Một loại hydrogel có khả năng thay đổi hình dạng dưới tác động của ánh sáng đang được các nhà khoa học Trung Quốc kỳ vọng sẽ mở ra hướng phát triển vật liệu y sinh linh hoạt hơn, giao diện não-máy tính thế hệ mới và robot có hình dáng, cảm giác giống con người.
Lấy cảm hứng từ khả năng thích nghi của sinh vật sống, nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã phát triển một loại hydrogel có thể thay đổi hình dạng theo thời gian. Hệ thống này có tên STERS, sử dụng các hạt kim loại lỏng để tạo ra những phản ứng hóa học chậm và có khả năng tự duy trì, qua đó khiến cấu trúc của hydrogel biến đổi dần theo thời gian.
Theo các nhà nghiên cứu, vật liệu có khả năng phát triển và thay đổi tương thích với mô sống này có thể trở thành nền tảng cho thế hệ vật liệu và thiết bị y sinh mới, đồng thời mở ra tiềm năng trong y học tái tạo và robot mềm.
“Phương pháp mới cho phép lập trình quá trình biến đổi hình thái giống sinh vật sống trong hydrogel, từ quy mô vi mô đến vĩ mô, diễn ra trong khoảng thời gian từ vài phút đến vài tuần và có thể trải qua một hoặc nhiều chu kỳ biến đổi”, nhóm nghiên cứu viết trong công trình được công bố trên tạp chí khoa học Matter ngày 4/9.
Lấy cảm hứng từ cách sinh vật sống thay đổi
Sinh vật trong tự nhiên liên tục điều chỉnh cấu trúc cơ thể để thích nghi, sinh trưởng và phát triển. Những thay đổi như đổi màu hoặc phát triển theo một hướng nhất định là những ví dụ điển hình.
Dựa trên những cơ chế này, các nhà khoa học đang tìm cách phát triển những vật liệu và thiết bị nhân tạo có khả năng thay đổi tương tự.
Phó giáo sư Du Xuemin, tác giả nghiên cứu tại Viện Công nghệ Tiên tiến Thâm Quyến thuộc Viện Khoa học Trung Quốc, cho biết ông đã có nhiều năm nghiên cứu về vật liệu thông minh. Trước đây, ông từng lấy cảm hứng từ những loài như cây trinh nữ - loài cây có thể cụp lá khi bị chạm vào - hay tắc kè hoa.
Theo ông Du, lĩnh vực vật liệu thông minh đã tiến bộ rất nhanh. Tốc độ tái cấu hình hình dạng của vật liệu đã được rút ngắn đáng kể, từ những biến đổi chậm xuống tới mức mili giây.
Một trong những hướng nghiên cứu hiện nay là hợp kim nhớ hình. Những vật liệu này có thể chuyển đổi qua lại giữa các hình dạng được định trước khi chịu tác động của những kích thích bên ngoài, chẳng hạn thay đổi nhiệt độ.
“Nhưng sau khi nghiên cứu sâu về lĩnh vực này, tôi quay trở lại với góc nhìn từ các sinh vật sống”, ông Du nói.
Ông nhận ra rằng sinh vật không chỉ có khả năng thay đổi hình dạng rất nhanh mà còn trải qua những quá trình biến đổi chậm trong thời gian dài, chẳng hạn quá trình chữa lành vết thương hoặc phát triển phôi thai.
Tạo hydrogel có thể “tiến hóa” theo thời gian
Trong kỹ thuật mô, các nhà khoa học thường sử dụng những giá thể chứa hoạt chất để hỗ trợ quá trình chữa lành và phát triển mô. Tuy nhiên, theo ông Du, nhiều vật liệu hiện nay hoặc biến đổi quá nhanh, hoặc gần như không có khả năng thay đổi hình dạng.
“Vì vậy, tôi tự hỏi liệu chúng ta có thể mô phỏng những quá trình biến đổi hình thái chậm hơn trong tự nhiên để tạo ra các vật liệu có khả năng thay đổi hình dạng từ từ hay không”, ông nói.
Để làm được điều đó, nhóm nghiên cứu phát triển một hệ thống dựa trên kim loại lỏng, lấy cảm hứng từ cách các chất hóa học hoạt tính được giải phóng trong tế bào để kích thích những thay đổi về hình thái.
Hệ thống STERS, viết tắt của “spatiotemporally evolving reactive species” (các chất phản ứng biến đổi theo không gian và thời gian), kết hợp các hạt kim loại lỏng nền gallium với các monomer vinyl.
Các hạt kim loại lỏng tạo ra những chất phản ứng, trong khi các monomer vinyl thúc đẩy quá trình tạo ra những chất này và quá trình polymer hóa hydrogel. Nhờ đó, hydrogel có thể hình thành những cấu trúc mới và dần thay đổi hình dạng.
Hệ thống được kích hoạt bằng ánh sáng cận hồng ngoại. Chỉ cần chiếu sáng một lần, quá trình biến đổi của STERS có thể được duy trì tới 4 tuần.
Theo nhóm nghiên cứu, cơ chế này hoạt động nhờ các hạt kim loại lỏng liên tục tạo ra các chất phản ứng thông qua quá trình oxy hóa bề mặt khi tiếp xúc với môi trường. Sau đó, lớp oxit bị loại bỏ, để lộ phần kim loại bên dưới và cho phép chu trình phản ứng tiếp tục diễn ra.
Nhờ vậy, vật liệu không chỉ thay đổi tức thời sau khi được kích hoạt mà có thể tiếp tục biến đổi trong thời gian dài.
Thử nghiệm với tế bào gốc và giao diện não-máy
Để kiểm tra khả năng ứng dụng, nhóm nghiên cứu sử dụng hydrogel để định hướng quá trình biệt hóa của tế bào gốc thành các tế bào giống tế bào xương và tế bào thần kinh.
Đây là một thử nghiệm đáng chú ý bởi nếu vật liệu có thể thay đổi hình thái theo quá trình phát triển của mô, nó có thể khắc phục một hạn chế của các giá thể truyền thống vốn có cấu trúc tương đối cố định.
Nhóm nghiên cứu cũng thử đưa vật liệu vào một giao diện não-máy tính.
“Chúng tôi đã cải biến bề mặt điện cực của giao diện não-máy tính bằng vật liệu này để theo dõi sự thay đổi của tín hiệu điện trong quá trình phát triển phôi chuột”, ông Du cho biết.
Theo ông, phương pháp này cho phép phát hiện chính xác những thay đổi trong sóng não, từ đó cung cấp một công cụ mới để nghiên cứu hoạt động của não trong giai đoạn phôi thai và hỗ trợ các nghiên cứu về thần kinh.
Điểm đáng chú ý là tốc độ và mức độ biến đổi của vật liệu có thể được điều chỉnh để tương thích với những thay đổi diễn ra trong não phôi. Các mô hình phát triển của não phôi đã được nghiên cứu tương đối rõ, giúp các nhà khoa học có cơ sở để thiết kế quá trình biến đổi của vật liệu.
Kim loại lỏng vẫn là bài toán an toàn
Tuy nhiên, công nghệ này cũng đặt ra những câu hỏi về an toàn sinh học.
Các kim loại lỏng được sử dụng trong hệ thống có thể gây rủi ro cho mô sống nếu bị rò rỉ hoặc tiếp xúc trực tiếp với mô trong thời gian dài.
Để giảm nguy cơ này, nhóm nghiên cứu sử dụng cấu trúc dạng “sandwich” để bao bọc và cô lập vật liệu, qua đó hạn chế khả năng rò rỉ ra các mô xung quanh.
Đây là một bước quan trọng nếu công nghệ muốn tiến tới các ứng dụng y sinh lâu dài, đặc biệt là những thiết bị tiếp xúc trực tiếp với cơ thể.
Robot có thể học cách “thay đổi như con người”
Ông Du cho rằng STERS không chỉ có tiềm năng trong y sinh mà còn có thể được ứng dụng trong lĩnh vực robot.
Theo ông, để robot trở nên giống con người hơn, không chỉ hình dáng mà cả khả năng cảm nhận, lớp da nhân tạo và những đặc tính vật lý khác cũng cần được phát triển theo hướng tương thích với cơ thể người.
Một vật liệu có khả năng thay đổi hình dạng và đặc tính theo thời gian có thể giúp robot trong tương lai không còn phụ thuộc hoàn toàn vào những cấu trúc cứng và cố định.
Hệ thống STERS cũng có thể được sử dụng cho các ứng dụng cảm biến. Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một loại hydrogel có thể thay đổi màu sắc từ từ trong khoảng một tháng, đóng vai trò như một chỉ báo trực quan dài hạn.
Điều này mở ra khả năng sử dụng vật liệu như một dạng cảm biến không cần nguồn điện liên tục, trong đó thông tin được thể hiện bằng sự thay đổi hình dạng hoặc màu sắc theo thời gian.
Vẫn còn nhiều rào cản trước khi ứng dụng trên người
Dù vậy, ông Du cho rằng STERS vẫn còn một chặng đường dài trước khi có thể được sử dụng trong các ứng dụng lâm sàng dài hạn.
Một trong những thách thức lớn nhất là phải điều chỉnh chính xác tốc độ biến đổi của vật liệu sao cho phù hợp với từng loại mô. Các nhà nghiên cứu cũng muốn tìm cách tạo ra những quá trình biến đổi còn chậm hơn và quan trọng hơn là có thể chủ động kiểm soát thời điểm vật liệu bắt đầu hoặc dừng thay đổi bằng các kích thích bên ngoài.
Ở thời điểm hiện tại, ông Du cho rằng STERS phù hợp hơn với vai trò cảm biến hoặc được sử dụng trong các thí nghiệm về kỹ thuật mô và giao diện não-máy tính.
Tuy nhiên, ý tưởng cốt lõi của công nghệ này - tạo ra vật liệu không chỉ “thông minh” mà còn có thể thay đổi và phát triển theo thời gian giống mô sống - có thể trở thành hướng nghiên cứu quan trọng đối với vật liệu y sinh, robot mềm và các thiết bị tương tác trực tiếp với cơ thể trong tương lai.
Theo SCMP
