Vào tháng 10 năm 2023, nhóm nghiên cứu của Đại học Đông Nam đã đạt được bước đột phá đáng chú ý trong lĩnh vực y học chính xác: phát triển thành công một loại "chip nội tạng người" tiên tiến. Ngay từ năm 2016, công nghệ y sinh của chip nội tạng người đã được Diễn đàn Kinh tế Thế giới ở Davos chọn là "một trong mười công nghệ mới nổi" và được coi là công nghệ cốt lõi quan trọng mà Trung Quốc cần vượt qua trong lĩnh vực y sinh.

Công nghệ chip nội tạng con người là gì?

"Chip cơ quan con người" không phải là một thành tựu khoa học đơn lẻ mà là sự tích hợp chéo của nhiều công nghệ tiên tiến như khoa học tế bào gốc, kỹ thuật vật liệu sinh học và công nghệ xử lý nano.

Những con chip này là hệ thống vi sinh lý cơ quan rất phức tạp được chế tạo trong ống nghiệm có thể bắt chước các chức năng khác nhau của các mô của con người.

Thiết kế như vậy không chỉ giảm nhu cầu thí nghiệm trên động vật và người mà còn cho phép sàng lọc và đánh giá hiệu quả hơn các loại thuốc mới tiềm năng, từ đó đẩy nhanh đáng kể quá trình phát triển thuốc.

Trong quá trình đột phá của công nghệ này, vật liệu nano đóng một vai trò quan trọng.

Vật liệu nano có thể bắt chước cấu trúc và chức năng của tế bào trong các hệ thống sinh học do kích thước cực kỳ nhỏ và các đặc tính hóa lý đặc biệt cao của chúng.

Những vật liệu nano này thường được sử dụng theo nhiều cách khác nhau để xây dựng và hỗ trợ cấu trúc vi mô của chip nội tạng con người, cung cấp các điều kiện gần gũi hơn với môi trường sinh học, do đó giúp kết quả thử nghiệm thuốc chính xác hơn.

Hình 1 Chip hạch nhiều ngăn có thể đo khả năng vận động của tế bào miễn dịch khi phản ứng với thuốc. Nguồn hình ảnh: Tham khảo [1]

Vật liệu nano: viên đá ma thuật của thế giới vi mô

Vật liệu nano, một loại vật liệu tiên tiến có kích thước nanomet, đã thu hút sự chú ý rộng rãi của cộng đồng khoa học và ngành công nghiệp.

Một nanomet là một đơn vị chiều dài cực kỳ nhỏ, chỉ một phần tỷ mét. Bởi vì quy mô của nó quá nhỏ nên nó hoàn toàn nằm ngoài khả năng phát hiện của thị giác con người.


Hình thái bột nano dưới kính hiển vi điện tử. Nguồn hình ảnh: Tham khảo [2]

Một sợi tóc của con người có chiều rộng khoảng 80.000 ~ 100.000 nanomet, vì vậy kích thước nano chỉ bằng một phần trăm nghìn chiều rộng của một sợi tóc; giấy thông thường dày khoảng 100.000 nanomet, có nghĩa là kích thước nano chỉ bằng một phần trăm nghìn của nó; Móng tay con người phát triển khoảng 1 nanomet mỗi giây.

Khi các chất co lại ở cấp độ nano, các đặc tính của chúng như màu sắc, cường độ, độ dẫn điện và khả năng phản ứng hóa học thường thay đổi đáng kể.

Những thay đổi này chủ yếu là do ở quy mô nanomet, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích vật chất tăng lên rất nhiều và hiệu ứng lượng tử cũng bắt đầu trở nên đáng kể.

Hiện tượng này mang lại tiềm năng ứng dụng to lớn cho vật liệu nano trong nhiều lĩnh vực, bao gồm y tế, năng lượng và công nghệ thông tin.

Ý tưởng thiết kế của Chip nội tạng

Chip nội tạng không chỉ là một kỳ tích của công nghệ sinh học mà còn là sản phẩm của sự giao thoa giữa sinh học tế bào và khoa học vật liệu.

Những con chip này không được thiết kế để tái tạo một cơ quan sống hoàn chỉnh mà để mô phỏng các chức năng cơ bản của các cơ quan con người bằng cách lắp ráp các tế bào nuôi cấy thành cấu trúc mô ba chiều. Mục tiêu cốt lõi là thiết lập một đơn vị chức năng tối thiểu có thể kiểm soát được, mô phỏng trạng thái sinh lý của cơ thể con người.

Organ-on-a-chip kết hợp sự tiện lợi của phương pháp nuôi cấy tế bào người truyền thống với độ chính xác sinh học cao của hệ thống cơ quan.

Thông qua các kỹ thuật kỹ thuật đơn giản nhưng phức tạp, những con chip này có thể tạo ra các đơn vị nhỏ nhất có thể dự đoán chức năng của các cơ quan.

Sử dụng công nghệ cơ quan trên chip, các nhà khoa học và bác sĩ không chỉ có thể thu thập thông tin đa dạng về di truyền, sinh lý và bệnh lý của con người mà còn giảm đáng kể rủi ro trong quá trình phát triển thuốc và thúc đẩy hơn nữa việc triển khai y học chính xác.

Sơ đồ kết nối các chip nội tạng. Nguồn ảnh: Tham khảo [3]

Ứng dụng đa dạng của vật liệu nano trong lĩnh vực khoa học công nghệ

Vật liệu nano ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ, không chỉ mang đến những thay đổi mang tính cách mạng mà còn giải quyết hàng loạt vấn đề tồn tại từ lâu.

Trong khoa học vật liệu, công nghệ nano đã đạt được những bước đột phá chưa từng có.

Ví dụ, ống nano carbon không chỉ siêu bền mà còn cực kỳ nhẹ. Hiệu suất tuyệt vời này làm cho nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị như máy bay, ô tô cao cấp và các dụng cụ khoa học chính xác.

Ống nano carbon có thể giảm đáng kể trọng lượng tổng thể của các thiết bị này, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất và hiệu suất vận hành của chúng.

Không chỉ vậy, trong cuộc sống hàng ngày, dao gốm nano cũng nhận được sự quan tâm rộng rãi. Khối lượng của nó chỉ bằng 1/6 thép nhưng độ cứng lại gấp trăm lần thép.

Vật liệu nano cũng có tiềm năng lớn trong lĩnh vực y tế. Những vật liệu này không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất thuốc hiệu quả hơn mà còn có thể đưa thuốc điều trị trực tiếp đến các vùng bị bệnh thông qua việc phân phối chính xác ở cấp độ nano.

Công nghệ này cải thiện đáng kể hiệu quả điều trị của thuốc đồng thời giảm đáng kể tác dụng phụ cho bệnh nhân.

Ví dụ: các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sử dụng vật liệu nano mô phỏng sinh học để phân phối thuốc có thể cải thiện tính ổn định của cấu trúc nano và giảm các vấn đề rò rỉ thuốc, từ đó đạt được hiệu quả điều trị khối u chính xác và hiệu quả hơn.

Ngoài ra, công nghệ nano cũng đang được sử dụng để sản xuất vật liệu y tế sinh học, chẳng hạn như khớp nhân tạo và cơ quan nhân tạo, mang lại cơ hội đổi mới mới cho lĩnh vực y tế.

Vật liệu nano còn vượt trội về năng lượng và bảo vệ môi trường. Ví dụ, các nhà nghiên cứu từ Đại học Lan Châu và Đại học Hữu nghị Nhân dân Nga đã phát triển chất xúc tác nano lai có thể nhanh chóng loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi nước mà không cần bất kỳ dung môi mạnh nào.

Vật liệu nano này có thể loại bỏ hiệu quả nhiều loại thuốc nhuộm khác nhau khỏi dung dịch nước chỉ trong vài phút, do đó cải thiện đáng kể hiệu quả xử lý nước và góp phần tích cực vào việc bảo vệ môi trường của chúng ta.

Vật liệu nano được ví như "Lego" của thế giới khoa học công nghệ, cho thấy triển vọng ứng dụng ấn tượng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ các thiết bị hiệu suất cao đến nghiên cứu y học đến bảo vệ môi trường, việc ứng dụng vật liệu nano đang mang lại những tác động sâu rộng và những thay đổi tích cực cho cuộc sống của chúng ta.

Nhìn chung, phạm vi ứng dụng của vật liệu nano không ngừng mở rộng, mang lại lợi ích to lớn cho nhiều lĩnh vực khác nhau của xã hội loài người.

Trong tương lai, với sự tiến bộ không ngừng của khoa học và công nghệ, tôi tin rằng triển vọng ứng dụng của vật liệu nano sẽ rộng hơn, mang lại nhiều khả năng hơn cho cuộc sống của chúng ta.

Tài liệu tham khảo

[1]N.Hallfors,A.Shanti,etal.M ulti-Ngăn Lymph-Node-on-a-ChipEnablesĐo lường tế bào miễn dịchMotilityinResponsetoDrugs.Bioe ngineering2021,8(2),19.

[2]WeiLietal.Programmablesynthesofradient-structured mesoporouscarbonnanosphereswithtunablecore-shellarchitectures.Chem,202 1,7,1020-1032.

[3]K.R.Bouchard,G.Vunjak-Novakovic.Organs-on-a -Chip:Afasttrackforengineeredhumantissuesindrugdevelopment.CellStemCell2018,22,310-324.

[4]Su,J.,Musgrave,C.B.,Song,Y.etal.Strainenhancestheactivityofmolecul là các chất xúc tác điệnviacarbonnanotubesupports.Nat.Catal.2023,6,818–828.