Công nghệ plasma biến đổi lớp phủ vi tảo cho vết thương

TS. Trương Vĩ Khánh và các đồng nghiệp tại Đại học Flinders (Úc) đã thực hiện thành công nghiên cứu mới và đầu tiên trong lĩnh vực ứng dụng plasma để tạo vật liệu sinh học từ tế bào tảo dùng trong việc hỗ trợ làm lành vết thương. Đây là một bước tiến đáng kể trong lĩnh vực chăm sóc vết thương.

TS. Trương Vĩ Khánh (bên phải) và sinh viên thạc sỹ Phạm Thị Giáng Tuyết – tác giả thứ nhất của nghiên cứu. Ảnh: Đại học Flinders

Theo cảnh báo của WHO, tình trạng kháng kháng sinh là một trong những mối đe dọa sức khỏe cộng đồng hàng đầu mà nhân loại phải đối mặt trong thế kỷ 21. Liên quan đến cái chết của gần 5 triệu người vào năm 2019, tình trạng này được dự báo sẽ khiến nền kinh tế thế giới thiệt hại tới 1 nghìn tỷ USD vào năm 2050 nếu như không có biện pháp giải quyết hiệu quả.

Nhiều thay đổi di truyền ở các vi khuẩn thông thường, chẳng hạn như Staphylococcus aureus Pseudomonas aeruginosa, có thể khiến chúng trở nên kháng nhiều loại kháng sinh và tạo thành “siêu vi khuẩn”. Thêm vào đó, theo TS. Trương Vĩ Khánh – Đại học Flinders (Úc), hiện nay, việc làm lành vết thương ở một số bệnh nhân, đặc biệt là bệnh nhân tiểu đường diễn ra rất chậm và tiềm ẩn rất nhiều nguy cơ nhiễm trùng nặng trong quá trình hồi phục của vết thương. 

Thực tế này đã khiến nhóm nghiên cứu đặt ra mục tiêu phát triển một phương pháp mới dựa trên plasma – trạng thái thứ tư của vật chất (ngoài ba thể thường gặp là rắn, lỏng và khí) – để điều trị vết thương hiệu quả hơn. Mới đây, kết quả nghiên cứu đã được công bố trong bài báo “Transforming Spirulina maxima Biomass into Ultrathin Bioactive Coatings Using an Atmospheric Plasma Jet: A New Approach to Healing of Infected Wounds” trên tạp chí Công nghệ nano Small.

Thúc đẩy tiềm năng của tảo xoắn

Ý tưởng nghiên cứu khởi nguồn khi nhóm của TS. Trương Vĩ Khánh phát hiện ra những hợp chất hữu cơ trong tảo xoắn có khả năng thúc đẩy quá trình hồi phục vết thương – một đặc tính rất đáng chú ý. Tuy nhiên, “do tảo xoắn có thành tế bào dày và cấu trúc khá phức tạp nên đòi hỏi quá trình chiết xuất và xử lý công phu, trong khi đó hợp chất thu được lại không cao và dễ lẫn tạp chất”, TS. Khánh chia sẻ với Báo KH&PT. “Vì vậy, nhóm nghiên cứu quyết định sử dụng công nghệ plasma áp suất không khí (atmospheric plasma) để làm lời giải cho các vấn đề còn tồn đọng của các phương pháp truyền thống”. 

Công nghệ mới của nhóm ứng dụng plasma để xử lý bền vững sinh khối Spirulina maxima – một loại vi tảo màu xanh lam – thành lớp phủ siêu mỏng hoạt tính sinh học có thể áp dụng cho băng vết thương và các thiết bị y tế khác, có khả năng bảo vệ bệnh nhân khỏi bị nhiễm trùng, đẩy nhanh quá trình lành vết thương và kiểm soát tình trạng viêm.

Những lớp phủ này không chỉ ngăn ngừa nhiễm trùng do vi khuẩn mà còn thúc đẩy quá trình lành vết thương nhanh hơn và có đặc tính chống viêm mạnh. Đây là một kết quả đầy hứa hẹn, đặc biệt là trong việc điều trị các vết thương mãn tính, thường gây ra nhiều thách thức do thời gian lành vết thương kéo dài. Phương pháp tiếp cận mới có thể làm giảm nguy cơ phản ứng độc hại với bạc và các hạt nano khác cũng như tình trạng kháng kháng sinh gia tăng đối với các lớp phủ thương mại thông thường được sử dụng trong băng bó vết thương.

Theo TS. Trương Vĩ Khánh (Phòng thí nghiệm kỹ thuật nano y sinh của Đại học Flinders, Úc), kỹ thuật mới này có thể dễ dàng áp dụng cho cả các loại chất bổ sung tự nhiên khác. “Chúng tôi đang sử dụng công nghệ phủ plasma để biến bất kỳ loại sinh khối nào – trong trường hợp này là Spirulina maxima – thành lớp phủ cao cấp bền vững”, TS. Khánh chia sẻ. “Với công nghệ này, chúng tôi có thể biến sinh khối thành lớp phủ băng vết thương và đây là công nghệ plasma đầu tiên trong lĩnh vực này”.

Thực tế, chiết xuất Spirulina maxima vẫn thường được sử dụng làm chất bổ sung protein và dùng để điều trị các rối loạn về da như bệnh chàm, bệnh vẩy nến và các tình trạng khác. Song, để biến tảo xoắn thành lớp phủ cho vết thương lại là cả một câu chuyện không đơn giản.

“Quá trình nghiên cứu trải qua rất nhiều bước và công đoạn phức tạp”, TS. Khánh nhớ lại. “Do tính đặc thù của vật liệu, hệ thống plasma cần phải được xây dựng sao cho đảm bảo việc bảo toàn đặc tính hữu ích của các hợp chất được nhắm tới, đồng thời, đủ mạnh để có thể trích ly được lượng hợp chất nhiều nhất”. Bên cạnh đó, nhóm cũng đã phải trải qua rất nhiều thử nghiệm để có thể tìm được điều kiện vận hành phù hợp cho việc phủ tảo lên vật liệu. “Cũng không thể không nhắc đến việc lựa chọn nguồn tảo có đặc tính phù hợp”, TS. Khánh nói thêm. Sau nhiều tìm hiểu, nhóm nghiên cứu lựa chọn tảo Spirulina maxima do loại tảo này có hệ thống sinh sản đơn giản tạo ra sinh khối chứa các hợp chất hoạt tính sinh học, bao gồm phycocyanin, anthocyanin và oligosaccharide, cũng như thể hiện hoạt động chống oxy hóa mạnh có thể chống lại tác hại của tình trạng viêm nhiễm tại vị trí vết thương, và có các đặc tính kháng khuẩn mạnh rất quan trọng để ngăn ngừa nhiễm trùng.

Song, điểm khó nhất trong thí nghiệm của nhóm TS. Khánh lại nằm ở khâu tìm điều kiện vận hành phù hợp để tối ưu hóa được khả năng làm lành vết thương của vật liệu. “Nhóm đã phải tiến hành việc thử nghiệm rất nhiều mẫu với rất nhiều nguyên mẫu đầu phun plasma khác nhau trong suốt cả quá trình”, TS. Khánh cho biết. Ngoài ra, điều kiện vận hành cũng phải luôn được đảm bảo thực hiện giống nhau trong các lần thử nghiệm – một yêu cầu đòi hỏi tính tỉ mỉ và tinh thần tuân thủ kỷ luật cao.

 Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu đã kết hợp rất nhiều kiến thức vật lý, hoá học, sinh học và cả cơ khí để có thể tìm lời giải cho các vấn đề đã gặp phải. “Điều may mắn là chúng tôi có một tập thể mạnh với nhiều nghiên cứu viên và sinh viên ở nhiều nhóm ngành khác nhau, cùng phối hợp làm việc, đồng thời, đội ngũ quản lý có nhiều kinh nghiệm đã giúp chúng tôi tiết kiệm thời gian và công sức rất nhiều trước mật độ công việc dày đặc”, TS. Khánh chia sẻ.

Hướng đi tương lai

Điều khiến nhóm nghiên cứu tự hào và cũng là “điều đặc biệt nhất trong nghiên cứu này, chính là hệ thống plasma được xây dựng hoàn toàn tại lab của chúng tôi (inhouse), các chi tiết được in 3D và được lắp ráp hoàn toàn thủ công, không thông qua bất kỳ đơn vị gia công nào khác, vì vậy đảm bảo tính an toàn về mặt sở hữu trí tuệ”, TS. Khánh cho biết. 

Thêm vào đó, đây cũng là nghiên cứu mới và đầu tiên trong lĩnh vực ứng dụng plasma để tạo vật liệu sinh học từ tế bào tảo dùng trong việc hỗ trợ làm lành vết thương. Theo TS. Khánh, kết quả nghiên cứu của nhóm đã khẳng định vật liệu có khả năng làm tăng tốc độ hồi phục và giảm đáng kể nguy cơ nhiễm khuẩn trong quá trình hồi phục. “Nghiên cứu đã mở ra một hướng đi mới trong quá trình ứng dụng các hoạt chất sinh học vào các nền tảng vật liệu y sinh đã có sẵn. Kết quả này cũng đã và đang mở rộng tầm hoạt động của công nghệ plasma trong lĩnh vực y sinh. Ngoài ra, nghiên cứu đã nâng cao giá trị sử dụng của các đối tượng sinh vật đơn thuần như tảo xoắn, tăng thêm lợi ích về mặt kinh tế”, TS. Khánh cho hay.

Với việc đã đăng ký bằng sáng chế, trong tương lai, nhóm sẽ nỗ lực để chuyển giao công nghệ này vào trong quá trình sản xuất công nghiệp các vật tư y tế dùng trong lĩnh vực hỗ trợ hồi phục vết thương. Ngoài ra, nhóm sẽ tiếp tục đào sâu, khai thác các ứng dụng khác của plasma trong việc chế tạo vật liệu y sinh. “Vì hướng nghiên cứu còn rất mới nên nhóm vẫn còn rất nhiều câu hỏi phải trả lời trong tương lai”, TS. Khánh cho biết thêm.

GS. Krasimir Vasilev – đồng tác giả nghiên cứu và là Giám đốc Phòng thí nghiệm kỹ thuật nano y sinh – cho biết công nghệ này cung cấp giải pháp tốt hơn cho các sản phẩm thương mại hiện tại, bao gồm lớp phủ bạc, vàng và đồng, đồng thời là một công cụ quan trọng để chống lại kháng kháng sinh.

“Quy trình xử lý mới được hỗ trợ bằng plasma này có thể cải thiện quá trình chiết xuất và tinh chế các hợp chất hữu ích từ sinh khối mà không cần dung môi có hại và tiêu tốn nhiều năng lượng”, GS. Vasilev cho biết trong thông cáo báo chí của Đại học Flinders.

“Chúng tôi hiện đang khai thác các con đường để thương mại hóa công nghệ độc đáo này. Hiện tại, không có loại băng vết thương thương mại nào có thể đồng thời chống lại và bảo vệ khỏi nhiễm trùng, kiểm soát tình trạng viêm một cách thuận lợi và kích thích quá trình lành vết thương”, ông cho biết. “Chúng tôi tin rằng công nghệ này sẽ mang lại lợi thế thị trường cho các nhà sản xuất băng vết thương y tế, và thông qua các bệnh viện, sẽ tạo ra sự khác biệt cho việc chăm sóc sức khỏe và bệnh nhân.”

Mỹ Hạnh

(Bài đăng ở Báo KH&PT số 47)

Tác giả