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

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 khỏi 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 của đầu gối trong khuôn khổ 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 để 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 ngành kỹ thuật mới như trí tuệ nhân tạo (1), (2).

Những ngày miệt mài trong phòng thí nghiệm đem 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 trong 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 từ cơ thể 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 vượt qua. Những vật liệu cần đáp ứng được yêu cầu về sự ổn định về chức năng, sản xuất và vượt qua các bài kiểm tra khắt khe của các tổ chức y tế như FDA ở Hoa Kỳ hoặc CE của châu Âu.

Những 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.

Một đột phá cho dây chằng nhân tạo

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 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, Arthroscopy (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 tổn thương để giữ cố định khớp gối. Bề mặt của các sợi polymer này được chức năng hóa bởi các nhóm phân tử có hoạt tính sinh học cho phép cho phép chúng tăng cường sự 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 lại và thay thế dây chằng nhân tạo mà không cần đến phẫu thuật loại bỏ.

Mô phỏng dây chằng nhân tạo. Ảnh: NVCC.

Anh và các đồng nghiệp đã thực hiện phủ bề mặt bằng phương pháp ghép phân tử theo cơ chế ghép polymer bằng gốc tự do (Atom transfer 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 sự hồi phục chấn thương nhanh hơn, ít rủi ro, hiệu quả và ít tốn kém hơn so với các phương pháp phẫu thuật nối ghép mô truyền thống, vốn là những phương pháp 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 Movmedix (trước đây là LARS) đưa dây chằng nhân tạo vào thử nghiệm lâm sàng tại châu Âu và Hoa Kỳ.

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 các 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 và phát triển của tế bào fibroblast thành mô dây chằng thông qua các nhóm phân tử chức năng của styrene sulfonate. Các kết quả này được mô tả rõ hơn trong các nghiên cứu của nhóm được đăng trên 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 đáp ứng tiêu chí của cấy ghép dây chằng. Các kết quả được đăng trên tạp chí Polymer degradation and Stability(6), (7), (8).

Dây chằng sản phẩm thương mại thế hệ thứ ba. Ảnh: NVCC

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 cả học 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 của các đồng nghiệp đưa ra và các kết quả có thể tái lập”, anh nói.

Xử lý bài toán kiểm soát và chống bám dính

Vật liệu sinh học và chất liệu y tế là một con đường luôn 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 polymers) 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 ứng dụng 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 acrylic acid lên bề mặt của vật liệu sinh học để ngăn chặn sự bám dính của vi khuẩn và tế bào. Các 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 đến 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 gãy, 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 trở thành vấn đề. Do đó cần nghiên cứu phát triển các lớp phủ lên bề mặt của vật liệu sinh học (như titanium, 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. Các kết quả nhóm đạt được sẽ giúp cho 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 lại cuộc sống bình thường.

TS. Nguyễn Ngọc Tuân là thành viên của VINEU - Mạng lưới Đổi mới sáng tạo Việt Nam tại châu Âu, mạng lưới hợp tác và trao đổi kiến thức giữa các nhà nghiên cứu, doanh nhân và các chuyên gia khác trên toàn cầu, đặc biệt là giữa Việt Nam và châu Âu. Mạng lưới do Trung tâm Đổi mới sáng tạo Quốc gia (NIC), Bộ Kế hoạch và Đầu tư và các Đại sứ quán Việt Nam tại Đức, Pháp, Bỉ, Phần Lan, Hungary, Cộng hòa Séc và Liên bang Nga bảo trợ, giúp mở ra nhiều cơ hội mới trong việc hợp tác nghiên cứu, chia sẻ kinh nghiệm và tận dụng nguồn lực từ các đối tác quốc tế, góp phần vào sự phát triển bền vững của cả Việt Nam và cộng đồng quốc tế.

--------

Tài liệu tham khảo:
(1) Khademhosseini, A., Langer, R. A decade of progress in tissue engineering. Nat Protoc 11, 1775–1781 (2016). https://doi.org/10.1038/nprot.2016.123
(2) Tissue Engineering and Regenerative Medicine, U.S. Department of Health & Human Services (https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/tissue-engineering-and-regenerative-medicine).
(3) Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy, Treatment after anterior cruciate ligament injury: Panther Symposium ACL Treatment Consensus Group (2020) (https://doi.org/10.1007/s00167-020-06012-6)
(4) Tuan Ngoc Nguyen, André Rangel, Véronique Migonney; Fibronectin adsorption on polystyrene sulfonate-grafted polyester using atomic force microscope. Biointerphases 1 September 2021; 16 (5): 051003. https://doi.org/10.1116/6.0001165
(5) Amélie Leroux, Tuan Ngoc Nguyen, André Rangel, Isabelle Cacciapuoti, Delphine Duprez, David G. Castner, Véronique Migonney; Long-term hydrolytic degradation study of polycaprolactone films and fibers grafted with poly(sodium styrene sulfonate): Mechanism study and cell response. Biointerphases 1 November 2020; 15 (6): 061006. https://doi.org/10.1116/6.0000429
(6) Tuan Ngoc Nguyen, André Rangel, Véronique Migonney, Correlating degradation of functionalized polycaprolactone fibers and fibronectin adsorption using atomic force microscopy, Polymer Degradation and Stability, Volume 195, 2022, 109788, ISSN 0141-3910, https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2021.109788
(7) https://doi.org/10.1016/j.irbm.2020.10.002
(8) Tuan Ngoc Nguyen, Andre Rangel, Véronique Migonney, Kinetic and degradation reactions of poly (sodium 4-styrene sulfonate) grafting “from” ozonized poly (ϵ-caprolactone) surfaces, Polymer Degradation and Stability, Volume 176, 2020, 109154, ISSN 0141-3910, https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2020.109154
(9) Artificial Tendons And Ligaments Market By Application (Shoulder Injuries, Knee Injuries, Foot And Ankle Injuries, And Other Applications) And By Region: Global Industry Perspective, Comprehensive Analysis, And Forecast, 2024 - 2032, Zion Market Research, (2024), (https://www.zionmarketresearch.com/report/artificial-tendons-and-ligaments-market)