Ứng dụng công nghệ nano trong cấy ghép và phẫu thuật

Hạn chế thương tổn gây ra do phẫu thuật

Từ trước đến nay, thủ thuật mổ hở bao hàm việc phải rạch qua các mô khỏe mạnh để vào được các vùng cần phẫu thuật. Dù là đại phẫu hay tiểu phẫu thì việc phải rạch qua các mô khỏe mạnh này cũng ảnh hưởng đến thời gian hồi phục sau phẫu thuật của bệnh nhân. Vì vậy, các bác sĩ và các nhà khoa học đã tìm cách làm giảm thiểu tối đa việc phải tác động lên các mô bình thường trong quá trình phẫu thuật. Phương pháp đặc biệt được tìm ra để giải quyết vấn đề này chính là sử dụng trường điện từ trong đó các viên con nhộng nano (nanocapsules) được điều khiển định hướng bởi từ trường ngoài nhằm tác động vào vùng mong muốn, hạn chế tác động vào các mô hoặc tế bào bình thường. Cụ thể, các nhà nghiên cứu tại Mỹ đã tìm ra phương pháp loại bỏ khối u trong cơ thể một cách chính xác bằng việc dùng từ trường ngoài điều khiển các nanocapsules và kích hoạt sự tiêu hủy tế bào thông qua quá trình hoạt hóa caspase (một nhóm các enzyme cysteine protease đóng vai trò quan trọng trong việc kích hoạt sự tự tiêu hủy tế bào).

Các vật liệu thay thế chức năng xương khớp sẽ được phủ nano để tăng tính tương thích.

Ứng dụng sau phẫu thuật và làm lành vết thương

Sau phẫu thuật, vết mổ là vị trí rất dễ bị tổn thương. Vì vậy, việc kích thích và hỗ trợ khâu làm lành vết thương là rất cần thiết cũng như hạn chế để lại sẹo. Một trong những phương pháp cổ điển thường dùng để giảm nhiễm khuẩn và sự tạo sẹo trên vết mổ là sử dụng chỉ khâu để đóng các vết mổ hở. Có thể phân chia chỉ khâu thành hai loại chính là loại hấp thụ và không hấp thụ. Loại chỉ hấp thụ qua thời gian sẽ tự tiêu biến khi vết thương lành vì vậy không cần loại bỏ sau phẫu thuật. Loại chỉ không hấp thụ thì cần phải được loại bỏ khi vết mổ đã lành. Các loại chỉ phổ biến hiện nay gồm chỉ nylon, chỉ polypropylene và chỉ vinyl. Tuy nhiên, các loại chỉ này lại gây ra các đáp ứng miễn dịch bất lợi. Vì vậy, vấn đề này đã được các nhà khoa học tìm cách xử lý bằng nhiều cách khác nhau, điển hình như sử dụng ánh sáng kích thích và các chất hóa học để tạo nên các sợi chỉ nano. Các sợi chỉ này đã định hướng các liên kết trong mô nhằm kích thích sự làm lành vết thương nhanh chóng, từ đó làm giảm khả năng hình thành các đáp ứng miễn dịch bất lợi. Ngoài ra, một số sợi nano peptide cũng được ứng dụng trong xử lý vết thương hở và hỗ trợ khâu làm lành các tổn thương do bỏng.

Thiết kế dụng cụ phẫu thuật và các miếng cấy ghép

Các mảnh ghép được bọc bằng các lớp phủ nano: Cấy ghép là kỹ thuật sử dụng các vật liệu nhân tạo đặt vào bên trong cơ thể để thay thế hoặc sửa chữa các chức năng đã bị hư hỏng. Ngày nay rất nhiều loại miếng cấy ghép đã được sử dụng như ghim hoặc đinh ốc trong điều trị thay thế chức năng cho xương và khớp hoặc các mảnh ghép thay thế da trên bề mặt cơ thể bằng các chất liệu cấy ghép sinh học.

Các miếng cấy ghép được sản xuất dựa trên 4 loại vật liệu chính, bao gồm hợp kim, polymer, ceramic và các vật liệu tổng hợp. Có 2 yêu cầu quan trọng cần được đáp ứng khi thiết kế miếng ghép đó là tính tương thích sinh học và tính chấp nhận của môi trường sinh học. Tính tương thích sinh học là khả năng mà các mảnh ghép có thể cùng tồn tại với các mô sống mà không gây ra nguy hại nào, đây là đặc điểm quan trọng nhất cần lưu ý khi thiết kế các mảnh ghép. Vì vậy, các nhà khoa học gần đây đã tìm cách thiết kế các sản phẩm là các mảnh cấy ghép được bọc một lớp phủ ngoài nhằm làm tăng khả năng kết dính với các mô trong cơ thể mà không gây ra độc tính, từ đó làm tăng khả năng tồn tại của chúng khi thực hiện chức năng trong cơ thể. Lớp phủ ngoài của các mảnh cấy ghép này chính là các lớp phân tử nano được làm từ các chất liệu khác nhau. Bên cạnh đó, khi được cấy vào cơ thể các mảnh cấy ghép cũng cần có sự chấp chận từ môi trường sinh học vì chúng là các chất liệu nhân tạo, có sự khác biệt với các mô trong cơ thể. Vì vậy, lớp phủ nano bên ngoài các mảnh cấy ghép cũng được thiết kế sao cho làm tăng sự chấp nhận của các cơ quan trong cơ thể.

Dụng cụ phẫu thuật được phủ nano để tăng độ cứng và chống ăn mòn.

Nguyên nhân khiến các chất liệu nano lại có khả năng bắt chước môi trường sinh học chính xác hơn chất liệu thông thường là do sự khác nhau trong hiệu quả hấp thụ protein, thể hiện thông qua khả năng gắn và giữ các phân tử protein trên bề mặt của các chất liệu nano, giúp các tế bào bám dính lên được bề mặt các mảnh cấy ghép. Bên cạnh đó, các chất liệu nano còn có năng lượng bề mặt lớn giúp tăng khả năng thu hút và gắn kết các mảnh cấy ghép lên các thụ cảm bề mặt của tế bào, nhờ đó sẽ giúp kích thích sự gắn chặt của tế bào với các mảnh cấy ghép khi chúng được đưa vào cơ thể.

Chất liệu sử dụng để tạo lớp phủ nano: Một chất liệu được sử dụng để tạo ra lớp phủ nano đó là vật liệu ceramic. Chúng là những chất rắn không phải kim loại có thể tồn tại ở cấu trúc tinh thể. Tùy vào loại mảnh cấy ghép cần được bao bọc mà các lớp phủ nano ceramic này có thể được tổng hợp bằng những cách khác nhau. Một đặc điểm quan trọng của chất liệu ceramic là chúng làm cho lớp áo có diện tích tiếp xúc 3 chiều, từ đó làm tăng khả năng kết dính với tế bào của các mảnh cấy ghép.

Một số loại mảnh cấy ghép được sử dụng trong phương pháp điều trị phục hồi chức năng xương khớp đã sử dụng bề mặt ceramic là hydroxyapatite. Chất liệu này là loại tự nhiên và được lưu trữ cùng với calcium và phosphorous trong xương. Những mảnh cấy ghép này có cấu tạo giống với bề mặt và cấu trúc của xương, nhờ vào đặc điểm này sẽ làm tăng khả năng kết dính với nguyên bào xương. Ngoài ra, chúng còn có khả năng kích thích tiết các ion calci và phosphate nhằm kích thích sự phát triển của xương. Phương pháp để tạo ra các mảnh ghép loại này là thermal spraying, bằng cách làm nóng chảy các chất liệu sau đó phun chúng lên các bề mặt mảnh ghép cụ thể.

Lớp phủ nano trong các dụng cụ phẫu thuật: Việc thiết kế các dụng cụ phẫu thuật ngày càng được phát triển nhằm giảm thiểu tối đa các thương tổn không cần thiết, giúp tăng nhanh tỉ lệ hồi phục sau phẫu thuật. Để đáp ứng nhu cầu này, các nhà khoa học đã kết hợp các chất liệu như tinh thể nano và các chất liệu kim loại có độ chống ăn mòn cao, từ đó tạo thành lớp vỏ bọc bên ngoài các dụng cụ phẫu thuật. Ngoài ra, một số dụng cụ phẫu thuật bằng thép không gỉ cũng được bọc bên ngoài một lớp phủ nano FeCrPC, lớp phủ này không chỉ làm tăng cường khả năng giảm xâm lấn mà còn giúp làm tăng độ cứng của dụng cụ lên 3 lần, tăng độ chống ăn mòn.