Chất rắn nhẹ nhất thế giới có thể giúp xương liền nhanh hơn

Theo dõi KTMT trên

Khả năng của aerogel lai giúp tăng tốc độ tái tạo xương đặt nó lên hàng đầu trong các kỹ thuật trị liệu mới. Ảnh: NASA.

Mặc dù ung thư xương là một căn bệnh tương đối hiếm gặp, chiếm chưa đến 1% trong số tất cả các ca ung thư, nhưng những người mắc phải căn bệnh này thường mất rất nhiều mô xương và trong trường hợp nặng, phải trải qua quá trình cắt bỏ xương. Cùng với các mô ung thư, bệnh nhân còn phải cắt bỏ một khối lớn các mô khỏe mạnh ở gần chung quanh để bảo đảm rằng ung thư không lan rộng. Điều này có hiệu quả loại bỏ ung thư, nhưng cũng khiến bệnh nhân có ít xương hơn so với lúc ban đầu.

Một nghiên cứu gần đây đã sử dụng aerogel lai để khôi phục các mô bị mất bằng cách thúc đẩy tái tạo xương. Về cơ bản, aerogel là sự kết hợp giữa chất rắn và khí. Giống như miếng bánh làm từ gelatin, nhưng toàn bộ nước trong đó được làm bay hơi từ từ và thay thế bằng không khí. Quá trình loại bỏ nước diễn ra chậm và cẩn thận cho phép miếng gel giữ lại hình hạng của nó thay vì co cứng thành một cục. Hai đặc tính này làm chúng có đặc biệt thích hợp để sử dụng như một giàn giáo để sử dụng như một bản đồ dẫn đường cho xương theo đó mà phát triển.

Hiện nay, phần lớn các biện pháp tái tạo xương bằng cách cấy ghép một miếng xương vào chỗ cần sửa chữa hoặc từ từ đẩy hai mảnh xương ra xa hơn dần dần để xương mới phát triển vào khoảng cách đó. Những cách này cực kỳ đau đớn và tốn kém.

Aerogel lai là vật liệu mạnh nhưng siêu nhẹ. Ở đây, bông hoa được bảo vệ khỏi lửa bởi tính chất cách điện của aerogel. Ảnh: NASA.

Tế bào xương cần một chút kích thích để tái tạo. Có một chút khó khăn là các tế bào xương mới phát triển làm sao theo đúng hướng và đầy đủ theo thời gian. Nếu dừng lại quá sớm, xương sẽ bị yếu để đáp ứng đúng mục đích. Để nó phát triển quá nhiều thì nó sẽ rất đau đớn.

Sự phát triển cân bằng có thể đạt được bằng cách sử dụng một giàn giáo, đó là nơi các aerogel lai được đặt vào. Một giàn giáo là một cấu trúc được đặt vào vị trí xương cần được sửa chữa, nó sẽ chỉ dẫn các tế bào xương phát triển dọc theo đường dẫn đã dự trù từ trước. Một giàn giáo tốt là đủ chắc chắn nhưng không được quá cứng, lại đủ dài để cho các tế bào sống phát triển, và phải có nhiều lỗ thông để xương phát triển luồn qua như con rắn. Còn chút ít cuối cùng là vật liệu tạo ra giàn giáo này phải tương tự như xương thật. Các loại aerogel lai là vật liệu bí ẩn có thể giải quyết các điểm lưu ý này.

Có rất nhiều loại giàn giáo khác nhau để lựa chọn, từ gốm và kim loại đến hydrogel cellulose. Vậy tại sao aerogel lai tốt hơn so với các giàn giáo khác? Trong aerogel lai, chúng có một nửa được tạo ra từ protein (đó là phần lai), phần này cuối cùng bị cơ thể phá vỡ. Nửa còn lại, silica, từ từ tan chảy dưới dạng axit orthosilicic, được biết đến để đẩy nhanh quá trình lành vết thương. Kích thước lỗ rỗng của chúng có thể được kiểm soát trong quá trình sản xuất, giúp dễ dàng điều chỉnh chúng theo các mục đích sử dụng khác nhau. Các nhà khoa học cũng đang được thử nghiệm chúng như các hệ thống phân phối thuốc, có nghĩa là vật liệu này có thể được tăng cường bằng thuốc hoặc các yếu tố tăng trưởng trước khi sử dụng nó như một giàn giáo.

Đầu năm nay, có ba phòng thí nghiệm nghiên cứu có cơ sở ở Iran, Đức và Áo đã hợp tác và quyết định hợp nhất một loại protein rất bền với một loại arerogel xốp và rất nhẹ. Loại protein rất bền chính là sợi tơ tằm, được lấy từ kén tằm và được dùng để làm ra các loại vải ưa thích. Nó làm cho aerogel đủ bền và đủ cứng để sử dụng cho xương phát triển. Bỏ silica, sợi tơ tằm, vài loại a-xít và một chút ít chất tẩy rửa vào một cái nồi và nướng trong một giờ. Kết cục, bạn có một aerogel lai silica-sợi tơ tằm.

Tất nhiên, các nhà nghiên cứu phải đối mặt với những rào cản trong quá trình nghiên cứu. Vật liệu đầu tiên họ tạo ra quá kỵ nước (nó đẩy nước, không tốt cho cơ thể vốn có 70% nước). Vật liệu thứ hai quá cứng và khô, và vật liệu thứ ba sẽ chỉ ở trong cơ thể mãi mãi mà không bị biến đổi. Cuối cùng, vật liệu thứ tư đã đạt được mục đích và họ đã tạo ra một loại aerogel lai hoàn hảo: ưa nước, không quá cứng và có khả năng phân hủy sinh học.

Khi đã có vật liệu, họ chuyển sang giai đoạn tiếp theo là kiểm tra liệu aerogel lai có làm tổn thương tế bào người hay không. Giàn giáo được đưa vào hàng loạt các thử nghiệm và được cho là an toàn hoàn hảo để sử dụng với tế bào của người. Trên thực tế, các tế bào dường như rất thích loại vật liệu này. Khi aerogel lai được đặt vào một cái đĩa chứa tế bào xương, chúng thực sự phát triển trên bề mặt của nó, bao phủ các protein và các khoáng chất cần thiết để xương được hình thành theo đúng đường.

Đến giai đoạn ba, các nhà nghiên cứu cấy aerogel lai lên chuột và kiểm tra liệu nó có kích thích tái tạo xương. Họ gây ra một tổn thương nhỏ trên hai nhóm chuột và cấy aerogel lai lên một trong hai nhóm. Sau 25 ngày, họ thấy rằng chuột được cấy cho thấy sự phát triển nhanh hơn và chữa lành tốt hơn chuột không được cấy ghép. Aerogel không chỉ cho xương mới được phát triển mà còn làm cho phát triển nhanh hơn bình thường.

Những khả năng này của aerogels lai đẩy nhanh việc tái tạo xương, đưa nó lên công nghệ hàng đầu trong của các kỹ thuật điều trị mới. Hãy tưởng tượng xương bị gãy lành trong một vài ngày, trái ngược với vài tuần. Và lúc đó, bác sĩ có thể nói với một bệnh nhân ung thư xương rằng: “Bạn phải cắt bỏ một phần chân nhưng nó có thể dễ dàng phát triển trở lại, không phải lo lắng”. Hỗn hợp aerogel có lẽ là vật liệu sinh học để có thể biến điều đó thành hiện thực.