車両の違い、信号など技術的な問題が大きいようですが(詳しくなくて済みません)、もしそれらを解決したとしても、直通させるほどの需要が見込めず、費用対効果が低いからだと思います。
北海道から新幹線を利用する南限は東京でしょうし、仙台からであれば名古屋、大阪辺りまででしょうが、仙台~名古屋間の空路は、現状では70~100人乗りの小・中型旅客機が日に6往復飛んでいるだけです。
一方、仙台と伊丹、関空間は計20往復と、一定の需要はあります。
ただ、東京駅での東北新幹線と東海道新幹線の乗り継ぎは移動距離が短く便利なので、現在でも飛行機が苦手な方は新幹線を乗り継いでいるでしょうから、直通させても需要が急激に増えるとは思えません。
更に、過密ダイヤの東海道に他会社の車両を乗り入れさせるのは、ただでさえJR東日本が嫌いなJR東海は強い難色を示すと思います。