In 3D xương: Các nhà khoa học EPFL chế tạo vật liệu sinh học tự khoáng hóa mô phỏng cấu trúc xương tự nhiên

Các nhà nghiên cứu tại Học viện Kỹ thuật Liên bang Thụy Sĩ tại Lausanne (EPFL) vừa công bố một bước tiến mang tính đột phá trong lĩnh vực y học tái tạo với việc phát triển một loại vật liệu composite mới. Loại vật liệu này có khả năng ứng dụng linh hoạt thông qua công nghệ in 3D hoặc sử dụng dưới dạng mực tiêm trực tiếp. Điểm đặc biệt của công nghệ này là khả năng tự khoáng hóa dần dần trong điều kiện môi trường bình thường, từ đó chuyển hóa thành các cấu trúc cứng cáp có đặc tính tương tự như xương tự nhiên. Nghiên cứu được công bố vào tháng 2 năm 2026 này đánh dấu một sự chuyển dịch quan trọng, thoát ly khỏi các phương pháp truyền thống vốn đòi hỏi nhiệt độ cao, đồng thời mở ra những chân trời mới cho kỹ thuật mô xương hiện đại.

Công trình nghiên cứu đầy triển vọng này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Vật liệu Mềm (Soft Materials Laboratory - SMaL) thuộc EPFL, dưới sự dẫn dắt trực tiếp của Giáo sư Esther Amstad. Đội ngũ tại phòng thí nghiệm chuyên tập trung vào các phương pháp tiếp cận mô phỏng sinh học để tạo ra những vật liệu polymer có cấu trúc vi mô phức tạp, được gia cố thông qua quá trình khoáng hóa có kiểm soát. Cốt lõi của sự đổi mới này nằm ở việc chế tạo loại mực tiêm dựa trên hydroxyapatite (HA), vốn là thành phần khoáng chất chủ đạo cấu tạo nên khung xương của con người.

Thành phần của loại mực in sinh học này bao gồm các vi hạt gelatin được tích hợp enzyme phosphatase kiềm. Khi được nuôi cấy trong một dung dịch đặc biệt chứa các ion canxi và photphat, chính enzyme này sẽ kích hoạt quá trình hình thành các tinh thể HA một cách có hệ thống, dẫn đến việc làm cứng dần khung xương đã được in ra. Theo Giáo sư Amstad, mục tiêu cốt yếu của dự án là tạo ra loại mực in 3D và mực tiêm có khả năng hình thành các khung xương với đặc tính cơ học tương đương với xương xốp – loại xương được tìm thấy phổ biến ở các đốt sống và các đầu xương dài như xương đùi.

Cấu trúc composite mới này cho thấy khả năng phục hồi độ bền với tốc độ đáng kinh ngạc trong môi trường thử nghiệm. Chỉ sau vài ngày thực hiện quá trình khoáng hóa, vật liệu đã đạt được các đặc tính cơ học tiệm cận với xương xốp tự nhiên, cho phép chịu được các tải trọng cơ học từ giai đoạn sớm. Ưu điểm này vượt xa những hạn chế cố hữu của các phương pháp sản xuất khung HA truyền thống, vốn không chỉ tiêu tốn nguồn năng lượng khổng lồ mà còn loại bỏ khả năng sử dụng các thành phần hoạt tính sinh học như enzyme, vốn là yếu tố then chốt để kích thích sự tăng trưởng của xương.

Để đảm bảo vật liệu có độ xốp cần thiết cho sự xâm nhập của tế bào, đội ngũ nghiên cứu tại EPFL đã bổ sung các mảnh vi gelatin không chứa enzyme vào hỗn hợp mực. Trong quá trình nuôi cấy, các mảnh gelatin này sẽ tự hòa tan, để lại hệ thống các lỗ rỗng li ti cho phép tế bào có thể di chuyển và cư trú bên trong. Các nhà khoa học đã tinh chỉnh chính xác cấu trúc để đạt được độ xốp khoảng 50% theo thể tích, đây được coi là chỉ số vàng cho việc định cư của tế bào và thúc đẩy quá trình hình thành mô xương mới một cách hiệu quả nhất.

Kết quả từ các thử nghiệm tế bào đã mang lại những tín hiệu hết sức khả quan cho giới y khoa. Chỉ sau 14 ngày kể từ khi đưa tế bào gốc của người vào các khung xương nhân tạo, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra sự hiện diện của collagen và osteocalcin trong các mẫu thử. Đây là bằng chứng không thể chối cãi cho việc kích hoạt thành công quá trình tạo xương tự nhiên của cơ thể. Thành tựu này có ý nghĩa nền tảng đối với y học tái tạo nhờ sự kết hợp hoàn hảo giữa hiệu quả năng lượng, tính tương thích sinh học cao và khả năng triển khai sản xuất ở quy mô lớn.

Việc thực hiện quá trình khoáng hóa ngay tại nhiệt độ phòng không chỉ giúp giảm thiểu đáng kể dấu chân carbon mà còn tối ưu hóa chi phí sản xuất công nghiệp. Hơn nữa, việc duy trì được hoạt tính của enzyme ngay bên trong khung xương cho phép vật liệu tiếp tục quá trình "trưởng thành" và hoàn thiện sau khi in, giúp thích nghi tối ưu với điều kiện sinh lý riêng biệt của từng bệnh nhân. Các thử nghiệm so sánh đã chứng minh rằng khung HA được kích hoạt bằng enzyme sở hữu độ bền nén tương đương với xương xốp của người, vượt trội hơn hẳn các loại vật liệu được tạo ra bằng phương pháp nung ở nhiệt độ cao truyền thống.

Xương xốp đóng một vai trò không thể thay thế trong cơ thể người nhờ cấu trúc có độ xốp cao, giúp phân phối và giảm thiểu tải trọng tại các vị trí quan trọng như cột sống và các khớp xương. Khả năng tạo ra một loại vật liệu mô phỏng chính xác các đặc tính sinh cơ học của xương xốp có ý nghĩa quyết định trong việc đẩy nhanh tiến độ phục hồi các ca gãy xương phức tạp và tái tạo cấu trúc xương bị tổn thương. Giải pháp công nghệ đột phá này, bằng cách kết hợp những tiến bộ mới nhất của khoa học vật liệu và xúc tác enzyme, hứa hẹn sẽ thay đổi căn bản phương pháp điều trị các chấn thương và bệnh lý về xương trong tương lai gần.