MIT phát triển vật liệu tự phục hồi dựa trên hiện tượng đông máu

Mô hình mô phỏng quá trình đông máu, các tiểu huyết cầu màu vàng kết dính với nhau bởi cácyếu tố Willebrand (vWF).

Đông máu là một cách thức cơ thể tự chữa trị sau tổn thương từ cấp độ nhỏ nhất. Quá trình này diễn ra nhanh, đáng tin cậy và liên tục trong từng phút mà chúng ta không hề hay biết. Dựa trên hiện tượng này, một nhóm dẫn đầu bởi phó giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật Alfredo Alexander-Katz thuộc học viện công nghệ Massachusetts (MIT) đang tiến hành nghiên cứu và tìm cách tạo ra các vật liệu tự phục hồi.

Quá trình đông máu có vẻ như rất đơn giản. Nếu như bạn bị đứt tay, cơ thể sẽ tự động ngưng chảy máu và vết thương sẽ liền miệng. Tuy nhiên, những gì đơn giản mà chúng ta nhìn thấy bên ngoài kỳ thực lại là một cơ chế sinh học phức tạp liên quan đến nhiều quy trình hóa học và cơ học mà đến nay giới khoa học vẫn chưa hiểu rõ hết.

Khi hiện tượng đông máu xảy ra, cơ thể sẽ phải vận động một tổ hợp các phân tử hiện diện trong các mô và dòng máu. Rất nhiều trong số các phân tử này trôi trong các tĩnh mạch và động mạch như những túi cứu thương cá nhân siêu nhỏ chờ được sử dụng. Nếu một mạch máu bị tổn thương hoặc một tế bào chết đi, tổ hợp phân tử sẽ thiết lập một chuỗi các sự kiện nhằm ngăn máu chảy ra và bảo vệ vết thương khỏi nhiễm trùng. Nhóm nghiên cứu tại MIT đã tập trung sự chú ý vào chỉ một phần của quy trình liên quan, đó là: quá trình đông máu đã sử dụng dòng máu để vá vết thương như thế nào?

Những gì họ phát hiện được trái ngược với dự đoán. Thông thường khi dòng chất lỏng đang chảy, nó sẽ giữ trạng thái lỏng và ngăn tình trạng đông đặc. Đây cũng là nguyên lý của các loại máy trộn xi-măng hay máy làm thức uống đông lạnh Slurpee. Việc khuấy đều xi-măng hoặc đồ uống sẽ ngăn các tinh thể hình thành - nguyên nhân biến chất lỏng thành chất rắn. Với máu, nguyên lý này ngược lại. Máu chảy càng nhanh thì các cục máu đông hình thành càng nhanh. Theo Alexander-Katz, "Một phần của quá trình đông máu là hóa học và một phần là cơ học, chính dòng máu thực hiện cả 2 yếu tố hóa-cơ này."

Quy trình được nhóm nghiên cứu liên quan đến các tiểu huyết cầu và một loại phân tử biopolymer có tên gọi yếu tố Willebrand (vWF). Các tiểu huyết cầu là những tế bào máu không nhân nắm giữ rất nhiều chức năng trong quá trình đông máu. Trong trường hợp này, chúng sẽ đóng vai trò như các viên gạch hình thành nên một cục máu đông. Về phần vWF, đây là một chuỗi phân tử dài trôi trong dòng máu và cuộn lại như một cuộn băng dính. Khi cơ thể xuất hiện vết thương, lưu lượng máu tăng lên, dòng máu sẽ kéo dãn vWF.

Ở trạng thái cuộn tròn bình thường, vWF sẽ trôi tự do trong dòng máu nhưng khi được kéo dãn, bề mặt bám dính của vWF sẽ lộ ra ngoài và bắt đầu bắt lấy các tiểu huyết cầu. Khi dòng máu di chuyển nhanh hơn, sẽ có thêm nhiều phân tử được kéo dãn. Các phân tử cũng bắt lấy nhau và hình thành một "nút thắt" trong vòng chỉ vài giây. Tuy nhiên, quá trình đông máu cũng được kiểm soát chặt chẽ nhằm đảm bảo không làm tắt mạch máu. Các nút thắt sẽ được cắt bởi những "chiếc kéo phân tử". Khi lưu lượng máu tăng, quá trình đông máu sẽ diễn ra liên tục cho đến khi những chiếc kéo phân tử không thể theo kịp công việc. Và khi lưu lượng máu giảm, máu đông bắt đầu phân rã và những chiếc kéo phân tử sẽ trở lại với công việc của mình.

Nghiên cứu trên mang lại một mô hình mới dành cho các vật liệu tự phục hồi. Những vật liệu như vậy đã từng xuất hiện trước thế chiến thứ II nhưng nguyên lý hoạt động còn rất sơ khai. Một số sử dụng một lớp vật liệu có thể dãn nở để bít lỗ thủng. Số khác dựa trên các ống mao dẫn chứa nhựa cây và khi vật liệu bị hư hại, nhựa sẽ trào ra từ các ống mao dẫn và khô cứng lại để sửa chữa. Tuy nhiên, hiện tượng đông máu linh hoạt hơn bởi chúng hình thành dưới các điều kiện nhất định và phân rã khi những điều kiện này không còn thích hợp. Quan trọng hơn, chúng không chỉ đơn thuần là một hợp chất giúp hàn gắn mà là cả một cấu trúc định hình với tốc độ rất nhanh và có thể đảo ngược. Bằng cách mô phỏng cơ chế đông máu, nhóm nghiên cứu tại MIT tin rằng họ có thể tìm ra một loạt các ứng dụng. Không chỉ dừng lại ở vật liệu tự phục hồi, cơ chế đông máu còn có thể được sử dụng trong các vật liệu tự lắp ghép hay lốp xe tự vá.

Phát hiện của MIT hiện đã được đăng tải trên tạp chí online Nature Communications.