bào. Nghiên cứu của anh tập trung vào cấu trúc nano bề mặt và tương tác tĩnh điện để hạn chế sự tiếp xúc của vi khuẩn với bề mặt và cản trở sự kết dính của chúng để tránh gây bệnh cho cơ thể chủ. Ngoài ra, trong một số trường hợp, việc cấy ghép khung vật liệu vào cơ thể chỉ mang tính tạm thời để cố định chỗ gẫy, nứt, hoặc che chắn vết thương cho đến khi phần tổn thương đó lành lại,thì sự bám dính của mô lên các vật liệu đó lại để trở thành vấn đề. Do đó cần nghiên cứu phát triển các lớp phủ lên bề mặt của vật liệu sinh học (như titan, cellulose, màng collagene) để ngăn chặn sự bám dính này.

Trong tương lai gần, anh sẽ tiếp tục tập trung nghiên cứu sâu hơn về tương tác bề mặt giữa vật liệu và tế bào: “ Hướng đi trong tương lai của mình là sẽ tiếp tục giải quyết các hạn chế của vật liệu sinh học cho tái tạo dây chằng, mô xương và mô sụn gối và cơ hội tham gia đào tạo nhân lực khoa học về lĩnh vực này”.

Anh tin rằng các kết quả nghiên cứu của mình và đồng nghiệp sẽ đóng góp tích cực vào sự phát triển của lĩnh vực kỹ thuật mô nói riêng và khoa học chăm sóc sức khỏe - phục hồi chức năng nói chung. Kết quả nhóm đạt được sẽ giúp các bệnh nhân có thể tiếp cận với việc chữa trị hiệu quả, ít rủi ro và ít tốn kém, giúp họ nhanh chóng phục hồi cuộc sống bình thường.