Hiện nay, có một thực tế nhức nhối là: sự phát triển của vi khuẩn kháng kháng sinh và thuốc đang đặt ra những thách thức lớn đe dọa đến cuộc sống con người. Theo ước tính của một nghiên cứu1 trên tạp chí Plos Medicine, các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn kháng kháng sinh gây ra đã cướp đi sinh mạng của 700.000 người mỗi năm. Con số này được dự đoán sẽ tăng lên 10 triệu vào năm 2050 nếu vi khuẩn kháng thuốc tiếp tục phát triển với tốc độ như cũ.
Và tương tự như vậy, sự hình thành màng sinh học trên bề mặt dụng cụ và bệnh viện cũng là một hiểm họa lớn đối với sức khỏe con người. Trước hết cần hiểu rằng, màng sinh học hình thành khi vi khuẩn có khả năng bám vào, sinh sôi nảy nở và xâm chiếm bề mặt. Trong quá trình hình thành màng sinh học, các vi sinh vật trải qua một số thay đổi sinh học dẫn đến việc sản xuất các chất cao phân tử ngoại bào (EPS) - những chất sẽ ngăn chặn và bảo vệ vi khuẩn khỏi hóa chất và các chất độc khác tấn công màng sinh học. Đây chính là điều gây khó khăn cho việc xử lý màng sinh học bằng kháng sinh truyền thống và khiến cho vi khuẩn có được khả năng kháng thuốc kháng sinh.
Theo các nhà khoa học, một trong các phương pháp để giải quyết vấn đề này là sử dụng các vật liệu và bề mặt kháng khuẩn có tác dụng ức chế sự gắn kết của tế bào vi khuẩn và sự hình thành màng sinh học. Những vật liệu kháng khuẩn như vậy có vai trò rất quan trọng vì chúng có thể giúp chúng ta giảm sự phụ thuộc vào thuốc kháng sinh và chất khử trùng.
Mới đây, nghiên cứu của Đại học Flinders (Úc) và các cộng tác viên quốc tế đã phát hiện ra rằng: cấu trúc vi mô của các bề mặt tự nhiên, chẳng hạn như da ca mập và cánh chuồn chuồn, có thể nắm giữ chìa khóa để mở ra các ứng dụng công nghệ hiệu quả hơn cho con người.
Nguồn cảm hứng từ tự nhiênCó lẽ không nhiều người biết rằng, da cá mập và cánh chuồn chuồn - những bộ phận tưởng như không liên quan - song lại là hai đối tượng rất được yêu thích trong các nghiên cứu mới nhằm tìm kiếm lời giải cho những bí ẩn về y học của các nhà khoa học về công nghệ nano.
“Việc nghiên cứu về chủ đề này cũng bắt nguồn từ ý tưởng vận dụng những hiểu biết về các bề mặt có tính kháng khuẩn tự nhiên để sáng tạo, thiết kế và chế tạo ra những vật liệu có tính kháng khuẩn cao, dùng trong các hoạt động y tế và sinh hoạt thường nhật, nhằm giảm nguy cơ nhiễm khuẩn, đồng thời, kiểm soát nguy cơ tiềm ẩn về sự phát triển của các loại vi khuẩn kháng kháng sinh”, TS. Trương Vĩ Khánh chia sẻ với Báo KH&PT về bài báo “Nature-Inspired Biomimetic Surfaces for Controlling Bacterial Attachment and Biofilm Development” mới công bố trên tạp chí Advanced Materials Interfaces.
Thực tế, cho đến nay, nhiều kỹ thuật khác nhau đã được áp dụng để chế tạo vật liệu kháng khuẩn như phát triển các lớp phủ nhân tạo làm từ các tác nhân diệt khuẩn như dẫn xuất kim loại hoặc kháng sinh. Bên cạnh đó, trong thập kỷ qua, một phương pháp thay thế khác tạo ra các vật liệu có kết cấu và tính năng bề mặt ở cấp độ vi mô/nano đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc ngăn chặn vi khuẩn bám vào và ngăn ngừa sự hình thành màng sinh học.
Vậy các bề mặt từ tự nhiên có thể đem lại hiểu biết đặc biệt gì trong lĩnh vực nghiên cứu ngày càng sôi động này? “Chẳng hạn, bề mặt của lá sen được bao phủ bởi các vi nhú có đường kính từ 3–11 µm. Mỗi vi nhú này được bao phủ bởi các ống nano có đường kính 100 nm. Cấu trúc phân cấp này đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra khả năng tự làm sạch và chống bám bẩn của lá sen”, nhóm nghiên cứu của TS. Khánh viết trong bài báo.
Do đó, anh và các đồng nghiệp đã đặt ra các mục tiêu cả về nghiên cứu khoa học cơ bản và ứng dụng: tìm hiểu, xác định và tái lập thiết kế của các cấu trúc kháng khuẩn tự nhiên (ví dụ như cánh chuồn chuồn, da cá mập hay bề mặt lá hoa sen,...); xác định tính chất vật lý, hóa học, cơ học liên quan đến quá trình kháng khuẩn tự nhiên; tái lập cấu trúc của các thiết kế kháng khuẩn tự nhiên trên các nền vật liệu y sinh thông dụng. Về mặt ứng dụng, “chúng tôi mong muốn tối ưu hóa các hiểu biết về kháng khuẩn tự nhiên để thiết kế, chế tạo các vật liệu có tính chất kháng khuẩn tốt hơn, độ bền cao hơn, thời gian sử dụng lâu và có thể áp dụng trong y khoa, ví dụ như áp dụng trên thiết kế vật liệu cấy ghép chi hay vật liệu tái tạo mô xương”, TS. Khánh cho biết.
Để tìm ra câu trả lời, nhóm nghiên cứu đã phải trải qua những giai đoạn nghiên cứu khác nhau, bắt đầu từ việc tìm kiếm, quan sát, thu thập thu thập về những hình mẫu có tính kháng khuẩn tự nhiên, rồi sau đó đúc kết các kết quả nghiên cứu đã được công bố và tiến tới phát triển việc tái tạo các thiết kế kháng khuẩn tự nhiên trên nền vật liệu y sinh hiện có, tối ưu và phát triển những thiết kế mới.
“Nếu xét đển điểm khó khăn nhất thì chính là công đoạn tái lập thiết kế”, TS. Khánh nhớ lại. “Tạo ra một bản sao nhân tạo từ thiết kế có sẵn trong tự nhiên với công nghệ hiện đại tưởng chừng như một việc đơn giản nhưng thực chất đây là một công việc rất phức tạp, đòi hỏi kinh nghiệm, trình độ chuyên môn và kỹ năng cao”. Từ góc nhìn của TS. Khánh, điều may mắn là nhóm nghiên cứu của họ hội tụ đầy đủ những yếu tố trên để có thể cùng trao đổi, thảo luận và giải quyết vấn đề, dù khối lượng công việc ban đầu rất lớn và phức tạp.
Nhờ đó, trong suốt quá trình nghiên cứu kéo dài hơn 10 năm, nhóm của TS. Khánh đã có những công bố nổi bật trên các tạp chí uy tín như: “Natural bactericidal surfaces: mechanical rupture of Pseudomonas aeruginosa cells by cicada wings” (Bề mặt diệt khuẩn tự nhiên trên cánh ve sầu) trên tạp chí Small; “Bactericidal activity of black silicon” trên tạp chí Nature communications; “A liquid metal mediated metallic coating for antimicrobial and antiviral fabrics” trên tạp chí Advanced Materials; “The multi-faceted mechano-bactericidal mechanism of nanostructured surfaces” trên Proceedings of the National Academy of Sciences,...
Có thể thấy gì từ những nghiên cứu này? Chẳng hạn, đối với côn trùng, “cánh của chuồn chuồn và ve sầu đã tiến hóa để sử dụng các đặc điểm cấu trúc trên bề mặt nhằm đạt được các đặc tính diệt khuẩn”, TS. Khánh chia sẻ trong thông cáo báo chí. “Các cột nano (nanopillars) hoặc gai nano (nanospikes) có trên các vật liệu tự nhiên này có khả năng gây tổn hại cho các tế bào vi khuẩn bám trên cấu trúc nano và dẫn đến sự phân giải và làm chết tế bào”.
Những kết quả nghiên cứu như vậy đã cung cấp thông tin và tạo tiền đề cho việc phát triển những thiết bị có tính kháng khuẩn cao, hứa hẹn việc nâng cao chất lượng điều trị, giảm thiểu chi phí phát sinh trong quá trình hậu phẫu,... Bên cạnh đó, “thông qua việc trao đổi những phát hiện trong quá trình nghiên cứu, nhóm đã có được sự hợp tác từ các nhóm nghiên cứu khác trên thế giới và cả những doanh nghiệp đang hoạt động trong cùng lĩnh vực nhằm xúc tiến việc thương mại hóa sản phẩm trong tương lai gần”, TS. Khánh cho biết.
Các bề mặt từ tự nhiên không chỉ đem lại những hiểu biết hữu ích trong lĩnh vực y học mà còn trong cả những lĩnh vực như hàng hải. Trong một nghiên cứu mới khác của Đại học Flinders, các nhà khoa học đã xem xét cấu trúc đặc biệt tương tự là “bề mặt có gân của một số loài cá mập giúp chúng giảm lực cản và ma sát, đồng thời ngăn chặn các sinh vật biển cực nhỏ bám vào da của mình”, GS. Youhong Tang (Đại học Flinders) cho biết trong thông cáo báo chí của trường. “Hình dạng của các đường gân trên bề mặt da ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của việc giảm lực cản, trong đó các bề mặt đường gân hoạt động tốt nhất khi được căn chỉnh song song với hướng dòng chảy.” Nghiên cứu này cũng đang tập trung vào việc phát triển một cấu trúc liên kết đơn giản giảm lực cản hỗn loạn mô phỏng sinh học trên mô hình nghiên cứu lấy cảm hứng từ da cá mập này.
Nhóm nghiên cứu này cũng kỳ vọng rằng, kết quả từ dự án sẽ có thể giúp thiết kế các bề mặt liên quan đến lĩnh vực hàng hải như tàu chở hàng và đường ống tiết kiệm nhiên liệu hơn - những bề mặt có khả năng chống tích tụ màng sinh học thủy sinh trên vỏ tàu tốt hơn so với hiện nay.
--------
Chú thích:
[1] Nghiên cứu “Will 10 Million People Die a Year due to Antimicrobial Resistance by 2050?”, xuất bản trên tạp chí Plos Medicine (2016)