Vật liệu sinh học mới làm từ tơ nhện ngăn ngừa nhiễm trùng và hơn thế nữa

Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét cung cấp bằng chứng áp đảo về sự khác biệt.

Hình trái: Một màng sinh học hình thành trên bề mặt của polycaprolactone, một loại nhựa phân hủy sinh học thường được sử dụng trong y tế.

Hình phải :Tơ nhện không cho phép hình thành màng sinh học. Gregor Lang

Trường Đại học Bayreuth phát triển vật liệu sinh học mới có tác dụng loại bỏ nguy cơ nhiễm trùng và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chữa bệnh. Một nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Thomas Scheibel dẫn dắt đã thành công trong việc kết hợp các đặc tính vật liệu này có liên quan nhiều đến y sinh học. Các vật liệu có cấu trúc nano này dựa trên protein tơ nhện.

Chúng ngăn chặn vi khuẩn và nấm xâm nhập, nhưng đồng thời hỗ trợ tích cực trong việc tái tạo mô của con người. Do đó, chúng lý tưởng cho việc cấy ghép, băng vết thương, bộ phận cơ thể giả, kính áp tròng và các dụng cụ hỗ trợ hàng ngày khác. Các nhà khoa học đã trình bày ý tưởng mới của họ trên tạp chí Vật liệu Ngày nay.

Đánh giá thấp một nguy cơ nhiễm trùng: Vi khuẩn cư trú trên bề mặt của các vật thể không thể thiếu trong liệu pháp y tế hoặc về chất lượng cuộc sống nói chung. Dần dần, chúng tạo thành một lớp màng sinh học dày đặc, thường không nhìn thấy được và không thể dễ dàng loại bỏ, ngay cả bằng các chất làm sạch, thường có khả năng kháng thuốc kháng sinh và thuốc chống co thắt. Sau đó, vi khuẩn và nấm có thể di chuyển vào mô lân cận của vật chủ. Do đó, chúng không chỉ cản trở các quá trình chữa bệnh khác nhau mà thậm chí có thể gây ra nhiễm trùng có thể đe dọa tính mạng.

Với cách tiếp cận nghiên cứu mới lạ, các nhà khoa học của trường Đại học Bayreuth hiện đã tìm ra giải pháp cho vấn đề này. Sử dụng các protein tơ nhện được sản xuất bằng công nghệ sinh học, họ đã phát triển một vật liệu ngăn chặn sự bám dính của các vi khuẩn gây bệnh. Ngay cả những liên cầu khuẩn, có khả năng chống nhiều tác nhân kháng khuẩn (MRSA), cũng không có cơ hội lắng đọng trên bề mặt vật liệu. Màng sinh học phát triển trên các dụng cụ y tế, thiết bị thể thao, kính áp tròng, chân tay giả và các vật dụng hàng ngày khác có thể sớm lùi vào dĩ vãng.

Hơn nữa, thiết kế các vật liệu để đồng thời hỗ trợ sự kết dính và tăng sinh của các tế bào con người trên bề mặt của chúng. Nếu chúng có thể được sử dụng như: băng vết thương, thay da hoặc cấy ghép, chúng chủ động hỗ trợ tái tạo mô bị tổn thương hoặc bị mất. Ngược lại với các vật liệu khác đã sử dụng trước đây để tái tạo mô, về cơ bản đã loại bỏ nguy cơ nhiễm trùng. Do đó, sẽ cung cấp các lớp phủ kháng vi sinh vật cho nhiều ứng dụng y sinh và kỹ thuật khác nhau trong tương lai gần.

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu Bayreuth đã thử nghiệm thành công chức năng chống vi khuẩn trên hai loại vật liệu tơ nhện: trên màng, lớp phủ chỉ dày vài nanomet và trên giàn hydrogel ba chiều có thể dùng làm tiền chất để tái tạo mô. Scheibel, người đứng đầu ngành vật liệu sinh học tại Đại học Bayreuth giải thích: "Các cuộc điều tra của chúng tôi cho đến nay đã phát hiện hoàn toàn mang tính đột phá cho công việc nghiên cứu trong tương lai".

Đặc biệt, các đặc tính chống vi khuẩn của vật liệu sinh học mà chúng tôi đã phát triển không có tác dụng độc hại, tức là không phá hủy tế bào. Yếu tố quyết định thay vì nằm tại các cấu trúc ở cấp độ nanomet, giúp bề mặt tơ nhện có khả năng chống vi khuẩn. Chúng khiến mầm bệnh không thể tự bám vào các bề mặt này".  

Tiến sĩ Ing. Gregor Lang, một trong hai tác giả đầu tiên và là trưởng nhóm nghiên cứu Chế biến Biopolymer tại Đại học Bayreuth nói thêm: "Một khía cạnh hấp dẫn khác là một lần nữa chứng minh thiên nhiên là hình mẫu lý tưởng cho các khái niệm vật liệu tiên tiến. Tơ nhện tự nhiên có khả năng chống sự xâm nhập của vi sinh vật rất cao và việc tái tạo các đặc tính này theo cách công nghệ sinh học là một bước đột phá”.

Trong các phòng thử nghiệm Bayreuth, protein tơ nhện được thiết kế đặc biệt với nhiều cấu trúc nano khác nhau để tối ưu hóa các đặc tính liên quan đến y sinh cho các ứng dụng cụ thể. Một lần nữa, mạng lưới các cơ sở nghiên cứu trong khuôn viên Bayreuth đã chứng minh được giá trị của chúng.

Cùng với Viện Polyme Bavarian (BPI), ba viện nghiên cứu liên ngành khác của trường Đại học Bayreuth đã cùng tham gia vào chương trình nghiên cứu đột phá này: Trung tâm Bayreuth về Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (BayMAT), Trung tâm Bayreuth về Chất Keo & Giao diện (BZKG) và Trung tâm Khoa học Sinh học Phân tử Bayreuth (BZKG).

Đỗ Quyên dịch

Nguồn: Lab Manager- Hoa Kỳ