Đề tài Công nghệ trích ly collagen và ứng dụng collagen trong lĩnh vực y khoa

ng. Các sản phẩm như vỏ kẹo có chứa 0,5 ÷ 1% hàm lượng collagen hydrolysate với vai trò làm giảm sự tan chảy. Trong công nghiệp sản xuất kẹo mứt, collagen hydrolysate được sử dụng làm chất tạo gel, chất kết dính, tạo xốp, làm chậm quá trình tan kẹo trong miệng. Trong các sản phẩm như thịt hộp, thịt nguội… Collagen hydrolysate chiếm từ 1 ÷ 5% giúp giữ hương vị tự nhiên của sản phẩm, đồng thời cũng là một chất kết dính giúp cho việc tạo hình sản phẩm dễ dàng hơn. Trong công nghiệp sản xuất rượu bia và nước hoa quả, collagen hydrolysate sử dụng làm chất làm trong với tỉ lệ 0,002 ÷ 0,15%. Nhờ vậy, sản phẩm khi làm ra có màu sắc trong suốt và óng ánh. Collagen có khả năng hấp thụ nước gấp 5 ÷ 10 lần thể tích của nó nên được sử dụng trong công nghiệp sản xuất đồ hộp để tránh hiện tượng rỉ nước. Trong mỹ phẩm Collagen tạo ra một hệ thống nâng đỡ, hỗ trợ các đặc tính cơ học của da như sức căng, độ đàn hồi, duy trì độ ẩm, làm cho da được mịn màng, tươi tắn và trẻ trung. Collagen giúp duy trì độ ẩm tối ưu cho tế bào. Ngoài ra, collagen còn đảm bảo sắc tố da, làm sáng màu da. Sự suy giảm về chất lượng, số lượng collagen sẽ dẫn đến da trở nên khô, mất độ căng, đàn hồi và thúc đẩy quá trình lão hóa của cơ thể. Collagen đóng vai trò quan trọng giúp cải thiện cấu trúc da, kích thích quá trình tái tạo của làn da, phục hồi tế bào da bị tổn thương. Chính vì vậy mà collagen được dùng làm nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm như: kem dưỡng da cao cấp, dầu gội, các sản phẩm dưỡng tóc cũng như các loại sữa tắm… Collagen hydrolysate là thành phần trong các sản phẩm mặt nạ dưỡng da chúng kết hợp với các tinh chất trong mật ong, dầu oliu , tinh dầu hoa hồng… có tác dụng dưỡng ẩm cho da, tái tạo làn da mệt mỏi, bảo vệ da khỏi các tác nhân tia tử ngoại, khói bụi, hóa chất… Vì thế da được trẻ hóa, tươi tắn. Dưới tác dụng của các tác nhân tia tử ngoại, thuốc nhuộm tóc, thuốc duỗi tóc… tóc dễ bị tổn thương, chẻ ngọn, mất đi vẻ bóng mượt. Trong các sản phẩm chăm sóc tóc thường có bổ sung một lượng collagen hydrolysate có tác dụng bảo vệ cho tóc, phục hồi hư tổn (hình 7-2). Hình 72: Tóc bị hư tổn và phục hồi sau khi sử dụng sản phẩm chăm sóc tóc có chứa collagen hydrolysate. Collagen còn được dùng điều trị phục hồi: thường được sử dụng trong trường hợp da bị tổn thương hay trong giai đoạn tái tạo sau khi điều trị nám, mụn trứng cá, sẹo, rạn da và tiêu da thừa sau khi giảm béo. Trong y học và dược phẩm Collagen là một vật liệu có khả năng phân hủy sinh học, có tính tương thích sinh học cũng như khả năng cầm máu nên có thể được chế tạo thành những dạng khác nhau, là một loại vật liệu sinh học lý tưởng cho việc sản xuất các sản phẩm y học. Màng collagen được sử dụng cho hàng loạt những ứng dụng như làm chất bịt kín sinh học và cải thiện tính đáp ứng sinh học đối với những mô cấy. Collagen được sử dụng như một hệ thống phân hủy sinh học cho ra các loại thuốc bao gồm thuốc tránh thai, kháng sinh, insulin, hormone tăng trưởng… Collagen được sử dụng rộng rãi trong phẫu thuật thẩm mỹ, chữa lành vết thương cho các bệnh nhân bị phỏng, tái tạo xương và nhiều mục đích khác thuộc nha khoa, phẫu thuật, chỉnh hình. Collagen còn được dùng trong việc xây dựng cấu trúc da nhân tạo để chữa trị cho các vết bỏng nghiêm trọng (hình 7-3). (a) (b) (c) Hình 73: Collagen áp dụng trong việc điều trị vết bỏng ((a): vết bỏng mới trước khi sử dụng collagen, (b): sau 3 ngày sử dụng, (c): sau 10 ngày sử dụng) Đôi khi chúng được sử dụng kết hợp với silicone, glycosaminoglycan, nguyên bào sợi, các tác nhân tăng trưởng và các hợp chất khác. Collagen cũng được bán trên thị trường như một chất bổ sung, cải thiện tính linh hoạt của khớp. Ngoài ra, collagen còn là phần nền giúp tích tụ calcium trong xương. Nếu hàm lượng collagen giảm đáng kể, calcium không thể tích tụ làm cho xương giòn và dễ gãy, sụn dễ bị hao mòn tạo nên các cơn đau ở khớp gối và hông. Như vậy, để xương cứng cáp hơn, ngoài calcium ta cần bổ sung một lượng lớn collagen. Collagen là một polyme tự nhiên, nó được dùng trong phẫu thuật tạo hình như bơm môi, căng da mặt… Collagen dạng sợi được dùng trong việc làm lành các vết thương, vết rạch trong phẫu thuật. Sợi collagen có thể được xử lý để tạo cấu trúc sợi thẳng, dài dùng làm những sản phẩm y học cho gân và dây chằng. Những ống collagen được sử dụng thay thế cho các cấu trúc như thực quản, dây thần kinh ngoại biên, niệu quản. Nó cũng được sử dụng trong việc nuôi cấy tế bào. Collagen dạng màng và lớp mỏng được sử dụng để giữ cố định các vật chất sinh học chẳng hạn như nhân tố XI 11 trong máu, dùng trong sự tái tạo các mô, nối kết lại võng mạc, làm màng thẩm tích máu, làm vật thay thế lớp màng cứng của não. Nó còn được dùng cho việc tái tạo dây thần kinh, khôi phục màng nhĩ, sụn và xương, kiểm soát sự chảy máu cục bộ, khôi phục tổn thương của gan, là lớp màng chắn bảo vệ não, có tác dụng phục hồi các vết thương. Dung dịch và huyền phù collagen được sử dụng dưới dạng có thể tiêm được làm thông sự tắc nghẽn động mạch, chữa gãy xương, tái tạo tủy sống, trị đái dầm, phục hồi chức năng trượt của gân. Sự phát triển của tế bào với sự hỗ trợ của collagen trong việc nuôi cấy tế bào vừa được nghiên cứu gần đây. Việc sử dụng chất nền collagen cho sự phát triển của tế bào da đã được công bố một cách rộng rãi. Những tế bào nuôi cấy trên collagen được kích thích, làm vết thương mau lành. Những nghiên cứu rộng rãi về sự phát triển của tế bào da tự sinh và khác loại trên nền collagen chứng minh tính khả thi để tạo ra nhiều chủng loại mô và các cơ quan trong quá trình nuôi cấy. Sử dụng nguồn nguyên liệu tế bào nuôi cấy thuộc nhiều chủng loại khác nhau có tác động to lớn đến việc điều trị cho những bệnh nhân bị tổn thương về mô hoặc các cơ quan. Collagen còn được sử dụng trong sản xuất bao con nhộng cứng và mềm. Nó có tác dụng bảo vệ thuốc chống những tác nhân có hại như ánh sáng và oxi. Thành phần chính của vỏ bao là collagen và các tá dược khác như: glycerol hay sorbitol, những chất hoạt động bề mặt, chất màu cho phép, hương liệu. Viên thuốc với vỏ bao collagen đảm bảo cho bệnh nhân có thể nuốt viên thuốc một cách dễ dàng. Collagen còn được sử dụng để làm ra các gạc vô trùng sử dụng trong giải phẩu… Trong phẫu thuật nội soi, collagen hydrolysate được ứng dụng để bôi vào các ống nội soi, có tác dụng bôi trơn, vì thế các bác sĩ dễ dàng đưa các ống này vào cơ thể bệnh nhân mà không gây đau. Sau thời gian từ 40 ÷ 60 phút, collagen sẽ tan hủy trong cơ thể bệnh nhân mà không gây hại gì. Trong nha khoa, collagen được chế tạo thành các mảnh bọt biển (sponges), chúng là một tác nhân cầm máu. Những mảnh bọt biển này có khả năng hấp thụ một lượng chất lỏng gấp 50 lần khối lượng của chúng, vì thế chúng có khả năng cầm máu nhanh chóng (hình 7-4). Một ứng dụng khá hay trong nha khoa là các bác sĩ tạo ra một lớp men răng nhân tạo bằng collagen hysrlysate có chứa các ion calcium, phosphate, fluoride áp lên bề mặt răng thật , vì thế răng được bảo vệ khỏi các tác nhân gây sâu răng. Hình 74: Collagen hydrolysate trong các mảnh bọt biển sử dụng trong nha khoa Thành tựu Nghiên cứu trích ly collagen bằng enzyme collagenase kết hợp với acid Mở đầu Hai vi khuẩn sản xuất collagenolytic protease (collagenase), một Gram dương Bacillus cereus và CNA1 một Gram âm Klebsiella pneumoniae CNL3, đã được cô lập tương ứng trong điều kiện kiềm và acid. Việc sản xuất collagenase của hai loại vi khuẩn đã được tối ưu. Glycerol là nguồn carbon phù hợp để sản xuất collagenase cho cả hai chủng. Các giá trị pH ban đầu tối ưu cho collagenase sản xuất bởi CNA1 và CNL3 tương ứng là 7,5 và 6,0, và nhiệt độ tối ưu là 37oC cho cả hai chủng. Hoạt tính tối đa của collagenase tinh chế một phần từ CNA1 là ở pH 7,0 và 45oC. Sự ổn định của pH và nhiệt trong khoảng 6-8 và dưới 40oC. Hoạt tính tối đa của collagenase tinh chế một phần từ CNL3 là ở pH 6,0 và 40oC. Sự ổn định của pH và nhiệt trong khoảng 5-7 và dưới 37oC. Các collagenase từ CNL3 ổn định ở pH thấp hơn so với từ CNA1. Collagenases từ cả hai giống được sử dụng để chiết xuất collagen từ da cá hồi. Việc sử dụng collagenases từ CNA1 và CNL3 kết hợp với xử lý acid mang lại lượng collagen cao, 54,6% và 53,0% trọng lượng khô da cá, tương ứng. Cách tiến hành Chuẩn bị da cá cho khai thác collagen Da cá được chuẩn bị theo phương pháp của Jongjareonrak và cộng sự với một sửa đổi chút ít. Tất cả các thủ tục chuẩn bị được thực hiện tại 4oC và khuấy liên tục. Để loại bỏ protein không collagen, da lần đầu tiên được trộn với dung dịch NaOH 0,1 N với tỉ lệ mẫu/dung dịch kiềm (w/v) là 1:10. Hỗn hợp được khuấy trong 24 giờ. Dung dịch kiềm đã được thay đổi mỗi sáu giờ. Sau đó, các mẫu đã loại bỏ protein được rửa sạch bằng nước lạnh cho đến khi nước rửa được đạt pH trung tính hoặc base yếu. Da bị khử protein được khử chất béo bằng butyl alcohol 10%với tỉ lệ rắn/dung môi (w/v) là 1:10 trong 24 giờ, dung môi được thay đổi mỗi sáu giờ. Xử lý da cá bằng acid Da cá đã khử chất béo được rửa sạch bằng nước lạnh, sau đó ngâm acid acetic 0,5 M với tỉ lệ rắn/dung môi (w/v) là 1:15 trong 24 giờ. Hỗn hợp này sau đó được ly tâm 8000 vòng/phút trong 30 phút ở 4oC. Các chất gạn được thu thập và lưu giữ tại 4oC. Các kết tủa được tái chiết xuất trong acid acetic 0,5 M với tỉ lệ mẫu/dung dịch (w/v) là 1:30 trong 16 giờ và khuấy nhẹ nhàng, sau đó ly tâm 8000 vòng/phút trong 30 phút ở 4oC. Các chất gạn thu được kết hợp với chiết xuất đầu tiên. Bã được được sử dụng để khai thác hơn nữa với enzyme. Các chất chiết xuất kết hợp được kết tủa bằng cách cho thêm NaCl để đạt nồng độ cuối cùng 2,6 M trong Tris-HCl 0,05 M (pH 7,5). Các kết tủa được thu thập bằng ly tâm 8000 vòng/phút trong 30 phút ở 4oC và sau đó hòa tan trong 10 thể tích acid acetic 0,5 M. Dung dịch thu được được thẩm tách với 10 thể tích acid acetic 0,1 M trong một màng thẩm tách với phân tử trọng lượng cho qua là 8000 Da trong 12 giờ ở với sự thay đổi dung dịch mỗi bốn giờ. Sau đó, dung dịch đã được thẩm tách với 10 thể tích nước cất và thường xuyên thay đổi nước cho đến khi đạt pH trung tính. Các trích xuất đã thẩm tách được đông khô và được gọi là collagen acid hòa tan (ASC – Acid Soluble Collagen). Chiết xuất collagen bằng collagenases Da cá khử protein và khử chất béo và bã không tan thu được sau khi xử lý acid được rửa sạch triệt để với nước cất, hòa trong 2 thể tích dung dịch 0,1 M của loại đệm pH thích hợp và xử lý với collagenase (CNA1 và CNL3) 100 U/mg chất khô trong 48 giờ ở 4oC và khuấy nhẹ nhàng. Dung dịch nhớt được ly tâm 8000 vòng/phút trong 30 phút ở 4oC. Để chấm dứt các phản ứng enzyme, chất gạn thu được đã được thẩm tách với đệm phosphate natri 0,02 M (pH 7,2) trong một màng thẩm tách với trọng lượng phân tử cho qua là 8000 Da trong 24 giờ ở 4oC với sự thay đổi dung dịch sau mỗi bốn giờ. Dung dịch thẩm tách thu được đã được ly tâm 8000 vòng/phút trong 30 phút. Các viên thu được đã được hòa tan trong 10 thể tích acid acetic 0,5 M. Dung dịch sau đó được kết tủa bằng cách cho thêm NaCl để nồng độ cuối cùng là 2,6 M trong Tris-HCl 0,05 M (pH 7,5). Kết tủa được thu thập bằng cách ly tâm tại 8000 vòng/phút trong 30 phút ở 4oC và tái hòa tan trong 10 thể tích acid acetic 0,5 M. Dung dịch này được thẩm tách với nước cất và đông khô theo cách tương tự như đối với chuẩn bị ASC. Phân tích điện di của các chiết xuất collagen Dạng protein của collagen được phân tích bằng cách sử dụng gel điện di sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide (SDS-PAGE) theo phương pháp của Laemmli. Mẫu collagen đông khô bị hòa tan trong đệm natri phosphate 0,02 M (pH 7,2) có chứa 1% (w/v) SDS và ure 3,5 M. Hỗn hợp mẫu được khuấy nhẹ nhàng ở 4oC trong 12 giờ. Chất gạn được thu thập sau khi ly tâm 3000´g trong 3 phút ở 4oC. Mẫu collagen hòa tan được trộn lẫn với mẫu đệm (Tris-HCl 0,5 M, pH 6,8 có chứa 4% (w/v) SDS, 20% (v/v) glycerol) có và không có 10% (v/v) β-mercaptoethanol (β-ME), sử dụng tỉ lệ mẫu/mẫu đệm (v/v) là 1:1. Mẫu được nạp vào gel đúc sẵn PAGEL-Compact (5% gel) và bị điện di với dòng điện không đổi 20 mA/gel sử dụng thiết bị Compact PAGE. Sau khi điện di, gel được nhuộm màu với 0,05% (w/v) Coomassie xanh R-250 trong 15% (v/v) methanol và 5% (v/v) acid acetic và tẩy màu với 30% (v/v) methanol và 10% (v/v) acid acetic. Đánh dấu phân tử khối lượng lớn được được sử dụng để ước tính trọng lượng phân tử của protein. Collagen tan trong acid loại I từ da bê đã được sử dụng làm collagen chuẩn. Kết quả Collagen được chiết xuất trực tiếp từ da cá đã khử protein và khử chất béo của cá hồi bằng collagenases từ CNA1 và CNL3 (bảng 2). Sản lượng của collagen tương ứng chiết xuất được rất thấp ở 3,7% và 2,3% (theo khối lượng chất khô). Tuy nhiên, khi collagenase được áp dụng cho các cặn không tan thu được sau khi xử lý acid, sản lượng của collagen trích xuất bởi collagenase từ CNA1 và CNL3 tương ứng là 18,1% và 16,5% (theo khối lượng chất khô). Vì vậy, sự kết hợp của collagenase từ CNA1 và CNL3 với acid tạo ra năng suất collagen cao hơn (54,6% và 53,0% tương ứng) so với chỉ sử dụng acid (36,5%). Các mẫu điện di của collagen được chiết xuất từ ​​da cá hồi của collagenases từ CNA1 và CNL3 được phân tích trong β-ME và không có β-ME (hình 8-26). Không có sự khác biệt về kích cỡ của collagen chiết xuất của acid acetic và collagenase. Từ hình 8-26, ta thấy chuỗi α1 và α2 là các thành phần chính của collagen trích xuất bởi cả hai collagenases. Phần có khối lượng phân tử cao (có MW cao), bao gồm thành phần β và g cũng như các phân tử liên kết ngang của chúng, cũng đã được quan sát thấy trong cả hai phần. Phân tử liên kết ngang có MW cao trong collagen tăng với tuổi động vật và cá đói có nhiều collagen liên kết ngang hơn so với cá được ăn no. Dạng của chuỗi α1 và α2 tương tự với những loại collagen chuẩn loại I từ da bê (lane 2). Collagen loại I có thành phần chính gồm hai chuỗi α1 và một chuỗi α2 ([α1]2α2). Người ta cho rằng collagen loại I là collagen chính trong collagen chiết xuất bởi cả hai collagenases từ CNA1 và CNL3. Quan sát này tương đồng với các kết quả báo cáo cho collagen của da cá rô sông Nile, cá blackdrum, cá sheephead seabream và cá bigeye snapper. Vì chuỗi α3 có khối lượng phân tử không thể phân biệt với α1 và vì nó không thể tách khỏi α1 bằng điện di, các sự hiện diện đồng thời của α3 với α1 cũng có thể là có thể. Hình 826: Hình ảnh điện di của mẫu collagen từ da cá hồi trong điều kiện khử và không khử. Đường 1: protein có MW cao; đường 2: collagen loại I; đường 3-5:; đường 6-8: collagen chiết xuất bằng acid acetic, collagenase từ CNA1 và CNL3 trong điều kiện khử Bảng 811: Lượng collagen chiết xuất bằng acid và collagenase Kết luận Hai vi khuẩn sản xuất collagenase, Gram dương B. cereus CNA1 và Gram âm K. pneumoniae CNL3, được phân lập tại tương ứng pH kiềm 7,5 và pH acid 4,8. Các collagenases từ hai chủng cho thấy sự khác nhau về pH và nhiệt độ tối ưu. Các collagenase từ CNL3 đã được phân lập tại pH acid đã cho thấy sự ổn định cao hơn ở pH thấp so với CNA1 mà được phân lập tại pH kiềm. Collagenases từ cả hai giống được sử dụng để chiết xuất collagen từ da cá hồi. Sự kết hợp của các collagenase từ CNA1 và CNL3 với xử lý acid mang lại sự thu hồi collagen từ các chế phẩm da cá cao hơn, đó là 54,6% và 53,0% tương ứng so với sử dụng acid một mình. Ngoài ra, nghiên cứu về collagen cho thấy chiết xuất collagen từ da cá hồi bao gồm hai chuỗi khác nhau (α1 và α2), được mô tả như là loại collagen tôi không có liên kết disulfur. Nghiên cứu ứng dụng của collagen trong lĩnh vực y khoa: Tổng hợp polymer-collagen hydrogel để làm chất tải thuốc và dùng trong công nghệ mô Mở đầu Hydrogel tạo bởi polymer tổng hợp hoặc polymer tự nhiên có khả năng biến đổi cấu trúc thuận nghịch bởi nhiệt độ hoặc pH đã thu hút được sự chú ý do sự đơn giản trong việc trộn dung dịch, tương thích sinh học và ít xâm lấn đến sự quản lý. Chính vì vậy chúng được khảo sát rộng rãi như là một vật liệu sinh học tiềm năng để làm chất tải thuốc hoặc dùng trong công nghệ mô. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng colagen nhạy cảm pH và copolymer tri-block PEO-PPO-PEO có thể biến đổi thuận nghịch bởi nhiệt để tạo ra hydrogel. Hydrogel này kết hợp những tính chất cơ học thích hợp của vật liệu tổng hợp với khả năng tương thích sinh học của vật liệu sinh học. Từ đó thấy được khả năng của vật liệu này trong việc làm chất tải thuốc hoặc dùng trong công nghệ mô. Copolymer với EO (ethylene oxide)30 – 80% được sử dụng với những nồng độ khác nhau. Dữ liệu từ động học phóng thích của FITC-dextran thực hiện ở PBS pH 7,4, 37oC cho thấy cả hydrogel từ colagen F108 và L103 đều có sự phóng thích mạnh giống nhau vào lúc đầu, sau đó sự phóng thích giảm dần khi còn ít thuốc hơn collagen gel. Cả hai dần dần trở lại cùng tốc độ ở ngày 6. Tuy nhiên, lượng thuốc phóng thích ra ít hơn trong cả hai gel hỗn hợp khoảng 3-4% ở loại đầu và 8% ở loại thứ hai. Sử dụng kính hiển vi quét eletron cho thấy sự bổ sung polymer ở nồng đồ thấp (dưới 5% và 10% lần lượt với F108 và L103) làm giảm số lỗ nhưng không làm xáo trộn cấu túc sợi. Tế bào K562 được nuôi cấy trong gel hỗn hợp như lớp màng ma trận để ứng dụng trong công nghệ mô. Sự phát triển nhanh của tế bào thể hiện qua sự tăng thời phát huỳnh quang cho C-F108, tuy nhiên nồng độ polymer cao (5%) lại làm ức chế tế bào. Kết quả của chúng tôi đề nghị rằng loại vật liệu sinh học này có khả năng tiềm tàng để sử dụng trong cả làm chất tải thuốc và làm chất mang tế bào. Một loại gel khác là xerogel cũng được phát triển trong nghiên cứu này bằng cách tạo liên kết kị nước giữa colagen với polymer PPG dglycidyl ether. Loại gel khô này có thể trương nở trong nước. Nhiều thí nghiệm sử dụng thiết bị như NMR và DSC hoặc thuốc thử như TBNS đã được sử dụng để cho thấy phạm vi liên kết thành công. Dữ liệu từ kiểm tra TBNS cho thấy giảm 24% nhóm amino tự do làm polymer tăng từ 61% lên 86%. Từ đó chỉ ra rằng nhiều nhóm amino tự do sẽ phản ứng với thuốc bắt màu làm polymer rối lên. Nghiên cứu về góc liên kết nước và sự độc hại đối với tế bào cũng được thực hiện để kiểm tra độ hòa hợp sinh học của vật liệu này. Loại gel này có khả năng hút nước cao hơn so với mẫu chuẩn như colagen với 41,6o cho loại đầu và 61,1o cho loại thứ hai. Ngoài ra, sợi nguyên bào của tế bào trong ma trận có khả năng phát triển và khả năng sống được tốt hơn so với mẫu chuẩn, đặc biệt là khi nồng độ polymer sử dụng dưới 10 mg. Điều này cho thấy khả năng của colagen-PPG diglycidyl ether xerogel để làm loại polymer chính sử dụng trong làm chất mang tế bào. Giới thiệu Hydrogel là nguyên liệu không tan nhưng trương nở trong nước và tạo ra cấu trúc mạng không gian 3 chiều. Hydrogel với tính chất biến đổi thuận nghịch vói nhiệt độ tạo thành khi sử dụng những copolymer tổng hợp là một đề tài được nghiên cứu rộng rãi để làm chất mang thuốc và ma trận ngoại bào (ECM – Extracellular matrix) cho công nghệ mô. Để kéo dài sự sử dụng trong cơ thể người, hydrogel phải có khả năng tương thích sinh học cao cũng như có khả năng phân hủy sinh học. Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để tìm ra loại polymer thích hợp để tăng cường khả năng tương thích sinh học cảu loại vật liệu này. Collagen là một loại polymer sinh học với khả năng tương thích sinh học cao nhưng lại thiếu những tính chất cơ học. Trái lại, polymer tổng hợp có những tính chất vật lý cần thiết nhưng lại thiếu sự tương thích sinh học. Một trong những cách để tăng cường là trộn chúng lại để tạo ra một hydrogel tổng hợp với những tính chất mong đợi của cả hai nguyên liệu. Phương pháp này hấp dẫn bởi tính chất đơn giản trong chế tạo. Một phương pháp khác để tăng cường cũng được nghiên cứu là liên kết dọc và sữa chữa collagen bằng polymer tổng hợp có những nhóm chức nào đó để tạo ra một loại gel lai bền hơn gọi là xerogel, loại gel mà nước được loại ra bằng cách làm khô lạnh và có khả năng hút nước lại và phồng ra. Đây là phương pháp nối các sợi collagen để giảm khả năng thoái hóa và giảm thiểu phản ứng miễn dịch của vật chủ cũng như tránh sự tan ra quá nhanh của nguyên liệu khi tiếp xúc với chất lỏng sinh học. Tổng quan Thành công trong ứng dụng của nguyên liệu sinh học dựa rất nhiều vào sự tương thích sinh học của nguyên liệu. Hydrogel là một nguyên liệu sinh học được sử dụng làm chất tải thuốc đã được chứng minh là có khả năng tương thích sinh học cao. Thứ nhất, nó có sức căng bề mặt thấp với các chất lỏng sinh học và mô xung quanh, nó cũng làm giảm động lực hấp thụ protein và dính vào tế bào. Thứ hai, hydrogel có những tính chất thủy động lực học như một loại gel sinh học tự nhiên làm giảm ma sát và các kích thích lên các mô xung quanh. Sử dụng các loại polymer có khả năng phân hủy sinh học thành các hợp chất vô hại dưới các điều kiện hóa sinh là mong muốn trong sự phát triển của hydrogel để làm chất tải thuốc cũng như tránh khỏi việc loại bỏ nguyên liệu sinh học ra khỏi cơ thể. Tuy nhiên nhiều loại polymer tự phân hủy sinh học lại không tan trong nước và do đó không tạo thành hydrogel ngay cả khi có dư nước. Chúng có thể hoàn trả lại cách khác bằng cách tạo ra block copolymer, polymer blend hoặc hấp thụ vào mạng polymer (IPN – Interpenetrating polymer networks) với hydrophilic polymer có thể hấp thụ lượng nước và trương nở mà không tan trong nước. Một vài loại polymer để tạo hydrogel được cho ở bảng sau Bảng 81: Các loại polymer dùng để tổng hợp hydrogel Poly (ethylene oxide) – block-poly (propylene oxide) – block-poly (ethylene oxide) (PEO-PPO-PEO) copolymers (tên thương mại là Poloxamers hay Pluronics®) là 1 trong những polymer tổng hợp được sử dụng rộng rãi nhất là và người ta đã tìm được những ứng dụng đặc trưng như trong ngành y sinh học do tính chất ít độc của nó Hình 81: Cấu trúc của polymer PEO-PPO-PEO Sự thay đổi tỉ lệ PPO/PEO và độ dài PEO, PPO dẫn đến việc tạo ra những phân tử với những tính chất tối ưu cho những điều kiện nhất định, ví dụ trong y dược (kiểm soát sự phóng thích của thuốc và vật liệu bao ngoài vết bỏng). Quyết định tính chất của Pluronics là khả năng của những block copolymer hay gọi là “unimer” tập hợp lại với nhau thành micelle trong dung dịch đến khi nồng độ đạt đến giới hạn của nồng độ micelle (CMC – Critical micelle concentration), quá trình này gọi là “micellization”. Hình 82: Quá trình tạo micelle Gel được hình thành khi dung dịch PEO-PPO-PEO nồng độ cao gây ra 1 thay đổi đột ngột trong độ nhớt ở nhiệt độ gần xung quanh, thể hiện tính chất “đông đặc đảo ngược nhiệt”, với những micelle vẫn còn nguyên ở trong dạng “tinh thể”. Chúng khóa vào trong cấu trúc tinh thể dạng hình cầu. Mặc dù tính chất riêng của vật liệu tự nhiên và tổng hợp, chúng còn lâu mới là những vật liệu hydrogel lý tưởng khi dùng riêng. Collagen thường bị loại trừ bởi sự không tương xứng tính chất cơ học trong khi polymer tổng hợp có những tính chất vật lý yêu cầu nhưng không thể chấp nhận trong sự tương thích sinh học. Để giải quyết vấn đề này, chúng thường kết nối với nhâu tạo thành một vật liệu tổng hợp hoặc tạo liên kết để nâng cao tính chất của hydrogel. Có 2 dạng hydrogel: 1. “vật lý” hay “đảo ngược được” khi mạng được gắn với nhau bởi sự vướng mắc của các phân tử hoặc do loại lực thứ hai như liên kết ion, liên hết hydro hoặc lực kị nước; 2. “hóa học” hay “vĩnh cửu” khi chúng có liên kết cộng hóa trị. Trộn polymer là phương pháp để tạo ra vật liệu có tính chất vật lý dựa trên thành phần của các chất được trộn và có thể điều chỉnh thông qua thay đổi thành phần của các chất được trộn và có thể thông qua thay đổi thành phần hợp thành. Vật liệu tạo thành có thể kết họp những tính chất cơ học thích hợp của vật liệu tổng hợp và khả năng tương thích sinh học của vật liệu sinh học. Hỗn hợp collagen/PVA [poly(vinyl alcohol)] được phát minh bởi Beatrice và cộng sự đã thể hiện khả năng tạo màng liên kết tốt để tạo thành màng thẩm tách máu với tính chất không là khàng nguyên và khả năng hút nước của collagen cộng với khả năng tan trong nước và tạo màng của PVA. Mặt khác, Maria và cộng sự trộn collagen với PVA để tạo thành hydrogen để sử dụng trong ma trận phóng thích protein. Tạo liên kết dọc bằng phản ứng ngưng tụ cũng là một phương pháp thường được áp dụng để chỉnh sửa tính chất của polymer. Những collagen không tạo được liên kết nhanh chóng bị phân hủy trong cơ thể. Một phương pháp để kéo dài sự tồn tại là tạo liên kết dọc dẫn đến những thay đổi tính chất hóa sinh và cấu trúc được mong muốn như giảm kháng nguyên, tăng sức bền cơ học, giảm độ tan và giảm sự phân hủy sinh học. Chất được áp dụng để tạo liên kết dọc rộng rãi nhất là glutaraldehyde với kết quả tạo ra vật liệu rất bền. Tuy nhiên glutaraldehyde lại độc. Gần đây. Các nhà nghiên cứu bắt đầu khám phá khả năng sử dụng hợp chất epoxy và tìm thấy tạo liên kết dọc cho collagen bằng loại chất dựa trên glycidyl ether tạo ra lớp mô ổn định có thể so sánh với tính chất cơ học của vật liệu tạo liên dọc bằng glutaraldehyde khi không tạo ra sản phẩm phân hủy độc. Trong nghiên cứu này, polypropylene glycol diglycidyl ether polymer được sử dụng để tạo liên kết dọc với collagen sẽ được nghiên cứu. Polypropylene glycol (PPG) có cấu trúc h