Đại học Emory của Mỹ chế tạo vật liệu nano mới có thể biến đổi hình dạng, cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn trong y sinh.
Trong báo cáo trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Mỹ, các nhà nghiên cứu mô tả vật liệu mới được làm từ collagen tổng hợp, mỏng hơn 10.000 lần chiều rộng của sợi tóc và có khả năng chuyển đổi qua lại từ dạng tấm phẳng sang hình ống.
Vật liệu nano sau khi cuộn lại thành dạng ống. (Ảnh: Đại học Emory).
Collagen là protein cấu trúc chính trong các mô liên kết của cơ thể, chẳng hạn như sụn, xương, gân, dây chằng và da. Nó cũng có nhiều trong mạch máu, ruột, cơ bắp và các bộ phận khác. Điều này làm cho vật liệu mới có tính tương hợp sinh học về bản chất.
"Trước đây, chưa có ai tạo ra vật liệu nano từ collagen với đặc tính thay đổi hình dạng. Vật liệu mới có thể làm được điều đó một cách đơn giản và có kiểm soát bằng cách thay đổi độ pH và nồng độ axit trong môi trường của nó", Giáo sư hóa học phân tử Vincent Conticello từ Đại học Emory, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.
Phòng thí nghiệm của Conticello là một trong số ít các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới tập trung phát triển collagen tổng hợp cho ứng dụng trong y sinh và công nghệ phức tạp khác. Các vật liệu sinh học tổng hợp như vậy có thể được kiểm soát theo những cách mà collagen tự nhiên không thể.
Protein collagen tự nhiên bao gồm một chuỗi xoắn ba sợi quấn quanh nhau như "bện dây". Các sợi này không linh hoạt, cứng như bút chì và kết hợp chặt chẽ với nhau trong một mảng kết tinh.
Conticello cùng các cộng sự đã làm việc trong nhiều năm để tạo ra các tấm collagen phẳng. "Mỗi tấm là một tinh thể lớn có hai mặt. Cách các peptide (chuỗi axit amin) tạo nên nó giống như một đống bút chì được bó lại với nhau, trong đó một nửa có đầu bút hướng lên trên và nửa còn lại có đầu tẩy hướng lên trên", Conticello giải thích.
Nhóm nghiên cứu đã cố gắng tinh chỉnh các tấm collagen để mỗi mặt chỉ giới hạn ở một chức năng. Mục tiêu cuối cùng là để chúng tương thích với thiết bị y tế bằng cách làm cho một mặt tương thích với thiết bị và mặt còn lại tương thích với các protein chức năng trong cơ thể.
Tuy nhiên, khi Conticello cùng các cộng sự thiết kế các bề mặt riêng biệt này thành những tấm collagen đơn lẻ, họ rất ngạc nhiên khi phát hiện nó khiến các tấm cuộn lại thành hình ống. Quá trình biến đổi hình dạng này thậm chí có thể đảo ngược bằng cách thay đổi độ PH của dung dịch. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh được họ có thể điều chỉnh các tấm ở cấp độ phân tử thông qua thiết kế để thay đổi hình dạng với độ PH cụ thể.
Vật liệu nano ở dạng tấm (trái) và dạng cuộn (phải) nhìn dưới kính hiển vi. (Ảnh: Đại học Emory).
Khám phá mới cho thấy tiềm năng lớn cho các ứng dụng y sinh như phân phối thuốc và kỹ thuật mô. Ví dụ, các nhà khoa học có thể tìm cách đưa thuốc vào ống collagen trong điều kiện phòng thí nghiệm có kiểm soát, sau đó đưa vào trong cơ thể người. Trong môi trường pH của tế bào người, các ống collagen sẽ mở ra và giải phóng thuốc.
Conticello mô tả việc phát triển vật liệu nano biến đổi hình dạng tại Emory là "một sự tình cờ và có yếu tố may mắn". Văn phòng Chuyển giao Công nghệ Emory đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế tạm thời cho vật liệu mới. Công trình nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ, Viện Y tế Quốc gia Mỹ và Quỹ Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ.