Miếng dán được TS Nguyễn Đức Thành (38 tuổi) và nhóm nghiên cứu tại Đại học Connecticut (Mỹ) làm từ các sợi nano của poly-L lactic axit (PLLA), một loại polymer phân hủy sinh học thường được sử dụng để khâu vết thương phẫu thuật. Vật liệu nano có một đặc tính được gọi là áp điện - có khả năng chuyển đổi những áp suất cơ học thành tín hiệu điện. Khi cấy ghép vào trong khớp xương, dưới lực tác động từ cử động của khớp, như đi bộ, tấm polymer áp điện PLLA sẽ tạo ra xung điện yếu nhưng ổn định, giúp "triệu hồi" các tế bào gốc, kích thích việc tiết ra protein giúp trình hình thành và tái tạo sụn.
Việc kết hợp giữa vật lý trị liệu và miếng dán polymer áp điện giúp sụn bị hư tổn được tái tạo mạnh mẽ và có khả năng chữa lành các tổn thương. Đặc biệt, miếng dán này có khả năng tự tiêu.
TS Nguyễn Đức Thành (trái) và sinh viên Yang Liu - nghiên cứu sinh sau tiến sĩ thuộc nhóm nghiên cứu của UConn - với miếng dán polymer áp điện. Ảnh: NVCC
Nhiều nhà nghiên cứu từng tìm cách tái tạo sụn trong các khớp bị tổn thương. Ví dụ, một số dùng hóa chất để kích thích sự tái tạo và phát triển sụn. Một số có cách tiếp cận dựa vào tế bào gốc khai thác từ cơ thể bệnh nhân hay một người khác, sau đó nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và cấy ghép các tế bào này vào khớp khối để kích thích sự tái tạo. Nhưng cả hai cách này đều không hiệu quả. "Chất hóa sinh thường có những ảnh hưởng phụ và độc tính. Sụn mọc lại rất khác với sụn tự nhiên. Nó bị hư tổn dưới những áp lực bình thường của khớp", anh nói.
Nhóm nghiên cứu (Nguyen Lab) do anh đứng đầu đã khắc phục được điều trên khi chứng minh được những tín hiệu điện rất nhỏ phát ra từ một miếng PLLA polymer áp điện (không cần tế bào gốc hay các hóa chất kích thích sự tăng trưởng). Đây được xem là chìa khóa cho sự phát triển bình thường. Nhóm đã thử nghiệm trên thỏ bị tổn thương sụn và cấy ghép các miếng sụn làm bằng PLLA vào trong khớp gối của thỏ. Thỏ được huấn luyện nhảy trên máy chạy bộ, tạo nên các áp lực tác động lên miếng polymer áp điện. Đúng như dự đoán, sụn phát triển trở lại bình thường sau 1-2 tháng tập luyện.
Thử nghiệm miếng sụn trên thỏ. Video: UConn
Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí hàng đầu của y học (Science Translational Medicine1) và dẫn lại trên tạp chí Nature cho nghiên cứu về bệnh viêm khớp (Nature Reviews Rheumatology2). "Nghiên cứu này là bằng chứng cho thấy polymer áp điện phân hủy sinh học kết hợp vật lý trị liệu có thể hữu ích trong việc điều trị viêm xương khớp và áp dụng tái tạo mô bị thương", tờ Science nhận định.
TS Thành cho biết: "Trước khi thử nghiệm lâm sàng ở người, chúng tôi cần thử nghiệm ở một loài động vật lớn hơn". Nhóm sẽ tiếp tục theo dõi những con vật được điều trị trong ít nhất một năm, có thể là hai năm, để đảm bảo sụn có độ bền cao. Anh nói sẽ rất lý tưởng nếu thử nghiệm PLLA ở những động vật lớn tuổi hơn. Động vật non hồi phục dễ dàng hơn động vật già. Nếu giàn mô áp điện cũng giúp động vật già khỏi bệnh, đó có thể là một bước đột phá về kỹ thuật sinh học.
Tái tạo sụn từ vật liệu polymer áp điện là thành công nối dài trong hành trình nghiên cứu chuyển đổi vật liệu trong y học thành những vật liệu "thông minh" ứng dụng trong y khoa của TS Nguyễn Đức Thành. Năm 2018, Nguyen Lab ở UConn là nhóm nghiên cứu đầu tiên chế tạo cảm biến điện tử được chuyển đổi từ vật liệu dùng cho chỉ tự tiêu. Thiết bị được cấy ghép vào cơ thể bệnh nhân và truyền tín hiệu ra bên ngoài thông qua công nghệ không dây. Chúng có khả năng tự tiêu hủy mà không cần thêm lần phẫu thuật lấy ra giống cảm biến thông thường.
Trước đó, nhóm của TS Thành còn phát triển miếng dán vaccine. Miếng dán được đặt trực tiếp lên da và phóng thích các vi kim (microneedles) rất nhỏ vào lớp biểu bì (tương tự mực xăm) để đưa vaccine vào cơ thể một cách dễ dàng, không cần những mũi tiêm khác nhau. Các vi kim này được làm từ loại polymer tự tiêu, siêu nhỏ không gây đau buốt. Công nghệ này hứa hẹn góp phần phân phối vaccine Covid-19 (hay các loại vaccine khác trong những đại dịch) nhanh chóng đến cộng đồng. Năm 2021, công trình nghiên cứu miếng dán vaccine phòng chống Covid-19 của nhóm gây tiếng vang khi được tạp chí Nature Biomedical Engineering công bố.
Miếng dán polymer áp điện có khả năng tự tiêu. Ảnh: NVCC
TS Nguyễn Đức Thành sinh ra tại Đà Nẵng. Anh tốt nghiệp hệ kỹ sư tài năng ngành vật lý Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2007. Anh nhận học bổng tiến sĩ và sau tiến sĩ tại Mỹ và được quỹ từ thiện của Bill Gates tài trợ để làm nghiên cứu về vaccine.
Anh từng được nhận nhiều giải thưởng dành cho giáo sư trẻ xuất sắc trong lĩnh vực y học tái tạo và là một trong 18 kỹ sư chế tạo trẻ xuất sắc trên thế giới của Hiệp hội Các nhà sản xuất Mỹ (SME) năm 2018, top 10 nhà sáng chế hàng đầu dưới 35 tuổi cho khu vực châu Á - Thái Bình Dương do MIT bình chọn.
Như Quỳnh