Vật liệu sống được thiết kế (ELM) được biết đến là thứ có khả năng tự chữa lành và bổ sung vật chất sinh học và ứng phó với thiệt hại trong môi trường khắc nghiệt bằng cách sử dụng hệ thống cảm nhận và phản ứng.

Sự ra đời của ELM cũng dẫn đến việc tạo ra các vật liệu trong thế giới thực có thể tự phát hiện và chữa lành những thiệt hại của chúng, chẳng hạn như sửa vết nứt trên kính chắn gió, vết rách trên thân máy bay hoặc ổ gà trên đường. Bằng cách tích hợp các khối xây dựng vào vật liệu xây dựng tự phục hồi, các nhà khoa học có thể giảm số lượng bảo trì cần thiết và kéo dài tuổi thọ cũng như tính hữu dụng của vật liệu.

Tác giả chính, Giáo sư Tom Ellis của Khoa Kỹ thuật Sinh học tại Imperial cho biết: “Trước đây, chúng tôi đã tạo ra vật liệu sống với các cảm biến có sẵn có thể phát hiện các dấu hiệu và thay đổi về môi trường. Giờ đây, chúng tôi đã tạo ra những vật liệu sống có thể phát hiện ra thiệt hại và phản ứng với nó bằng cách tự chữa lành".

Tương tự như cách các công trình kiến trúc sử dụng các mảnh mô-đun để lắp ráp và tạo nên nhiều cấu trúc tòa nhà khác nhau, nghiên cứu này chứng minh rằng nguyên tắc tương tự có thể được áp dụng cho việc thiết kế và xây dựng các vật liệu dựa trên cellulose vi khuẩn.

Để tạo ra ELM, các nhà nghiên cứu đã biến đổi gen vi khuẩn có tên là Komagataeibacter rhaeticus để chúng tạo ra các tế bào nuôi cấy tế bào hình cầu 3D huỳnh quang, được gọi là hình cầu và cung cấp cho chúng cảm biến phát hiện tổn thương. Họ sắp xếp các khối cầu thành các hình dạng và mẫu khác nhau, chứng tỏ tiềm năng của khối cầu như các khối xây dựng mô-đun.

Họ đã sử dụng một cái đục lỗ để làm hỏng một lớp cellulose vi khuẩn dày - vật liệu giống như giàn giáo được tạo ra bởi một số vi khuẩn mà trên đó ELM được tạo ra. Sau đó, họ đưa những quả cầu mới phát triển vào các lỗ và sau khi ủ chúng trong ba ngày, họ đã thấy sự sửa chữa tuyệt vời để ổn định cấu trúc và khôi phục lại tính nhất quán và hình thức của vật liệu.

Giáo sư Ellis cho biết: “Bằng cách đặt các khối cầu vào khu vực bị hư hỏng và ủ các chất nuôi cấy, các khối có thể cảm nhận được thiệt hại và lấy lại vật liệu để sửa chữa nó".

"Phát hiện của chúng tôi mở ra hướng tiếp cận mới, trong đó vật liệu nuôi cấy có thể được sử dụng như các module với chức năng khác nhau, giống như trong xây dựng. Vật liệu sống tạo ra theo cách này rất đa dạng, chẳng hạn với tế bào men tiết protein, chúng tôi có thể sản xuất màng phim vá lành vết thương. Hormone và enzyme sinh ra từ băng gạc sẽ giúp tăng tốc độ lành da", Joaquin Caro-Astorga, trợ lý nghiên cứu ở Khoa kỹ thuật sinh học tại Đại học Hoàng gia London (ICL), trưởng nhóm nghiên cứu, giải thích. 

Patrick Rose, giám đốc khoa học tại Văn phòng nghiên cứu hải quân toàn cầu của Mỹ ở London, đơn vị đóng góp kinh phí cho nghiên cứu, chia sẻ họ muốn tăng tuổi thọ của sản phẩm, ngăn các hệ thống hỏng hóc trước khi có thể nhìn thấy vấn đề bằng mắt thường. Hiện nay, các nhà khoa học muốn phát triển nhiều khối xây dựng hình phỏng cầu hơn và tạo nhiều thiết kế phức tạp hơn, kết hợp khối xây dựng với vật liệu như cotton hoặc graphite.

Bước tiếp theo của nhóm các nhà nghiên cứu này là phát triển các khối xây dựng hình cầu mới với các đặc tính khác nhau, chẳng hạn như kết hợp chúng với các vật liệu như bông, than chì và gelatins để tạo ra các thiết kế phức tạp hơn. Điều này có thể dẫn đến các ứng dụng mới như bộ lọc sinh học, thiết bị điện tử cấy ghép hoặc miếng dán cảm biến sinh học y tế.

Được biết, đây không phải lần đầu tiên giới nghiên cứu tìm hiểu vật liệu có thể tự vá lành. Trong cuốn sách Các hệ thống tự vá lành dựa trên polymer, tác giả Martin Hager và Stefan Zechel cho biết một số loại polymer có thể làm liền vết nứt và khôi phục đặc tính cơ học.

Các nhà nghiên cứu khác cũng đang nghiên cứu khả năng sử dụng một loại nấm để tự động vá các vết nứt bê tông tại các công trình xây dựng. Phòng thí nghiệm Moore tại Đại học Illinois đang tìm cách mở rộng quy mô và thương mại hóa hệ thống tự vá lành, trong đó chất lỏng được đổ vào vết nứt để dính liền vật liệu với nhau. Phương pháp này cho phép vá khe hở rộng tới 9 mm.

Linh An