Các nhà khoa học ngày nay luôn cố gắng nghiên cứu để tạo ra những vật liệu nhân tạo mới giúp ích cho các công trình khác nhau. Hiện nay, graphene hay kevlar là những vật liệu chịu lực rất tốt trên thị trường. Tuy nhiên, các nhà khoa học mới đây đã nghiên cứu ra một loại sợi cơ tổng hợp nhân tạo mới có khả năng chịu lực tốt hơn cả 2 loại này. Loại vật liệu này có tiềm năng để ứng dụng trong sản xuất đồ bảo hộ và lĩnh vực y sinh. Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu xem đó là loại vật liệu gì và khả năng chịu lực của nó tốt như thế nào qua bài viết sau đây.
Sử dụng vi khuẩn để tạo ra protein cơ tổng hợp
Các nhà nghiên cứu ở Trường Kỹ thuật McKelvey tại Đại học Washington ở St. Louis phát triển phương pháp hóa học tổng hợp để polyme hóa protein bên trong vi khuẩn đã chỉnh sửa. Nó cho phép vi khuẩn sản sinh loại protein cơ bắp cao phân tử, titin, có thể xe thành sợi. Họ công bố nghiên cứu hôm 30/8 trên tạp chí Nature Communications.
Theo Fuzhong Zhang, giáo sư Khoa năng lượng, môi trường và kỹ thuật hóa học, thành phẩm có giá thành rẻ và có thể mở rộng quy mô. Nó có nhiều ứng dụng mà trước đây chỉ có thể dùng sợi cơ tự nhiên. Hiện nay, những ứng dụng đó có thể trở thành hiện thực mà không cần dùng mô động vật.
Mặc dù việc phát triển các vật liệu nhân tạo có vẻ dễ dàng, nhưng không phải vậy. Đôi khi các yếu tố tự nhiên vượt quá chúng. Một ví dụ về điều này là cơ bắp. Khi cố gắng tạo ra các cơ nhân tạo bằng các vật liệu như polyme hoặc sợi carbon, chúng đã được chứng minh là mạnh mẽ và chống lại. Nhưng khó sản xuất và, hơn nữa, kém hơn so với các đối tác tự nhiên của họ.
Đó là lý do tại sao nhóm các nhà nghiên cứu bắt đầu trực tiếp chế tạo cơ tổng hợp. Protein cơ nhân tạo mà phòng thí nghiệm của Zhang sản xuất là titin. Đây là một trong ba thành phần protein quan trọng của mô cơ. Kích thước phân tử lớn của titin đóng vai trò quan trọng đối với đặc tính cơ học của nó. Đây là protein lớn nhất được biết tới trong tự nhiên, theo Cameron Sargent, nghiên cứu sinh tiến sĩ ở Khoa Sinh học và Y sinh, đồng tác giả nghiên cứu.
Sự kết hợp độc đáo bền và chắc hơn
Trong suốt thời gian dài, giới nghiên cứu tìm cách thiết kế vật liệu mới bền chắc hơn. Với đặc điểm tương tự cơ bắp với nhiều ứng dụng đa dạng như robot mềm. Nhằm khắc phục một số vấn đề ngăn vi khuẩn sản sinh protein lớn, nhóm nghiên cứu chỉnh sửa vi khuẩn để ghép những đoạn protein nhỏ thành polymer cao phân tử nặng cỡ 2 MDa. Megadalton, dalton là đơn vị khối lượng nguyên tử, bằng 1/12 khối lượng của nguyên tử carbon 12. Nó gấp khoảng 50 lần kích cỡ một protein vi khuẩn trung bình.
Sau đó, họ sử dụng quá trình kéo sợi ướt để biến đổi protein thành sợi. Các sợi này có đường kính khoảng 10 micron, hay 1/10 độ dày sợi tóc người.
Cộng tác với Young Shin Jun, giáo sư ở Khoa Năng lượng, Môi trường & Kỹ thuật hóa học và Sinan Keten, giáo sư ở Khoa Kỹ thuật cơ học tại Đại học Northwestern, nhóm nghiên cứu phân tích cấu trúc sợi để xác định cơ chế phân tử tạo ra sự kết hợp độc đáo giữa độ bền, chắc và khả năng giảm chấn để phân tán năng lượng cơ học dưới dạng nhiệt. Loại sợi mới thậm chí còn bền hơn Kevlar, vật liệu sử dụng phổ biến cho áo chống đạn.
Ngoài làm quần áo bảo hộ hoặc áo chống đạn, vật liệu này cũng có nhiều ứng dụng y sinh. Do gần giống hệt protein trong mô cơ, vật liệu nhân tạo mới có sự tương tích sinh học. Do đó có thể là lựa chọn tuyệt vời để khâu phẫu thuật và chỉnh sửa mô.
