TS người Việt chế tạo vật liệu diệt vi khuẩn nhanh gấp 120 lần

Sau nhiều lần thất bại, anh Nhiệm và cộng sự đã thử nghiệm thành công một vật liệu mới với bề mặt đồng nhám và nhiều lỗ rỗng, có thể tiêu diệt 99,99% các loại vi khuẩn chỉ trong 2 phút, nhanh gấp 120 lần so với vật liệu có bề mặt đồng thông thường.

TS Trần Lê Nhiệm, giảng viên cao cấp tại khoa Hóa học ứng dụng, ĐH RMIT (Úc)

Trần Lê Nhiệm là cựu học sinh Trường THPT Chuyên Hà Nội – Amsterdam, cựu sinh viên K5 khóa đào tạo cử nhân tài năng Vật lý của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Sau khi tốt nghiệp đại học, anh giành học bổng nghiên cứu sinh tại Mỹ và hiện là giảng viên cấp cao (Senior Lecturer) tại khoa Hóa học ứng dụng của Đại học RMIT (Úc).

Anh Nhiệm cho biết công trình này được thực hiên bởi 1 nghiên cứu sinh do anh và 3 Giáo sư khác hướng dẫn. Dự án có phạm vi nghiên cứu rộng, anh Nhiệm tham gia chủ yếu về lĩnh vực y sinh, kiểm tra tính năng diệt khuẩn của vật liệu.

Nghiên cứu tập trung vào vật liệu đồng micro-nano đa cấp bậc. Đồng được biết đến là vật liệu kháng khuẩn rất tốt, thậm chí đã có nghiên cứu cho thấy đồng còn diệt được cả virus nCov-2. Ở Canada, một số tay nắm cửa ra vào hay tay cầm trên phương tiện công cộng đã được thay bằng đồng.

“Hiện nay nhiều vi khuẩn trở nên kháng thuốc kháng sinh khiến việc điều trị nhiễm trùng rất khó khăn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chỉ ra là dùng vật liệu đồng, nhưng có bề mặt nhám đa cấp bậc micro-nano, thì có hiệu quả cao hơn rất nhiều so với mặt phẳng trơn tru. Bề mặt nhám này diệt vi khuẩn Staphylococcus aureus (tụ cầu vàng) nhanh gấp nhiều lần so với bề mặt đồng phẳng. Bề mặt đồng bình thường diệt khoảng 97% tụ cầu trong vòng 4 tiếng. Còn bề mặt mà nhóm tạo ra sẽ diệt 99,99% tụ cầu chỉ trong vòng 2 phút” - anh Nhiệm cho biết.

Vật liệu đồng (Cu) micro-nano đa cấp bậc được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét với độ phóng đại tăng dần (b-f). Ảnh: TS Trần Lê Nhiệm

Về mặt cơ chế, bề mặt này kết hợp cấu trúc micro-nano với tính năng diệt khuẩn của đồng.

TS Nhiệm cho hay, cấu trúc nano có rất nhiều trong thiên nhiên. Một số nghiên cứu trước đây chỉ ra cấu trúc nano được tìm thấy trên cánh của côn trùng như ve sầu hay chuồn chuồn khiến cho chúng có khả năng diệt khuẩn. Nhìn qua kính hiển vi điện tử sẽ thấy nó giống như một bề mặt có rất nhiều chông nhọn. Những mũi chông nano này có thể xuyên qua thành tế bào của vi khuẩn, làm rò rỉ vật chất nội bào.

Điểm khác biệt quan trọng giữa vật liệu micro-nano đồng với vật liệu đồng trơn phẳng là diện tích bề mặt lớn hơn nhiều lần, khiến cho vật liệu micro-nano đồng có khả năng tấn công nhiều vi khuẩn hơn một khi chúng bám vào bề mặt. Ngoài ra vật liệu này siêu ưa nước (superhydrophilic). Khi giọt nước rơi trên chiếc lá sen, nó sẽ tạo thành giọt hình cầu vì bề mặt lá sen có nhiều cấu trúc nhỏ li ti và siêu kỵ nước (superhydrophobic). Còn bề mặt này thì khác, khi nhỏ nước vào thì nước không thành giọt mà sẽ lan rộng ra thành 1 lớp mỏng. Như vậy, vi khuẩn sẽ tương tác trực tiếp với các cấu trúc nano trên bề mặt này. Sự kết hợp của cấu trúc micro-nano trên bề mặt với độc tính của đồng dẫn tới tính khử trùng rất hiệu quả của vật liệu này.

Tụ cầu vàng (Staphylococcus aureus) sau 2 phút trên bề mặt (a) thép không gỉ, (b) đồng (Cu) thường, và (c, d) đồng micro-nano (CuNLS). Ảnh: TS Trần Lê Nhiệm

Theo TS Nhiệm, khó nhất là chế tạo bề mặt nhám. Trước đây có người đã cố gắng làm nhưng không thành công.

“Kết quả của nghiên cứu thì rất đẹp. Nhưng để có được kết quả đó, nhóm phải mất vài năm. Có thời điểm, chúng tôi làm 10 cái thí nghiệm thì 9 cái hỏng, 1 cái có vẻ khả quan nhưng cũng không dùng được” - anh Nhiệm nói.

Dù vậy, khi đã tìm ra ý tưởng thì cả tất cả đều bất ngờ vì thực ra quá trình này khá đơn giản. Nhóm sử dụng hợp kim đồng và măng gan. Sau khi loại bỏ các nguyên tử măng gan, vật liệu sẽ xuất hiện nhiều lỗ rỗng. Đây là 1 bước tiến lớn, cải tiến tính năng của vật liệu đồng micro-nano vì trước đây vật liệu đồng nano rất dễ vỡ và không bền.

Công trình này được xuất bản trên tạp chí Biomaterials, một trong những tạp chí hàng đầu thế giới về vật liệu y sinh .

Muốn dẫn đầu trong ngành hẹp mà mình theo đuổi

Theo TS Trần Lê Nhiệm, hướng nghiên cứu chính của anh tập trung vào vật liệu self-assembly (tự lắp ráp) với các ứng dụng trong y học. Các phân tử chất béo (lipid) có thể tự lắp ráp (self-assemble) thành các cấu trúc siêu nhỏ. Chúng được chế tạo thành các hạt nano và dùng để dẫn thuốc hoặc các phân tử RNA và DNA tới nơi cần đến. Hạt nano chứa thuốc có thể tăng hiệu quả thuốc (ví dụ như của liệu pháp hóa trị trong điều trị ung thư) hoặc bảo vệ các phân tử khỏi bị phân hủy quá nhanh trong cơ thể.

TS Nhiệm Trần và một số thành viên nhóm nghiên cứu lipid

“Hiện nay, các loại vắc xin Covid-19 như Pfizer hay Modena đã ứng dụng hạt nano lipid để dẫn mRNA và đạt được hiệu quả cao. Phân tử mRNA rất mong manh, để giữ nó nguyên vẹn đã là 1 kỳ tích” - anh nói.

Anh Nhiệm cho biết muốn tìm hiểu và chế tạo phân tử lipid và hạt nano lipid mới với các cấu trúc có thể điều khiển được.

Ngoài ra, anh Nhiệm và các công sự cũng thử nghiệm hạt lipid trên động vật nhằm tìm hiểu hiệu quả của chúng trong việc chữa trị các loại ung thư như ung thư buồng trứng, ung thư não…

Mô tả các cấu trúc lập phương được tạo ra nhờ quá trình tự lắp ráp (self-assembly) của các phân tử lipid. Các hạt nano lipid có thể dùng để chứa nhiều loại thuốc khác nhau. Ảnh: TS Trần Lê Nhiệm

Là tiến sĩ Vật lý nhưng các vật liệu mà anh Nhiệm nghiên cứu đều hướng tới ứng dụng trong y học. Hướng đi này của anh có bóng dáng của một giảng viên thời đại học.

“Khi đó thầy Nguyễn Hữu Đức hướng dẫn luận văn cho mình. Trước khi mình đi du học, thầy khuyên mình là phải làm thế nào để nghiên cứu ứng dụng. Thầy nghĩ những hướng nghiên cứu liên quan đến y sinh sẽ rất quan trọng trong tương lai, khi mà con người có tuổi thọ dài hơn” – anh Nhiệm nhớ lại.

Làm xong tiến sĩ ở Mỹ, anh Nhiệm tiếp tục làm postdoc tại một bệnh viện về chấn thương chỉnh hình. Tại đây, các bác sỹ chỉnh hình muốn tìm một vật liệu mới chống nhiễm khuẩn trong các ca mổ. Đó cũng là là cơ duyên đưa anh Nhiệm đến nghiên cứu chế tạo các lớp phủ bọc trên dụng cụ trong chấn thương chỉnh hình.

Đến khi sang Úc, các dự án mà anh tham gia đều ít nhiều liên quan đến Hóa học. Do đó, anh Nhiệm trở thành người của khoa Hóa học ứng dụng, Đại học RMIT.

Nhìn lại hành trình của mình, dù từng trải qua khá nhiều trúc trắc từ khi xin học bổng cho đến công việc sau này, anh Nhiệm nhìn nhận mình may mắn hơn nhiều đồng nghiệp vì vẫn được theo đuổi đam mê nghiên cứu của mình.

Không ít lần gặp bế tắc trong nghiên cứu, anh cho rằng đây là điều bình thường và kỹ năng quan trọng nhất của một nhà khoa học chính là biết thích nghi với nhiều môi trường khác nhau cũng như biết cách xử lý những phát sinh.

“Các giáo sư lớn cũng hay 'kẹt'. Nhưng nếu cộng tác với nhiều người trong nhiều ngành khác nhau thì mình sẽ dễ 'thoát kẹt' hơn. Mình thường học được rất nhiều từ việc trao đổi với các đồng nghiệp, đặc biệt là những người trong một ngành hoàn toàn khác. Họ cũng luôn có những vấn đề không giải quyết được và từ đó mình lại có ý tưởng mới cho các đề tài nghiên cứu chung. Nếu mình cứ giữ những mối quan hệ công tác như thế thì mình sẽ có nhiều bài toán để giải quyết hơn” – anh Nhiệm nói.

Mục tiêu của anh Nhiệm và công sự là phải luôn dẫn dầu trong ngành hẹp của mình.

Lan Anh