Tại phòng thí nghiệm của Trường Y, Đại học Thiên Tân, đội ngũ của Giáo sư Lý Nan đang bận rộn thực hiện các thử nghiệm lưu biến học cho loại hidrogel mới. Vật liệu gel này, mặc dù có vẻ bình thường, nhưng với thiết kế cấu trúc dòng chảy độc đáo, đã thành công trong việc giải quyết một vấn đề lâu dài trong lĩnh vực hidrogel tiêm: làm thế nào để vừa đảm bảo tính dễ tiêm mà vẫn cung cấp đủ hỗ trợ cơ học.
Khó khăn y tế: Khớp bị mài mòn, điều trị bị giới hạn
Thoái hóa khớp được gọi là “căn bệnh ung thư bất tử”, khoảng 600 triệu bệnh nhân trên toàn cầu đang phải chịu đựng những cơn đau khớp, sự cứng nhắc và suy giảm chức năng. Trong điều trị truyền thống, thuốc chỉ có thể làm giảm triệu chứng mà không thể phục hồi sụn; phẫu thuật thì gây tổn thương lớn và có nhiều rủi ro.
Sự rối loạn cân bằng của chất nền ngoại bào là cơ chế cốt lõi trong sự phát triển của thoái hóa khớp. Khi quá trình phân giải và tổng hợp bị mất cân bằng, chất nền ngoại bào của tế bào sụn sẽ dần bị phân hủy, cuối cùng dẫn đến mất chức năng khớp. “Các liệu pháp hiện có chưa giải quyết được vấn đề cơ bản – làm thế nào để điều chỉnh chính xác môi trường vi mô trong khoang khớp, thúc đẩy tái sinh mô sụn.”
Giáo sư Lý Nan cho biết trong phần giới thiệu bối cảnh nghiên cứu rằng: hidrogel tiêm truyền thống gặp phải hai khó khăn: cấu trúc chứa hình cầu mặc dù dễ dàng lưu thông nhưng lại hy sinh khả năng hỗ trợ cơ học; trong khi việc tăng cường khả năng cơ học lại làm tăng sức cản khi tiêm, khó có thể tiêm qua kim tiêm nhỏ vào khoang khớp.
Đột phá đôi về cấu trúc dòng chảy
Đội ngũ của Giáo sư Lý Nan đã sáng tạo thiết kế vật liệu oxit kẽm (ZnO) dưới dạng cấu trúc dòng chảy thay vì cấu trúc hình cầu truyền thống. Ý tưởng thiết kế này được lấy cảm hứng từ lý thuyết kinh điển trong động lực học chất lỏng – cấu trúc dòng chảy có thể giảm đáng kể sức cản dòng chảy. “So với cấu trúc hình cầu truyền thống, cấu trúc oxit kẽm dạng dòng chảy mang lại lợi thế đồng thời về mô đun năng lượng lưu trữ cao và độ nhớt chảy thấp cho hidrogel.” Giáo sư Lý Nan nhấn mạnh khi nói về bước đột phá công nghệ này, cho biết rằng đổi mới này giúp vật liệu tiêm vào cơ thể một cách mượt mà như chất lỏng, nhưng sau khi vào cơ thể lại vững chắc như rắn.
Hidrogel này cũng có đặc tính đáp ứng với protease kim loại nền, có khả năng nhận biết một cách thông minh sự thay đổi hoạt động enzym tại vị trí bệnh lý. Quan trọng hơn, đội ngũ đã tích hợp thuốc gen miR-17-5p vào cấu trúc để đạt được điều chỉnh chính xác hai chiều đối với sự cân bằng chất nền ngoại bào. Kết quả thí nghiệm trên động vật cho thấy, sau khi tiêm hidrogel này, tổn thương sụn của chuột mô hình đã được phục hồi một cách đáng kể, mô sụn mới thể hiện gần giống như chức năng cơ học và đặc điểm cấu trúc của sụn bình thường.
Đột phá từ vật liệu học đến liệu pháp gen
Nghiên cứu này lần đầu tiên đưa thiết kế dòng chảy vào lĩnh vực hidrogel, giải quyết mâu thuẫn lâu dài trong lĩnh vực vật liệu tiêm. Dữ liệu thí nghiệm cho thấy cấu trúc dạng dòng chảy làm giảm sức cản tiêm hơn 40%, trong khi sức mạnh hỗ trợ sau khi cấy ghép tăng hơn 2 lần, và hiệu quả chuyển gen là một bước đột phá lớn khác. Cấu trúc dòng chảy đã nâng cao đáng kể hiệu quả chuyển gen của miRNA, cung cấp một công cụ chuyển gen chính xác hơn.
“Thiết kế này không chỉ giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình tiêm, gia tăng tính lưu động của gel, mà còn tăng cường khả năng hỗ trợ của hidrogel tại vị trí khiếm khuyết mô, đảm bảo hiệu quả điều trị lâu dài và tính toàn vẹn cấu trúc.” Giáo sư Lý Nan giải thích.
Trong lĩnh vực kỹ thuật mô, loại hidrogel đáp ứng thông minh này đã cung cấp một nền tảng mới cho nhiều loại tái sinh mô; trong lĩnh vực chuyển thuốc, khả năng chuyển gen hiệu quả cao đã mở ra một con đường mới cho y học chính xác.
600 triệu bệnh nhân thoái hóa khớp trên toàn cầu không chỉ chờ đợi sự giảm đau, mà còn là khả năng tái sinh mô sụn. Công nghệ đổi mới kết hợp cơ học vật liệu và liệu pháp gen này đang biến điều không thể thành có thể. Dòng chảy của hidrogel cuối cùng sẽ hòa vào dòng chảy nhân loại chống lại thoái hóa khớp.
