Bề mặt kháng khuẩn lấy cảm hứng từ cánh côn trùng

Để tránh nhiễm trùng quanh những chỗ cấy ghép, chẳng hạn như xương hông bằng kim loại hay răng hàm giả, bác sĩ thường dùng các “lớp phủ” kháng khuẩn, hóa chất và kháng sinh. Nhưng các biện pháp này không ngăn được các chủng kháng kháng sinh và thậm chí còn có thể khiến chúng trở nên mạnh hơn.

Để giải quyết thách thức này, các nhà khoa học từ Đại học RMIT, Úc, đã thiết kế một mẫu gai siêu nhỏ có thể được khắc trên bề mặt các bộ phận cấy ghép bằng titan hoặc các bề mặt khác, nhằm bảo vệ bệnh nhân trước vi khuẩn và nấm một cách hiệu quả mà không phải dùng thuốc.

Nghiên cứu - được công bố trên tạp chí Advanced Materials Interfaces - đã kiểm tra tính hiệu quả của bề mặt titan được khắc gai trong việc tiêu diệt nấm Candida đa kháng thuốc. Đây là một loại nấm có thể gây tử vong và là nguyên nhân dẫn đến 10% số ca nhiễm trùng do thiết bị y tế trong bệnh viện.

Các gai này có thiết kế đặc biệt: mỗi gai cao tương tự một tế bào vi khuẩn, sắc nhọn và có khả năng đâm thủng một nửa số tế bào gây hại ngay khi tiếp xúc. Đáng chú ý, số tế bào còn lại bám trên bề mặt dù không bị tiêu diệt ngay lập tức nhưng cũng không thể sinh sản hay gây nhiễm trùng vì đã bị tổn thương.

TS. Denver Linklater, đồng tác giả của bài báo, cho biết các phân tích chuyển hóa protein cho thấy nấm Candida albicans và nấm Candida auris (một loại nấm kháng đa thuốc) bị thương bám lại trên bề mặt cũng chẳng khác nào đã chết.

“Các tế bào nấm Candida bị thương phải trải qua áp lực trao đổi chất lớn trong khoảng thời gian lên tới 7 ngày. Điều này chặn đứng quy trình sinh sản của chúng”, ông nói. “Chúng không thể phục hồi ngay cả trong môi trường không áp lực, và cuối cùng sẽ ngừng hoạt động theo một cơ chế gọi là apoptosis - chết theo lập trình”

  “Nghiên cứu mới nhất của chúng tôi cho thấy, có thể không cần [thiết kế một bề mặt có thể] tiêu diệt tất cả các mầm bệnh ngay khi tiếp xúc nếu chúng ta có thể chỉ ra rằng những bề mặt này”, bà nói.

“Nghiên cứu mới nhất này cho thấy rằng không nhất thiết phải đòi hỏi các bề mặt loại bỏ được tất cả mầm bệnh ngay khi tiếp xúc nếu chúng ta có thể chứng minh rằng các bề mặt đó sẽ khiến các tế bào còn sót lại chết dần, nghĩa là kiểu gì thì chúng cũng chết,” GS. Elena Ivanova, trưởng nhóm nghiên cứu, nói.

Trong hơn một thập kỷ qua, nhóm nghiên cứu của bà đã dẫn đầu trong việc phát triển các bề mặt kháng khuẩn lấy cảm hứng từ lớp gai kích thước nano (nanopillars) phủ trên cánh chuồn chuồn và ve sầu. GS. Ivanova là một trong những người đầu tiên quan sát thấy khi vi khuẩn xuất hiện trên cánh côn trùng, các gai trên cánh sẽ kéo căng những tế bào vi khuẩn này ra và làm rách màng tế bào, khiến tế bào chết.

“Nó giống như kéo căng một chiếc găng tay cao su. Điểm yếu nhất trên đó sẽ trở nên mỏng hơn và bị rách”, GS. Ivanova giải thích.

Nhóm của bà đã dành cả thập kỷ qua để mô phỏng lớp phủ hình gai trên cánh côn trùng này thành các khuôn mẫu nano có thể sử dụng trong nghiên cứu. Trong nghiên cứu mới nhất, họ sử dụng kỹ thuật “khắc plasma” để tạo ra các cấu trúc kháng khuẩn và kháng nấm trên bề mặt titan.

GS. Ivanova cho biết kỹ thuật khắc tương đối đơn giản nên có thể được tối ưu hóa và áp dụng cho nhiều loại vật liệu và ứng dụng. “Kỹ thuật biến đổi bề mặt mới này có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị y tế, nhưng cũng có thể dễ dàng điều chỉnh cho các ứng dụng nha khoa hoặc cho các vật liệu khác như băng thép không gỉ dùng trong sản xuất thực phẩm và chế biến nông sản”, bà nói.