Thành phần, cấu tạo của xương

Xương của động vật có chức năng cơ học và chức năng cân bằng nội môi (biological homeostasis). Xương đảm nhận các vai trò trong việc tạo hình cơ thể, tạo các khoang chứa cơ quan nội tạng, hỗ trợ quá trình vận động, là nơi sản sinh các tế bào máu, lưu trữ và cung cấp các ion khoáng.

Xương là vật liệu dạng composit có thành phần bao gồm chất nền hữu cơ (organic matrix), các khoáng chất, tế bào và nước [1]. Sự tích hợp của các khoáng chất trong chất nền hữu cơ làm cho xương có tính chất cơ học cao do kết hợp giữa các tính chất giòn của khoáng chất và tính đàn hồi của chất nền hữu cơ [2].

Hình 1.1: Cấu tạo của xương (http://humananatomypics.com/tag/the-skeleton-of-a-human-body-laboratory-exercise)

Xương tương đối cứng được tạo bởi hydroxyapatite Ca₅(PO₄)₃OH. Xương có sức nén tương đối cao nhưng sức căng kém, khá giòn và có độ co giãn phụ thuộc vào thành phần sinh học. Xương có thành phần, cấu trúc mắt lưới và từng vùng khác nhau của xương có độ đặc khác nhau. Cơ thể người có 206 xương và được chia làm 3 phần: xương đầu, xương mình và xương chi.

Xương có hai loại rắn chắc và xốp. Vỏ (lớp ngoài) xương rắn chắc chiếm phần lớn khối lượng của xương. Vỏ xương đặc nên có diện tích bề mặt thấp. Xương xốp có thành phần, cấu trúc tổ ong, có diện tích bề mặt lớn, nhưng chỉ chiếm phần nhỏ khối lượng của xương.

Xương có thể mềm hay cứng. Xương mềm với thành phần, cấu trúc không đồng nhất, sức chịu nén kém có thể thay thế trong quá trình phát triển hoặc hồi phục xương. Xương mềm thường được thay thế bởi xương cứng trong quá trình phát triển xương.

a. Chất nền hữu cơ

Như trên đã nói, xương bao gồm những tế bào sống (living cells) nằm bên trong chất nền hữu cơ-khoáng (mineralized organic matrix). Chất nền này chứa thành phần hữu cơ (phần lớn là collagen) và thành phần vô cơ (chủ yếu là các hydroxyapatite). Thành phần hữu cơ chiếm khoảng 30% khối lượng xương và 70% khối lượng xương là hydroxyapatite. Các bó sợi collagen tạo nên tính co dãn (tensile strength) và kết hợp với (synergistic) các tinh thể hydroxyapatite phân bố bên trong giữa các sợi collagen tạo nên tính chịu nén (compressional strength) của xương.

Collagen loại I là thành phần chính của chất nền hữu cơ của xương, chiếm khoảng 30% của chất nền khô không khử khoáng (dry nondemineralized matrix). Collagen loại I là một dị polymer (heteropolymer) của hai chuỗi giống nhau và một chuỗi riêng biệt, mỗi chuỗi đều có thành phần, cấu trúc chính (Gly-X-Y)n, trong đó X và Y thường là proline hoặc hydroxyproline [3]. Mô tip phổ biến nhất trong dãy axit amino của collagen là glycin-proline-X và glycin-X-hydroxyproline, với X là axit amino bất kỳ nào đó khác với glycin, proline hay hydroxyproline.

Hình 1.2: Thành phần, cấu trúc của collagen (hydroxylysyl pyridinolinevà lysyl pyridinoline) [3]

Collagen được biến tính vị trí dịch mã (post-translationally modified) để chứa hydroxylysine, hydroxyproline, và glycosylated hydroxylysine. Trong mạng ngoại bào (extracellular matrix), các hydroxylysine còn lại được tham gia vào sự hình thành liên kết ngang collagen ổn định (stable collagen cross-links) (Hình 1.2).

Ngoài ra, chất nền hữu cơ của xương còn chứa một lượng nhỏ các collagen loại III, loại V và loại XII. Những collagen này ảnh hưởng đến các tính chất của mô xương. Các tinh thể chất khoáng của xương được liên kết với trục dài song song với trục collagen. Trong trường hợp các phân tử collagen bị thay đổi (như trong trường hợp của các đột biến di truyền trong bệnh xương dẫn đến xương dễ gãy, hay còn gọi là bệnh xương giòn), tinh thể khoáng có kích thước nhỏ hơn so với tinh thể ở những người trong độ tuổi xương khỏe mạnh và các khoáng chất cũng có thể được tìm thấy bên ngoài sợi collagen. Collagen làm thay đổi các tính chất của xương và khoáng chất cho thấy tầm quan trọng của collagen đối với sự tạo khoáng thích hợp của xương.

b. Các khoáng chất của xương

Thành phần khoáng vô cơ của xương (bone mineral) là các muối của calcium và phosphate, trong đó thành phần chính là hydroxyapatite với công thức hóa học Ca₁₀(PO4)₆(OH)₂ [4]. Phân tích các khoáng chất trong xương cho thấy tỉ lệ mol Ca:P từ 1,3 đến 1,9. Tỉ lệ này phụ thuộc sự đóng góp của các phosphate hữu cơ trong chất nền xương, và bản chất của các khoáng chất trong xương.

Ngoài ra, thành phần khoáng vô cơ của xương còn có các vết của các nguyên tố magnesium, sodium, potassium và muối carbonate.

Hiện tượng tạo khoáng xương được đặc biệt quan tâm bởi sự tạo khoáng xương có tính chất quan trọng trong quá trình hình thành xương. Các kết quả của nhiều nghiên cứu khoa học cho thấy cơ chế tạo khoáng xương được thực hiện thông qua các quá trình tạo khoáng sinh học trong môi trường tế bào (cell-mediated biomineralization). Nét chung của tạo khoáng sinh học xương đều được thực hiện thông qua trung gian tế bào ở cả bên ngoài và bên trong bộ khung xương (exo- and endo-skeleton). Chất nền protein, thường là anion, hoạt động như hạt nhân tạo mầm kết tinh và chất điều chỉnh các quá trình khoáng hoá.

Trong quá trình hình thành xương, sự tạo khoáng ban đầu xảy ra tại nhiều vùng dọc theo chất nền collagen và được coi là mầm của sự hình thành apatite đầu tiên. Khi các tinh thể khoáng chất đầu tiên được hình thành ở những vị trí riêng rẽ, chúng phát triển bằng một quá trình kéo dài bằng sự kết tụ. Kích thước của các tinh thể khoáng chất trong xương rất nhỏ, các nhà khoa học cho rằng khoảng cách giữa các sợi collagen và khoảng cách giữa các chất nền protein hoạt động như chất ức chế điều chỉnh kích thước và hình dạng của các tinh thể khoáng chất. Các chất nền protein này ổn định các mầm tinh thể đầu tiên, làm cho quá trình tăng sinh khoáng chất thuận lợi hơn, cũng có thể bao phủ những tinh thể này và ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước của tinh thể.

Sự lắng đọng khoáng chất trong xương trong quá trình phát triển và tái tạo xương là một quá trình phức tạp liên quan đến các tế bào, các chất nền ngoại bào hữu cơ, và các quá trình hóa lý. Khoáng chất của xương có nhiều thành phần và kích cỡ khác nhau, nhưng các tinh thể khoáng chất luôn gắn liền với chất nền collagen [6].

Vật liệu dùng cấy ghép và tái tạo xương

Vật liệu y sinh đã và đang được nghiên cứu mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu thay thế các bộ phận cơ thể, cấy ghép mô, xương của con người, hứa hẹn cho việc chữa trị và tái tạo các mô và cơ quan bị mất hoặc bị hư do chấn thương, bệnh tật hoặc lão hóa. Trong những năm gần đây, con người đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc cấy ghép nội tạng, phẫu thuật tái tạo và sử dụng mô nhân tạo để điều trị, cấy ghép các cơ quan nội tạng hoặc mô xương [7]. Sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ đã cho ra đời rất nhiều vật liệu dùng trong cấy ghép, tái tạo xương.

a. Các phương pháp ghép xương

Phương pháp ghép xương tự thân (xương từ cơ thể người nhận ghép từ nhiều vùng khác nhau) là tốt nhất bởi vì vật liệu này có khả năng tạo xương rất cao và không xảy ra phản ứng thải ghép, nhưng nhược điểm là bệnh nhân phải chịu thêm phẫu thuật để lấy xương và có thể xảy ra các biến chứng do lấy xương.

Phương pháp ghép xương đồng chủng (xương lấy từ cơ thể người khác), vật liệu này có tính tạo xương, tương hợp sinh học tốt, lượng xương không hạn chế, tránh được phẫu thuật lấy xương. Tuy nhiên vật liệu này có thể có tính kháng nguyên, dẫn đến phản ứng miễn dịch của mô chủ và nguy cơ lây nhiễm bệnh.

Phương pháp ghép xương dị chủng (xương ghép từ sinh vật khác loài), vật liệu này thường có nguồn gốc từ xương bò, heo hoặc san hô, được xử lý và xét nghiệm nghiêm ngặt để đảm bảo không mang mầm bệnh. Vật liệu có tính kích tạo xương, bệnh nhân không phải chịu thêm phẫu thuật lấy xương. Tuy nhiên vật liệu này có tính tương hợp sinh học kém do khác biệt về loài và khả năng bị thải trừ cao do phản ứng miễn dịch. Ở một số nước loại vật liệu này không được chấp nhận do quan niệm tôn giáo.

Phương pháp ghép xương bằng vật liệu y sinh tổng hợp được các nhà nghiên cứu quan tâm vì chúng có một số ưu điểm như: vật liệu có tính tương hợp sinh học, lượng vật liệu không hạn chế và không có nguy cơ lây nhiễm bệnh.

Công nghệ mô xương sử dụng những vật liệu có những yếu tố sinh học như: tế bào, gene và protein hỗ trợ cho việc tái tạo xương [6]. Để đảm bảo việc điều trị thành công các khuyết tật xương thì vật liệu phải có ba chức năng chính. Đầu tiên, các vật liệu cung cấp các hình dạng giải phẫu chính xác để xác định và duy trì không gian cho việc tái tạo mô. Thứ hai, vật liệu phải đáp ứng được tính cơ lý tạm thời trong các mô khuyết. Thứ ba vật liệu tăng cường khả năng tái tạo của các yếu tố sinh học đã được chọn.

Điều đầu tiên trong thiết kế tính toán là vật liệu phải đạt được sự cân bằng giữa khả năng chịu tải lực và yêu cầu về khả năng tái tạo mô của vật liệu. Đối với mục đích chịu lực, vật liệu xốp phải đáp ứng được độ cứng tương đương với mô xương. Về khả năng tái tạo mô, vật liệu thích hợp cho phép sự di chuyển của tế bào, sự phân phối mạch máu và hình thành mô [8-9].

Điều thứ hai cho tính toán thiết kế là vật liệu dựa trên các nghiên cứu chứng minh rằng thành phần, cấu trúc của vật liệu ảnh hưởng đến việc tái tạo mô. Kühne và cộng sự [10] chỉ ra rằng tế bào xương phát triển trên hydroxyapatite corraline với đường kính lỗ xốp trung bình 500 µm tốt hơn so với đường kính lỗ trung bình 200 µm. Grenga và cộng sự [11] báo cáo rằng thành phần, cấu trúc HAp ảnh hưởng tới sự phân bố mạch máu cũng như tới sự hình thành xương. Kuboki [12] cho thấy con đường phát triển của xương khác nhau khi đường kính lỗ xốp trung bình của HAp khác nhau. Lỗ xốp với đường kính trung bình 90-100 µm thuận lợi cho việc hình thành sụn, trong khi lỗ trung bình 300-400 µm thuận lợi cho quá trình hình thành xương không có sụn. Hui và cộng sự [13] đã báo cáo rằng làm tăng sự hình thành xương trong xương ghép ở thỏ tăng lên đáng kể với độ dẫn chất lỏng cao, một thông số phụ thuộc vào thành phần, cấu trúc lỗ xốp và các liên kết của vật liệu ghép. Tuy nhiên, những báo cáo trên chỉ giới hạn nghiên cứu về kích thước lỗ xốp của vật liệu nhưng nghiên cứu về liên kết trong vật liệu chưa rõ ràng.

Điều thứ ba cho tính toán thiết kế là vật liệu phải có hình dạng phù hợp với khuyết tật của xương. Điều này rất quan trọng trong lĩnh vực giải phẫu tái tạo các ca chấn thương sọ, mặt và chỉnh hình phức tạp cũng như các ca liên quan tới xương sống. Những dạng hình học phức tạp sẽ được nhận dạng bởi các phương pháp hiện đại là chụp cắt lớp (CT) hoặc chụp cộng hưởng từ (MRI). Các thông tin kỹ thuật số được giải mã và chuyển thành dạng thông tin có thể được sử dụng để tạo ra hình dạng của vật liệu.

b. Mô phỏng sinh học xương

Mô phỏng sinh học rất được quan tâm trong việc tạo ra vật liệu ứng dụng trong tái tạo mô [14]. Phỏng sinh học là một thuật ngữ biểu thị sự mô phỏng thành phần, cấu trúc và quy trình sinh học. Về mặt thiết kế vật liệu, phỏng sinh học đề cập đến vật liệu sao chép thành phần, cấu trúc và chức năng của mô xương.

Việc thiết kế vật liệu mô phỏng sinh học rất phức tạp và khó khăn, đặc biệt trong việc thiết kế xương nhân tạo. Với các vật liệu mô xương xốp nhân tạo, các thiết kế mới chỉ dừng ở cấp độ một của thành phần, cấu trúc vi mô mà thiếu hẳn yếu tố thành phần, cấu trúc mô phỏng sinh học. Thiết kế thành phần, cấu trúc phỏng sinh học đơn giản nhất được thực hiện thông qua các dữ liệu chụp ảnh CT ba chiều. Việc tạo ra vật liệu thành phần, cấu trúc với thành phần, cấu trúc mô phỏng sinh học cần phải lưu ý tới các điểm sau:

-Đầu tiên, độ cứng của vật liệu sinh học cần phải phù hợp với độ cứng của xương nếu muốn các vật liệu phù hợp với tính chất của xương.

-Thứ hai, thành phần, cấu trúc xốp của vật liệu phải phù hợp thành phần, cấu trúc xương tự nhiên.

-Thứ ba, các mô tái tạo sẽ có thành phần, cấu trúc và thành phần giống mô xương tự nhiên.

c. Những yêu cầu đối với vật liệu dùng trong kỹ thuật mô xương

Theo ASTM F2150-02 (ASTM 2002), vật liệu dùng trong kỹ thuật mô xương được sử dụng như chất hỗ trợ, chất vận chuyển thuốc, hoặc chất nền thuận tiện cho sự chuyển vị, sự liên kết, sự vận chuyển của tế bào hay các phân tử có hoạt tính sinh học, sử dụng trong thay thế, sửa chữa và tái tạo mô xương [15]. Ứng dụng của vật liệu có thể tăng quá trình phục hồi vết thương. Các vật liệu này như chất nền nhân tạo có thể đóng vai trò như một khuôn mẫu tạm thời dùng cho tế bào bám dính và phát triển. Vật liệu còn có thể tổng hợp mạng protein ngoại bào (ECM) và sinh ra các mô mới. Ngoài ra, vật liệu có thể suy giảm để các cơ quan và mô tự nhiên hình thành thay thế vật liệu cấy ghép.

Cần nghiên cứu các tính chất của vật liệu dùng trong mô xương như: tính chất bề mặt, tính chất vật lý, tính chất cơ học, tính chất suy giảm.

-         Tính chất bề mặt: bề mặt là một yếu tố quan trọng trong tương tác giữa tế bào với vật liệu. Vật liệu có bề mặt hóa học thích hợp sẽ thúc đẩy tế bào bám dính, phát triển và biệt hóa.

-         Tính chất vật lý: vật liệu có thành phần, cấu trúc xốp với kích thước lỗ xốp thích hợp ảnh hưởng đến sự phát triển tế bào, sự vận chuyển chất dinh dưỡng và trao đổi chất. Kích thước lỗ xốp thích hợp cho phép các tế bào di chuyển vào bên trong và phát triển, giúp xương phát triển bên trong vật liệu.

-         Tính chất cơ học: điều quan trọng trong thiết kế vật liệu là vật liệu có tính cơ học tương tự với mô tại vùng cấy ghép. Tính chất cơ học phụ thuộc vào bản chất của vật liệu, thành phần, cấu trúc và chất nền của toàn bộ trạng thái xốp. Tính chất cơ học có thể được thay đổi.

-         Tính chất suy giảm: vật liệu cần có tính suy giảm sinh học với khối lượng suy giảm phù hợp với sự phát triển của mô xương. Theo ASTM F1635-04a (ASTM 2004), sự suy giảm của vật liệu chủ yếu là sự thủy phân trong điều kiện nhiệt độ cơ thể 37^oC và pH xác định.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Mazhuga P. M. (1984), Mechanisms of cartilage precursor replacement by bone in the mammalian skeleton, Acta Biol. Hung., 35, 219–225.

2.  Boskey A. L (2001), Bone mineralization, 3rd ed. CRC Press, Boca Raton, FL, USA, 51–134

3. Knott, L. and A.J. Bailey (1998), Collagen cross-links in mineralizing tissues: a review of their chemistry, function, and clinical relevance, Bone, 22(3): 181–187.

4. Gokhale, J., Robey, P.G., and Boskey, A.L (2001), Osteoporosis, San Diego: Academic Press, 51-92.

5.   Mitchell C.A., Yu L., and Ward M (2001), Selective nucleation and discovery of organic polymorphs through epitaxy with single crystal substrates, J. Am. Chem. Soc,123(44), 10830–10839.

6. Jeffrey O. Hollinger, Thomas A. Einhorn, Bruce A. Doll, and Charles Sfeir (2005), Bone tissue engineering, CRC Press, Boca Raton, FL, USA, 92-113.

7.   Navarro M, Michiardi A, Castaño O and Planell J, Biomaterials in orthopaedics; J. R. Soc. Interface, 5, 2008, 1137.

8. Bruder S. P., Kraus K. H. (1998), Critical-sized canine segmental femoraldefects are healed by autologous mesenchymal stem cell therapy,  Trans. Annu Meeting Orthopaedic Res. Soc, 44, 147.

9.  Mikos A. G., Sarakinos G. (1993), Prevascularization of porous biodegradable polymer, Biotechnol. Bioeng., 42, 716–723.

10.            Kühne J.H., Bartl R., Frisch B., Hammer C., Jansson V. and Zimmer M. (1994), Bone formation in coralline hydroxyapatite: effects of pore size studied in rabbits, Acta Orthop. Scand., 65, 2246–2252.

11.  Grenga T.E., Zins J.E. and Bauer T.W. (1989), The rate of vascularization of coralline hydroxyapatite, Plast. Reconstr. Surg., 84, 245–249.

12. Kuboki Y., Jin Q., Kikuchi M., Mamood J. and Takita  H. (2002), Geometry of artificial ECM: sizes of pores controlling phenotype expression in BMP-induced osteogenesis and chondrogenesis, Connect. Tissue Res., 43, 520–523.

13. Hui P.W., Leung P.C. and Sher A. (1996), Fluid conductance of cancellous bone graft as a predictor for graft–host healing response, J. Biomech., 29,123–132.

14.  Dillow A.K., Lowman A.M., and Hudgins K.A., (2002). Biomimetic Materials and Design: Biointerfacial Strategies, Tissue Engineering, and Targeted Drug Delivery, Marcel-Dekker, Inc., New York, 85-98,

15. Naznin S., (2012), Biodegradable polymer based scaffolds for bone tissue engineering, Springer Heidelberg New York Dordrecht London, 5-8.

Khoa Công nghệ Hóa học

Ngành Cônbg nghệ Kỹ thuật Hóa học