Khám phá công nghệ sản xuất xương nhân tạo

Dùng vật liệu gì để chế tạo xương người?

Xương là một vật liệu kỳ diệu xét về mặt kỹ thuật: nó vừa đủ cứng để có thể chịu được sức nén, lại vừa dẻo dai để có thể chịu được những tác động đối kháng. Ngoài ra, các phân tử của xương lại rất nhẹ, đến nỗi, tất cả các nhà nghiên cứu về vật liệu phải ganh tị trước tài năng của tạo hóa. Chính vì vậy mà trong quá trình nhân tạo hóa vạn vật, con người đã rất khó khăn để tìm ra loại vật liệu tối ưu nhất có thể dùng để chế tạo bộ xương của chính mình.

Trong suốt nhiều năm, y học hiện đại mới chỉ dùng kỹ thuật tái tạo xương bị thiếu bằng cách ghép mô xương của chính bệnh nhân hoặc từ một ngân hàng xương được người hiến tặng. Kỹ thuật này đòi hỏi phẫu thuật nhiều lần, gây đau đớn cho bệnh nhân hoặc gây nhiễm bệnh khi được ghép bằng xương của người khác. Nhưng giờ đây, các bác sĩ có thể thay thế xương bị vỡ hoặc gãy bằng các mẩu xương nhân tạo được sản xuất trong vòng vài giờ bằng nhiều loại vật liệu khác nhau. Các loại xương nhân tạo mới này ngày càng đáp ứng yêu cầu khắt khe để đạt tới trình độ giống với sản phẩm của tạo hóa nhất.

Thông thường, để chế tạo xương, các nhà phẫu thuật cấy vào cơ thể người bệnh những khung làm từ vật liệu sinh học tổng hợp (vật liệu có khả năng cùng tồn tại với các mô sống trong cơ thể mà không gây tổn hại) và các mô xương được lấy từ những vị trí khác nhau trong cơ thể, có gia cố thêm đinh thép để làm tăng độ khỏe. Tuy nhiên, theo GS. Gunnar Andersson của Trung tâm y khoa Rush-Presbyterian-St. Luke ở Chicago, "Hầu hết các vật liệu hợp sinh học như vậy không đủ bền để chịu được sức nặng lớn", điều đó có nghĩa là khung nhân tạo không thể dài quá 4,5-5cm. Một bất lợi nữa là các bác sĩ phải dùng tay để điều chỉnh hình dáng cho bộ phận cấy ghép.

Năm 2006, Trung tâm nghiên cứu gốm cao cấp (ACR) ở Tucson, Arizona (Mỹ) đã phát triển một loại polymer mới có thể sử dụng để tạo ra vật liệu rỗng có sức bền tương đương với xương thật. Trung tâm cũng đã chế tạo ra một loại thiết bị tạo xương với những khung định hình có thể  cho ra các sản phẩm có độ chính xác cao hơn hầu hết các nguyên mẫu trước đây. Theo tính toán, thiết bị chỉ mất khoảng 1,5 giờ để tạo ra những đoạn xương nhân tạo lớn. Các mẫu xương này đủ khỏe để chịu đựng sức nặng cơ thể mà không cần bất cứ một chiếc đinh tán nào.

Một loại xương nhân tạo khác hiện đang được dùng phổ biến ở các nước châu Âu, đó là xương làm bằng hỗn hợp composit: gồm các phân tử ceramic và một khuôn polymer dạng bọt nước. Chỉ cần đun nóng hỗn hợp ceramic - polymer trong khuôn đúc theo hình dạng đoạn xương cần thay thế rồi đặt nó vào môi trường kín chứa khí carbonic (CO2), sau đó giảm áp suất và nhiệt độ để hỗn hợp tự đông cứng lại là chúng ta sẽ có những đoạn xương theo ý muốn. Đây là công trình hợp tác tại Thụỵ Sĩ, giữa Đại học Bách khoa Liên bang Lausanne (EPFL) và Bệnh viện Đại học Vaud (CHUV) và được Quỹ Quốc gia Thụỵ Sĩ (FNS) tài trợ.

Tại Nhật Bản, các bác sĩ khoa xương khớp lại rất thích sử dụng những đoạn xương nhân tạo được sản xuất từ xốp cao su do Hãng sản xuất thiết bị cơ khí chính xác Pentax và Trung tâm Vật liệu sinh học thuộc Viện nghiên cứu Vật liệu quốc gia Nhật Bản chế tạo. Xương xốp cao su được tạo thành từ các tinh thể hydroxyapatite và collagen (loại protein là thành phần chính của mô sợi liên kết). Loại xương này mềm và có thể dùng kéo cắt để định dạng theo ý muốn. Bác sĩ có thể dễ dàng đặt loại xương này vào cơ thể bệnh nhân và trong vài tháng nó sẽ biến thành xương thật.

Xương nhân tạo được cấy vào bàn tay.

Còn ở Việt Nam, các nhà khoa học của Đại học Bách Khoa Hà Nội đã chế tạo thành công xương nhân tạo từ gốm thủy tinh y sinh. Gốm thuỷ tinh y sinh được làm bằng cách nấu chảy hoàn toàn hỗn hợp nguyên liệu gồm cát trắng, hydoxyd nhôm, cacbonat canxi,... Ưu điểm vượt trội của loại nguyên liệu này là, khi cấy ghép hoàn toàn không thấy xuất hiện hiện tượng hoại xương. Các mô xương mới sinh xuất hiện, lấp đầy chỗ trống giữa xương và vật cấy. Theo thời gian, xương cũ, xương mới sinh và vật cấy liền thành một khối, liên kết trực tiếp với nhau. Do vậy, xương ghép và mô cơ thể liên kết lành mạnh, bền chắc lâu dài.

Ý tưởng độc đáo nhất

Đó là ý tưởng của các nhà vật lý làm việc tại Viện Nghiên cứu quốc gia Lawrence Berkely (LBNC) tại bang California, Mỹ: dùng băng đá hình thành từ nước biển để chế tạo xương nhân tạo. Ý tưởng này xem ra rất khác thường thế nhưng nhóm nghiên cứu đã biến nó thành sự thật. Hiện nay, phát minh này đang đứng trước cơ hội mở ra triển vọng lớn trong việc chế tạo và cấy ghép xương nhân tạo cho con người.

Qua quá trình nghiên cứu, GS. Sylvain Deville và các đồng sự ở LBNC đã phát hiện ra rằng nước biển đóng băng lại có cấu trúc giống xương. Tiến hành các thử nghiệm làm đông lạnh nước tinh khiết được làm giàu không phải với muối mà là với các thành phần khoáng chất cấu tạo xương, các nhà khoa học  ở LBNC đã cho ra đời một loại vật liệu giống xương. Sau 2 năm miệt mài nghiên cứu, tháng 10/2008, họ đã thành công trong việc tạo ra một khuôn mẫu hỗ trợ cho quá trình phát triển của xương. Từ việc nghiên cứu kết cấu của nước biển đông lạnh, Nhóm của GS. Sylvain Deville đã tìm ra giải pháp làm đông lạnh nước tinh khiết pha phốtphát canxi và đã tạo ra một loại vật liệu mới có kết cấu giống xương. Các lỗ nhỏ của loại vật liệu mới này một khi được cấy ghép với xương có thể giúp các tế bào của xương bám vào và sinh sôi phát triển. Đây là vấn đề mấu chốt của sự thành công. GS. Sylvain Deville cho biết thêm: "Điểm đặc biệt của phát minh này là có thể kiểm soát và điều chỉnh kích thước các kết cấu siêu nhỏ của vật liệu dựa vào tốc độ đông lạnh của nước. Với cách này, có thể làm cho xương nhân tạo biến động kích thước gấp 100 lần. Càng làm đông lạnh nhanh, kết cấu của xương nhân tạo càng cứng, điều này sẽ giúp chúng tôi có nhiều chọn lựa trong việc cấy ghép xương".

Công việc còn lại là tiến hành thử nghiệm trên cơ thể sống. Từ tháng 11/2008, nhóm của GS. Sylvain Deville đã tiến hành 3 cuộc thử nghiệm trên động vật và đã đạt được kết quả khả quan, cho dù có phát sinh một số vấn đề về kỹ thuật cần phải giải quyết trong phòng thí nghiệm. GS. Deville tin rằng, những ca thử nghiệm đầu tiên trên cơ thể người sẽ được thực hiện sớm nhất là vào tháng 6/2009. Nếu thành công thì việc đưa vào sử dụng xương nhân tạo làm từ nước đá sẽ tạo ra một đột phá mới đối với ngành phẫu thuật chỉnh hình.