Phát Triển Loại ‘Da’ Mới, Cứng Như Men Răng Và Có Khả Năng Tự Lành

Phát Triển Loại ‘Da’ Mới, Cứng Như Men Răng Và Có Khả Năng Tự Lành

Vào năm 1941, trên dãy Alps có một người đàn ông đang dắt chó đi dạo. Khi đó, George de Mestral còn là một kỹ sư người Thụy Sĩ, và con đường trên Alps đầy những cây ngưu bàng mọc dại. Khi vuốt ve bộ lông của chú chó, Mestral phát hiện nó bị bám đầy bởi những quả ngưu bàng có gai móc. Buổi đi dạo đó đã dẫn đường cho 15 năm nghiên cứu của Mestral, cho tới khi anh xin cấp được bằng sáng chế, thành lập công ty và sản xuất hàng tỷ miếng dán Velcro mỗi năm.

Câu chuyện của Mestral là ví dụ điển hình nhất cho biomimicry, hay còn gọi là bắt chước và ứng dụng những “bản thiết kế” của tự nhiên vào đời sống. Khi quan sát thiên nhiên nhiều hơn, con người cũng học được nhiều hơn. Kết quả là keo dán vết thương trong phẫu thuật ra đời từ việc quan sát dịch nhày của sò, các bề mặt chống nước, chống bụi lấy cảm hứng từ lá sen và các loại sợi siêu bền thực tế đã bắt chước tơ nhện.

Trong một nghiên cứu trên tạp chí ACS Nano, các nhà khoa học đã tạo ra một polyme tự hồi phục, bắt chước da người nhưng lại cứng như men răng. Ming Yang, tác giả chính của nghiên cứu, hiện đang là giáo sư tại Viện Công nghệ Harbin, Trung Quốc cho biết: “Chúng tôi luôn ngạc nhiên trước sức mạnh của tự nhiên, vì tự nhiên luôn tạo ra được các cấu trúc phức tạp bằng một cách tao nhã nhất”. Bằng cách mô phỏng da người, Yang và các đồng nghiệp đã tạo ra được một loại vật liệu polyme vừa cứng nhưng lại có khả năng tự chữa lành chính nó.

Mọi chuyện bắt đầu từ việc quan sát những vết xước nhỏ trên da. Khi lớp biểu bì ngoài cùng bị rách, sau một thời gian, vết thương sẽ tự lành lại như ban đầu mà không để lại sẹo. Đó là vì các tế bào từ lớp da bên dưới đã dần di chuyển lên phía trên biểu bì, hàn gắn vết xước, cứng lại và trở thành các tế bào chết, che chắn cho lớp tế bào da sống bên dưới.

Dù có cơ chế tự chữa lành hoàn hảo, nhưng da người không cứng lắm, chắc chắn không thể cứng bằng men răng, nhưng răng thì lại không thể tự chữa lành được. Giáo sư Yang và các đồng nghiệp đã theo đuổi ý tưởng kết hợp 2 tính chất ưu việt của da và men răng. Họ đã tạo ra được một vật liệu polyme cứng nhưng vẫn có khả năng tự chữa lành. Nó có nguồn gốc từ rượu polyvinyl PVA, một polymer tổng hợp đã được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, từ làm mồi câu cá đến thuốc nhỏ mắt và acid tannic, được dùng để đánh bóng đồ gỗ và gạn cặn bia.

Tất cả các ứng dụng của PVA đều thân thiện với môi trường. Giáo sư Yang và các đồng nghiệp mô tả nó như một vật liệu sống, và nó hoạt động như lớp da sống dưới biểu bì của người. Còn để có lớp vật liệu cứng và chết như phần trên biểu bì, nhóm đã dùng oxyt graphene, một vật liệu thường làm điện cực cho các loại pin. Tuy nhiên, không phải chỉ ghép 2 vật liệu một cứng một mềm lại với nhau, là nó đã có khả năng tự phục hồi.

Cấu trúc đòi hỏi sự phức tạp hơn nhiều: các lớp hỗn hợp của polyme và liên kết giữa chúng phải cho phép sự tương tác diễn ra và đáp ứng với quá trình tự sửa chữa hư hại. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra hiệu ứng mới bằng phương pháp lắp ráp phân tử, một kỹ thuật định vị các phân tử một cách chính xác để kiểm soát được phản ứng hóa học của chúng. Mô phỏng các lớp tế bào sừng ngày càng dày và cứng hơn khi gần bề mặt da hơn, lớp vật liệu của giáo sư Yang cũng có lượng oxyt graphene được phân bổ dày đặc hơn theo từng lớp một. Khi vật liệu bị hư hại, PVA và các phân tử axit tannic có thể tràn vào các khu vực bị hư hỏng, kéo nó lên bởi một mạng lưới các liên kết hydro. Độ cứng của lớp trên sẽ bẫy các polyme bên dưới nó.

Kết quả đạt được là một vật liệu có độ cứng kỷ lục, 31.4 Gpa, tương đương một lực 31,400 N trên mỗi 1 mm2. Nếu so sánh, men răng nhân tạo sử dụng công nghệ nano có độ cứng ở mức 39.8 Gpa. Men răng thực tế có độ cứng là 89 GPa.

Để kiểm tra khả năng tự hồi phục của vật liệu, giáo sư Yang và các đồng nghiệp đã sử dụng một lưỡi dao để cắt, và giấy nhám để phá hủy một diện tích bề mặt lớn. Nhưng kết quả là miếng vật liệu đã hồi phục hoàn toàn sau mỗi lần thử nghiệm. Không chỉ duy trì được vẻ bề ngoài, cả độ cứng của vật liệu cũng được bảo tồn trước và sau khi hồi phục từ tổn hại.

Ngoài ra, vật liệu polyme mới cũng có tính kháng khuẩn. Các nhà nghiên cứu thả khuẩn E. coli vào một một đĩa thạch chứa vật liệu, nhưng vi khuẩn đã không xâm nhập vào khu vực xung quanh vật liệu. Điều này cho thấy polyme này có chức năng bảo vệ như của da người, có thể giúp nó trở thành sự lựa chọn tốt cho các lớp phủ y tế. Nếu kết hợp với các cấu trúc vật liệu polyme khác đã được phát triển trước đây, để phản ứng được với nhiệt hoặc ánh sáng, vật liệu sẽ có nhiều ứng dụng trong nha khoa.

Đây cũng là lĩnh vực mà giáo sư Yang và đồng nghiệp lựa chọn để tiếp tục nghiên cứu. Trong tương lai, nhân loại sẽ được chứng kiến công nghệ tự làm lành vết sâu răng. Và nếu ứng dụng được mở rộng ra cả các ngành công nghiệp khác, có thể tưởng tượng đến một chiếc điện thoại siêu bền, vì có thể tự liền các vết xước.