Tính tới thời điểm hiện tại, trên toàn thế giới đã ghi nhận gần 3 triệu ca nhiễm và gần 200 ngàn người tử vong vì COVID-19 [1]. Có thể nhận thấy việc tìm ra vaccine hay thuốc chữa bệnh này không trực tiếp thuộc lĩnh vực chuyên môn của ngành khoa học và kĩ thuật vật liệu (materials science and engineering). Tuy nhiên, bằng cách giúp hiểu được cơ chế lây lan thông qua nhiều hiện tượng vật lý và hóa học, các nhà khoa học vật liệu có thể góp phần làm giảm thiểu tác hại của dịch bệnh, đặc biệt là trong bối cảnh cần phải mất nhiều tháng mới có vaccine [2]. Nhất là hiện nay, công nghệ vật liệu ở kích thước nano (nanomaterial) đang có nhiều bước phát triển mới, có thể hỗ trợ đẩy nhanh quá trình tìm kiếm này và giúp cho việc ứng dụng vaccine hữu hiệu hơn.
Phun hóa chất khử trùng
Rất nhiều loại vật liệu tiên tiến đã được phát minh và áp dụng trong công nghệ phóng thích có kiểm soát (controlled release technology) để khống chế lượng thải ra của các dược chất hay thuốc bảo vệ thực vật dễ bay hơi [3-4]. Trong công nghệ này, chất hoạt động được hấp phụ trong các vật liệu mao quản (porous material) và được nhả ra một cách liên tục theo tốc độ có kiểm soát để đạt nồng độ thuốc hữu hiệu trong thời gian kéo dài. Áp dụng phương pháp này trong phun hóa chất khử trùng sẽ giúp thời gian sử dụng thuốc được lâu hơn, ít ảnh hưởng tới môi trường và sức khỏe của con người. Công nghệ phóng thích có kiểm soát đã được áp dụng trong việc bào chế dược chất trên thế giới nhằm giảm số lần dùng thuốc của người bệnh, phát huy hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ của thuốc [5]. Kĩ thuật tiên tiến hiện nay đã cho phép các nhà khoa học có thể thay đổi kích thước, hình dạng lỗ mao quản [6-7], tăng tính bền của vật liệu trong môi trường để tối ưu hóa quá trình dẫn thuốc này.
Vật liệu khung hữu cơ kim loại sử dụng trong công nghệ phóng thích có kiểm soát, nhằm tăng hiệu quả của việc phun hóa chất khử trùng. Trong ảnh, 3-octanone (cấu tử đại diện trong thuốc trừ sâu) được lưu trữ trong vật liệu UiO-66 MOF trước khi được sử dụng để tiêu diệt côn trùng. (Ảnh: TS. Huan Doan, nghiên cứu đang được triển khai tại ĐH Bristol, Anh [8]).
Bảo quản vaccine
Một số nghiên cứu cũng chỉ ra rằng để duy trì tác dụng, một số loại vaccine (ví dụ như BCG vaccine chống lao phổi) cần phải được giữ ở nhiệt độ thấp dưới 8 oC [9]. Điều này gây khó khăn lớn cho việc sử dụng và vận chuyển, đặc biệt là ở các quốc gia có khí hậu nóng và không phải lúc nào cũng có tủ lạnh để giữ cho vaccine không bị phân hủy ở nhiệt độ môi trường. Một số loại vật liệu silica mao quản đã được phát triển để giải quyết thách thức này. Kết quả cho thấy vaccine được bảo quản bằng phương pháp này có thể duy trì hoạt tính ở nhiệt độ phòng trong thời gian tới 3 năm [10-11].
Ứng dụng của vật liệu mao quản trong việc bảo vệ vaccine khỏi quá trình phân hủy ở nhiệt độ phòng (bản quyền thuộc về The Chemical Engineer [11], nghiên cứu đang được TS Asel Sartbaeva triển khai tại ĐH Bath, Anh).
Máy tạo oxy tại nhà
Nguyên nhân chính dẫn đến tử vong của bệnh nhân COVID-19 là do phổi bị virus tàn phá, dẫn tới cơ thể người bệnh không còn khả năng tự hô hấp. Lúc này, để duy trì được sự sống, các bệnh nhân phải cần đến các thiết bị hỗ trợ hô hấp [12]. Bên cạnh máy trợ thở và máy thở, các máy tạo oxy cũng đang được phát triển để hỗ trợ cung cấp lượng oxy cần thiết cho người bệnh. Liệu pháp sử dụng máy tạo oxy ngay tại nhà đang được NHS (Vương quốc Anh) lên kế hoạch triển khai trên quy mô rộng [13], trong bối cảnh nước này đang chứng kiến số lượng người nhiễm bệnh tăng cao và số bệnh nhân phục hồi thấp. Hầu hết các máy tạo oxy tại nhà hiện nay được hoạt động trên nguyên lý hấp phụ áp lực (Pressure Swing Adsorption), trong đó oxy được tách chọn lọc từ luồng không khí đi qua chất hấp phụ (Adsorbent). Li-LSX zeolite là chất có khả năng hấp phụ tốt nhất hiện nay với khả năng sản xuất liên tục được oxy nồng độ 90% từ không khí nén [14]. Tuy nhiên, loại zeolite tổng hợp (synthetic zeolite) này có thể không dễ dàng sản xuất với khối lượng lớn, đặc biệt là tại các nước đang phát triển. Việc tìm ra loại zeolite tự nhiên (natural zeolite), cùng các phương pháp tổng hợp đơn giản để tối ưu hóa khả năng hấp phụ chọn lọc để sản xuất máy tạo oxy tại nhà với giá thành hợp lý sẽ tăng cường khả năng phục hồi của người bệnh, tránh sự quá tải tại các cơ sở y tế và hạn chế số lượng người lây nhiễm lan nhanh như hiện nay.
Hấp phụ chọn lọc để tách loại oxy từ không khí nén bằng nguyên lý hấp phụ áp lực (Pressure Swing Adsorption), sử dụng zeolite có nguồn gốc tự nhiên - Chabazite. Nghiên cứu đang được triển khai bởi Dr Huan Doan tại Trường ĐH Bristol, Anh để tối ưu hóa khả năng tách oxy bằng vật liệu chabazite với các loại cation khác nhau, tổng hợp bằng phương pháp trao đổi ion (ion exchange).
Sản xuất khẩu trang
Các kiến thức về sự khuếch tán và thẩm thấu của các hạt vật chất đã góp phần định lượng khoảng cách an toàn khi tiếp xúc trực tiếp với người bệnh và khẳng định lại vai trò của việc đeo khẩu trang trong điều kiện dịch bệnh đang phát tán với tốc độ nhanh như hiện nay [15]. Virus SARS-CoV-2 có đường kính khoảng 100 nm [16], nhỏ hơn nhiều so với kích thước mao quản của các loại khẩu trang được sử dụng phổ biến trên thị trường. Điều này có thể đã dẫn đến những lo ngại của người dân tại một số quốc gia về tác dụng của việc đeo khẩu trang thông thường. Tuy nhiên, nghiên cứu đặc tính hóa lý các giọt dịch tiết bắn ra từ người bệnh cho thấy rằng virus SARS-CoV-2 không tồn tại đơn lẻ như nhiều người vẫn lầm tưởng mà lẫn trong hỗn hợp các protein, enzyme và các loại vi khuẩn khác tạo nên các hạt có kích thước từ 1 - 2000 µm [17-18]. Một số hướng nghiên cứu sản xuất khẩu trang hay mặt nạ bằng công nghệ in 3D (thành tựu của khoa học vật liệu tiên tiến) đã được triển khai tại một số quốc gia [19-20]. Ưu điểm của các thiết bị bảo vệ bằng công nghệ in 3D là có thể sản xuất hàng loạt. Nhiều vật liệu sử dụng trong công nghệ này có tính đàn hồi và tính dẻo cao có thể bám sát vào cơ thể, tránh sự khó chịu khi đeo trong thời gian dài so với khẩu trang hay mặt nạ truyền thống. Tăng tính kháng khuẩn, tối ưu hóa khả năng tương tác giữa chất hoạt động và chất nền của vật liệu dùng trong công nghệ in 3D có thể được tối ưu để tăng hiệu quả sử dụng và giảm giá thành của các thiết bị này.
Tuy y sinh học và dịch tễ học đang là những ngành trực tiếp đối phó với đại dịch COVID-19, thì đại dịch này đặt ra nhiều thách thức với các ngành khoa học khác. Khoa học vật liệu cũng không nằm ngoài xu thế này với rất nhiều các nghiên cứu có thể ứng dụng để góp phần đẩy lùi sự lây lan và phát triển của virus SARS-CoV-2 trong cộng đồng.
Tài liệu tham khảo
1. https://www.worldometers.info/coronavirus/ (24/4/2020)
2. https://www.bbc.co.uk/news/health-52329659
3. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0021979720301284
4. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0013935120303297
5. https://suckhoedoisong.vn/loi-ich-cua-dang-thuoc-phong-thich-keo-dai-n25972.html
6. https://www.isis.stfc.ac.uk/Pages/ECNS-highlight-Huan-Doan.aspx
6. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1045105614000487
7. https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-019-0286-9
8. https://www.huandoan.co.uk/
9. https://www.sciencedaily.com/releases/2017/04/170424084005.htm
10. https://www.nature.com/articles/s41598-019-47657-9
11. https://www.thechemicalengineer.com/features/vaccines-the-end-of-the-cold-war/
12. https://jamanetwork.com/journals/jama/fullarticle/2763485
13. https://www.nhs.uk/conditions/home-oxygen-treatment/
14. https://jhu.pure.elsevier.com/en/publications/comparative-perfomances-of-two-commercial-samples-of-lilsx-zeolit-4
15. https://www.theguardian.com/commentisfree/2020/apr/04/why-wear-a-mask-may-be-our-best-weapon-to-stop-coronavirus
16. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2012-7
17. https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rsif.2017.0939
18. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0163445308002922
19. https://uk.3dsystems.com/covid-19-response
20. https://3dprint.nih.gov/discover/3dpx-013429