Học sinh chế tạo mô hình tên lửa giấy dưới sự hỗ trợ của các thầy cô giáo thuộc Học viện Sáng tạo S3. Ảnh: VWRC 2023
 

Theo dữ liệu của Medicare, các vết thương mãn tính đang ảnh hưởng đến khoảng 8,2 triệu người ở Mỹ và con số này còn nhiều hơn nữa trên toàn thế giới.

Tại Việt Nam, các vết thương mãn tính như vậy cũng là nỗi ám ảnh với vô số bệnh nhân mắc đái tháo đường hoặc những người gặp các vết loét do tì đè, loét tĩnh mạch, xạ trị,... Theo thống kê của Khoa Liền vết thương – Viện Bỏng Quốc gia vào năm 2014 trên 430 bệnh nhân được theo dõi, số bệnh nhân mang vết thương mãn tính chiếm tỷ lệ cao hơn gấp bảy lần so với số bệnh nhân mang vết thương cấp tính (87,67% so với 12,33%). Và nếu những vết thương này không được chăm sóc hiệu quả, người bệnh sẽ có thể gặp nhiều di chứng nặng nề, thậm chí phải cắt cụt chi và ảnh hưởng nghiêm trọng đến cuộc sống. Bên cạnh đó, chi phí kinh tế xã hội liên quan đến các vết thương này trên thế giới lên đến hàng chục tỷ đô la, và chi phí về con người thậm chí còn cao hơn: chẳng hạn, loét bàn chân do tiểu đường - một loại vết thương mãn tính phổ biến - có tỷ lệ tử vong trong năm năm khoảng 30%.

Dù để lại những hậu quả nặng nề như vậy, song cho đến nay, vẫn có rất ít phương pháp điều trị hiệu quả các vết thương này. Nghiêm trọng hơn, nếu bị nhiễm trùng, những vết thương này sẽ càng khó để điều trị và loại bỏ. Trước bài toán này, nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Đức Thành (Đại học Connecticut, Mỹ) và các đồng nghiệp đã nghiên cứu và phát triển một loại băng có thể phân hủy sinh học, có thể che vết thương và khuyến khích da mới hình thành, đồng thời ngăn chặn vi khuẩn. Kết quả nghiên cứu mới đây đã được công bố trong bài báo “Biodegradable piezoelectric skin-wound scaffold” trên tạp chí Biomaterials.

Tìm giải pháp gỡ “vòng luẩn quẩn”

“Việc chữa lành vết thương là một quá trình phức tạp. Lưu lượng máu bị gián đoạn và hình thành cục máu đông. Tiếp đó, tình trạng viêm xảy ra để tiêu diệt các vi khuẩn trong vết thương, và sau đó chuyển sang quá trình tái tạo”, PGS.TS Nguyễn Đức Thành cho biết trong bản tin của Đại học Connecticut. Đây là cách thức hoạt động thông thường ở các vết thương đang lành. Song, ở các vết thương mãn tính, mọi chuyện lại phức tạp hơn thế. Lý do là bởi, các vết thương này luôn bị nhiễm trùng, gây ra tình trạng viêm nhiễm không bao giờ dứt và làm cho da không thể tái tạo. Do những vấn đề liên quan đến bệnh tiểu đường hoặc các tình trạng khác, cơ thể của những người mắc bệnh này dễ gặp phải tình trạng nhiễm trùng và không thể tự khỏi.

Để xử lý các vết thương như vậy, các bác sĩ có thể loại bỏ mô bị nhiễm trùng theo cách thủ công - nghĩa là họ cạo nó bằng dao mổ - nhưng cách này khá đau và không phải lúc nào cũng hiệu quả. Các phương pháp khác để điều trị những vết thương này còn bao gồm tái tạo mạch máu, kháng sinh, băng vết thương hoặc dùng giá đỡ sinh học cho da (skin scaffold). Tuy nhiên, “những giá đỡ này phải sở hữu một số đặc điểm tối ưu, bao gồm khả năng: cung cấp rào cản vật lý để cách nhiệt và ngăn ngừa vi khuẩn, hấp thụ dịch tiết dư thừa, giữ lại tế bào và độ ẩm, và lý tưởng nhất là phân hủy sinh học để tạo điều kiện thuận lợi cho việc tái tạo da và tránh phải thay thế thường xuyên gây đau đớn cho người bệnh”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo mới công bố.

Tuy nhiên, các loại băng vết thương hiện nay lại còn nhiều hạn chế. Trong khi băng gạc và băng vải tuyn thông thường chỉ phù hợp cho các vết thương nhỏ và phẳng, thì các loại băng cho các vết thương lớn hơn - sử dụng vật liệu sinh học của màng polyurethane, và hydrogel (alginate và collagen) - lại gặp hạn chế trong việc ngăn chặn đồng thời vi khuẩn, hấp thụ dịch tiết và thúc đẩy tăng sinh nguyên bào sợi để tái biểu mô trong các vết thương nghiêm trọng.

Điểm hạn chế này đã khiến cho nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Đức Thành - chuyên về polyme áp điện (một vật liệu dao động khi có một dòng điện nhỏ chạy qua nó) và phân hủy sinh học - nảy ra ý tưởng về việc phát triển một loại giá đỡ sinh học mới áp điện, đa chức năng và có khả năng phân hủy sinh học cho vết thương ở da, có nguồn gốc từ các sợi nano của polyme y tế của axit poly-l-lactic (PLLA). Đồng thời, nhóm cũng đặt mục tiêu nghiên cứu cách để loại giá đỡ này có thể được kích hoạt từ xa bằng siêu âm không xâm lấn, nhằm kích thích điện tái tạo làn da bị tổn thương và đồng thời ngăn ngừa nhiễm trùng do vi khuẩn.

“Tốc độ lành vết thương mãn tính chậm sẽ làm tăng nguy cơ nhiễm trùng, và sự xuất hiện của nhiễm trùng cũng lại làm chậm quá trình lành vết thương hơn nữa. Điều này dẫn đến một vòng luẩn quẩn đầy đau đớn. Loại băng mà chúng tôi phát triển giúp tăng cường khả năng lành vết thương và đồng thời ngăn ngừa nhiễm trùng - yếu tố sẽ giúp bệnh nhân thoát khỏi chu kỳ đau đớn này”, nghiên cứu sinh tiến sỹ Ritopa Das ngành kỹ thuật sinh học và là tác giả thứ nhất của bài báo - cho biết trong bản tin trên website của Đại học Connecticut.

Tăng tốc độ làm lành vết thương

Lý giải về việc lựa chọn các vật liệu này, nhóm nghiên cứu cho biết, vật liệu nano có tỷ lệ bề mặt trên thể tích lớn và độ xốp tốt có thể đồng thời tạo ra giao diện vật liệu sinh học mô lớn, cầm máu hiệu quả, khả năng hấp thụ cao của dịch tiết và tính thấm hơi nước cùng với khả năng giữ tế bào và độ ẩm tốt. Ngoài ra, tính linh hoạt của màng sợi nano cho phép có bề mặt da cong cũng như khả năng co giãn theo chuyển động của các cơ bên dưới da.

Và tại sao lại sử dụng hiệu ứng áp điện? “Các mô tự nhiên trong cơ thể, giống như da, có bản chất áp điện và sử dụng điện tích bề mặt để tái tạo. Trên thực tế, điện sinh học rất quan trọng trong quá trình chữa lành vết thương”, nhóm nghiên cứu cho biết. Bên cạnh đó, điện tích được tạo ra trong vật liệu áp điện bằng phương pháp siêu âm trước đây cũng đã được chứng minh là có tác dụng ngăn chặn đáng kể hoạt động của vi khuẩn thông qua các loại oxy phản ứng do điện tích gây ra.

Cụ thể, loại băng có khả năng phân hủy sinh học do nhóm PGS.TS Nguyễn Đức Thành và các đồng nghiệp phát triển được làm bằng polyme tạo ra điện tích khi uốn cong (các nhà nghiên cứu đã sử dụng sóng siêu âm mỗi ngày một lần để thực hiện việc này). Polymer được “dệt” sao cho mặt tiếp xúc với vết thương có điện tích dương, thúc đẩy các tế bào da tái tạo.

Mặt hướng ra ngoài của miếng băng có điện tích âm, có vai trò phản ứng với nước để tạo ra các phân tử tiêu diệt vi khuẩn. Bên cạnh đó, kết cấu nano của polyme cho phép da thực sự hình thành ở bên trong nó. Polyme không độc hại sẽ từ từ hòa tan vào cơ thể, giúp cho bệnh nhân không cần phải tháo băng, nhờ đó không làm hỏng lớp da mới vừa hình thành.

Để đánh giá hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm thiết bị trên chuột. Kết quả cho thấy, thiết bị này chữa lành vết thương lớn ở chuột nhanh hơn phương pháp điều trị thương mại mới nhất hiện nay.

“Chúng tôi đã chứng minh rằng giá đỡ được kích hoạt bằng sóng siêu âm cường độ thấp/tần số thấp có thể tạo điều kiện thuận lợi cho sự tăng sinh của nguyên bào sợi/tế bào biểu mô, tăng cường biểu hiện các gen (collagen I, III và fibronectin) điển hình cho quá trình chữa lành vết thương và ngăn chặn sự phát triển của đồng thời hai vi khuẩn là S. aureus và vi khuẩn P. aeruginosa trong in vitro”, nhóm của PGS.TS Nguyễn Đức Thành viết trong nghiên cứu. Trước những kết quả đầy tiềm năng này, họ cũng đang hy vọng sẽ sớm có thể thử nghiệm thiết bị này trên động vật lớn hơn.