Vật liệu sinh học mạnh hơn các mô tự nhiên
Các nhà khoa học vật liệu (Đại học California tại Los Angeles) UCLA nghiên cứu phát triển một quy trình nhị hướng tăng cường sức mạnh của vật liệu hydrogel hiện có, có thể được sử dụng để chế tạo gân, dây chằng, sụn nhân tạo, có khả năng chịu lực hơn 10 lần so với các mô tự nhiên.
 |
| Hydrogel tiên tiến được nghiên cứu để chế tạo gân nhân tạo trong cơ thể con người. |
Mặc dù hydrogel chứa chủ yếu là nước với một ít hàm lượng thể rắn (khoảng 10% polymer), nhưng vật liệu này bền hơn kevlar và cao su, dù cả hai đều là 100% polymer.
Kết quả mang tính đột phá này chưa từng đạt được đối với các polymer ngậm nước trước đây. Những hydrogel mới, chế tạo theo phương pháp này có thể cung cấp lớp phủ cho các thiết bị y tế được cấy ghép hoặc đeo để cải thiện sự vừa vặn, thoải mái và hiệu suất lâu dài của chúng.
Ximin He, phó giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu Trường Kỹ thuật Samueli UCLA cho biết: “Công trình này mở ra một hướng phát triển mới đầy hứa hẹn chế tạo các vật liệu sinh học nhân tạo ngang bằng hoặc mạnh hơn những mô sinh học tự nhiên”.
Hydrogel là một loại vật liệu được biết đến rộng rãi, có cấu trúc bên trong tạo thành từ những polymer hoặc gel ngậm nước liên kết đan chéo nhau. Vật liệu này có những tính chất đầy hứa hẹn để sử dụng làm mô thay thế, khép các vết thương tạm thời hoặc được sử dụng như một giải pháp y tế lâu dài hay thậm chí vĩnh viễn. Gel có thể được sử dụng để chế tạo các chi tiết cho robot mềm và thiết bị điện tử mang đeo. Nhưng các hydrogel hiện nay không đủ độ cứng, đàn hồi hoặc bền để mô phỏng hoặc thay thế những mô, cần thường xuyên di chuyển và uốn cong khi chịu trọng lượng lớn.
Để giải quyết những trở ngại này, nhóm nhà nghiên cứu UCLA đã sử dụng kết hợp những phương pháp kỹ thuật phân tử và cấu trúc, trước đây chưa từng được sử dụng phối kết hợp để chế tạo hydrogel. Đầu tiên, các nhà khoa học sử dụng một phương pháp mới, được gọi là "đúc đông hóa" - một quá trình làm đông cứng để tạo ra những polymer xốp và đậm đặc, tương tự như một miếng bọt biển. Sau đó, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp xử lý "muối hóa" nhằm tập hợp và kết tinh các chuỗi polyme thành những sợi phân tử bền vững.
Những hydrogel mới tạo hình thành hàng loạt các cấu trúc kết nối với nhiều quy mô khác nhau - từ cấp độ phân tử cho đến vài mm. Hệ thống phân cấp của nhiều cấu trúc này tương tự như cấu trúc của các mô sinh học, khiến vật liệu mới bền hơn và co giãn hơn.
Gân sinh học tự nhiên và gân nhân tạo.
Rất tương thích với cơ thể
Các nhà khoa học đã chứng minh được, phương pháp linh hoạt này có khả năng tùy biến cao và có thể tái tạo các loại mô mềm khác nhau trong cơ thể con người.
Nhóm nghiên cứu sử dụng polyvinyl polyvinyl alcohol (một loại polymer tổng hợp hòa tan trong nước), vật liệu đã được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ phê chuẩn để làm nguyên mẫu hydrogel trong công trình nghiên cứu. Các nhà khoa học kiểm tra độ bền của nguyên mẫu hydrogel và không phát hiện có dấu hiệu hư hỏng sau hơn 30.000 chu kỳ thử nghiệm độ giãn. Dưới ánh sáng, hydrogel mới phản quang lung linh sống động, tương tự như gân thật, xác nhận cấu trúc micro/nano được hình thành trong gel.
 |
| Cấu trúc và màu sắc hydrogel mới chế tạo tương tự như cấu trúc của gân trong cơ thể. |
Ngoài những ứng dụng y sinh, quy trình tiên tiến có thể có tiềm năng ứng dụng cho các máy phẫu thuật hoặc điện tử sinh học, hoạt động vô số chu kỳ. Quy trình này cũng có thể được sử dụng trong in 3D cho các cấu hình phức tạp, không thể thực hiện được trước đây, nhờ tính linh hoạt của hydrogel.
Thực tế thí nghiệm, nhóm nghiên cứu chứng minh được, những cấu trúc hydrogel in 3D có thể biến đổi thành những hình dạng khác khi có những thay đổi về nhiệt độ, nồng độ axit hoặc độ ẩm. Khi hoạt động như mô cơ nhân tạo, hydrogel đàn hồi hơn nhiều và có thể tạo ra lực mạnh hơn mô cơ tự nhiên của con người nhưng lại rất tương thích sinh học với cơ thể.
