Đây là một bước quan trọng hướng tới sao chép tính năng của làn da con người, nó có nhiều lớp và tất cả đều được tái lập chính xác trong quá trình vết thương lành lại.
Da người được hình thành từ nhiều lớp. Nó phát triển các cơ chế miễn dịch để xây dựng lại cấu trúc nhiều lớp ban đầu, thông qua một quá trình phức tạp liên quan tới nhận dạng phân tử và truyền tín hiệu. Khi da bị thương, các lớp sẽ tự động sắp xếp lại một cách tự nhiên.
Từ đây, ta có thể thấy rằng sắp xếp lớp là điều rất quan trọng trong việc tạo ra lớp da tổng hợp. “Lớp da nhân tạo rất mềm mại và có tính co giãn. Nhưng nếu bạn đâm vào, cứa hay cắt lớp da này thì mỗi lớp sẽ lành lại theo một cách chọn lọc để khôi phục được chức năng tổng hợp. Giống như làn da thật của con người vậy”, ông Root chia sẻ.
Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Zhenan Bao tại Đại học Stanford dẫn dắt có thể tạo ra lớp da tổng hợp nhiều tầng với các lớp chức năng riêng rẽ, mỗi lớp mỏng bằng một micromet (tương đương với 0.001mm), thậm chí còn mỏng hơn thế. Để bạn dễ hình dung được độ mỏng của nó, thì khi chồng 10 lớp này hoặc nhiều hơn lên thì độ dày của nó chỉ bằng một tờ giấy mà thôi. Vật liệu này gồm các lớp khác nhau có thể được thiết kế để cảm nhận được những thay đổi về nhiệt độ, cơ học hoặc điện tích. “Một lớp có thể cảm nhận được áp lực, lớp khác cảm nhận được nhiệt độ, lớp nữa cảm nhận được sức căng”, ông Root cho biết.
Một phương cách tân tiếnGiáo sư Bao chia sẻ: “Chúng tôi đã báo cáo về lớp da điện tử tổng hợp tự lành lần đầu tiên vào năm 2012 trên tạp chí Nature Nanotechnology. Kể từ đó tới nay, mục tiêu chế tạo ra lớp da tổng hợp nhiều lớp đã được đông đảo các nhà khoa học trên khắp thế giới quan tâm và theo đuổi”.
Song, điều khiến nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa học tại Đại học Stanford nổi bật là các lớp có thể tự nhận dạng và bắt cặp với các lớp tương tự trong quá trình chữa lành, chức năng của từng lớp được phục hồi khi quá trình lắp ráp hoàn tất. Trong khi đó, các loại da tổng hợp tự lành hiện tại vẫn cần con người phải sắp xếp lại một cách thủ công. Việc sắp xếp quả thực là rất quan trọng, bởi vì dù chỉ một sai lệch vô cùng nhỏ trong các lớp thôi cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng phục hồi chức năng.
Bí quyết cho khả năng lành tự động tân tiến này nằm ở chất liệu. Khung cho mỗi lớp vật liệu được từ hình thành các chuỗi phân tử dài kết nối thường xuyên bằng các liên kết hydro (lực hút tĩnh điện chủ yếu giữa phân tử hydro (H) liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử hoặc nhóm có độ âm điện cao hơn). Liên kết này tương tự như các liên kết giữ cho chuỗi xoắn kép của các sợi DNA kết hợp lại với nhau. Nhờ thế, vật liệu có khả năng co giãn nhiều lần mà không bị rách ra. Cao su và latex là hai polymer tự nhiên quen thuộc, song chúng ta cũng đã tạo ra được vô số polymer tổng hợp. Điều quan trọng là thiết kế cấu trúc phân tử polymer và chọn ra được tổ hợp đúng cho từng lớp.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng PPG (polypropylene glycol) và PDMS (polydimethylsiloxane, hay còn gọi là silicone). Cả hai chất liệu này đều có những đặc tính cơ và điện giống như cao su, cùng khả năng tương thích sinh học, chúng còn có thể trộn với các hạt nano hoặc vi hạt để tạo ra tính dẫn diện. Điều quan trọng là các polymer được chọn cùng vật liệu tổng hợp tương ứng khôngthể lẫn lộn vào nhau. Nhờ liên kết hydro mà các lớp sẽ kết dính lại để tạo ra vật liệu nhiều lớp và có độ bền cao.
Cả hai polymer đều có ưu điểm là khi nhiệt độ tăng lên chúng sẽ mềm và chảy ra, nhưng sẽ đông lại khi nguội đi. Do vậy, bằng cách tăng nhiệt của lớp da tổng hợp, các nhà nghiên cứu có thể đẩy nhanh quá trình chữa lành. Ở nhiệt độ phòng, lớp da nhân tạo phải mất đến một tuần mới lành lại được. Còn khi làm nóng nó ở nhiệt độ 70°C, thì quá trình tái sắp xếp và lành lại chỉ diễn ra trong khoảng 24 tiếng mà thôi. Hai vật liệu này được thiết kể cẩn thận để có phản ứng nhớt và đàn hồi tương tự nhau đối với ứng suất bên ngoài, trong một phạm vi nhiệt độ thích hợp.
“Làn da của chúng ta cũng lâu lành như vậy đấy. Nếu lỡ bị đứt ngón tay thì phải 4 hoặc 5 ngày sau nó mới lành lại. Đối với chúng tôi, điều quan trọng nhất là khi lành lại lớp da nhân tạo khôi phục được các chức năng mà không cần chúng tôi phải can thiệp vào”, ông Cooper cho biết.
Một bước tiến xa hơnSau khi thành công làm ra được một nguyên mẫu, tiếp theo các nhà nghiên cứu đã tiến thêm một bước là kết hợp vật liệu từ tính vào các lớp polymer, cho phép làn da nhân tạo không chỉ lành lại mà còn có thể tự sắp xếp từ các mảnh riêng biệt. Giáo sư Bao cho biết: “Nhờ kết hợp điều hướng bằng từ trường và nung cảm ứng, chúng tôi có thể chế tạo các robot mềm có thể tái cấu hình, tức là có thể thay đổi hình dạng theo yêu cầu”.
Các nhà nghiên cứu cho biết mục tiêu về lâu về dài của họ là tạo ra các thiết bị có thể phục hồi sau khi bị tổn hại nghiêm trọng. Chẳng hạn như một thiết bị phá thành nhiều mảnh rời rạc có thể tự động tái tạo thành nguyên dạng.
Trong một thí nghiệm, các nhà khoa học đã ngâm một số mảnh da tổng hợp phân tầng vào trong bình nước. Họ thả từng mảnh vào trong và chúng kéo lại với nhau nhờ từ tính, cuối cùng các mảnh lắp ráp lại thành một mảnh hoàn chỉnh. Khi đã lành lại, tính dẫn diện của chúng cũng trở về, một đèn LED gắn trên đỉnh vật liệu phát sáng đã chứng minh điều đó.
Trong các bước sau, nhóm nghiên cứu sẽ tìm cách làm sao để các lớp có độ mỏng nhất có thể, đồng thời hướng tới việc chế tạo các lớp mang những chức năng khác nhau. Nguyên mẫu hiện nay được thiết kể để cảm nhận được áp suất, có thể thêm vào các lớp cảm nhận được nhiệt độ hoặc sức căng.
Tương lai, nhóm nghiên cứu đang hình dung ra viễn cảnh chế tạo được những con robot lắp rắp lại trong cơ thể bệnh nhân sau khi họ nuốt từng mảnh xuống. Mục đích là để robot có thể tiến hành những phương pháp điều trị không xâm lấn trong cơ thể người. Những ứng dụng khả quan khác bao gồm làn da điện tử tự lành, đa giác quan phù hợp với robot và mang lại cho chúng cảm giác tiếp xúc.