Hình 1. Trung tâm của giác mạc nhân tạo (trên bao tay) được phủ bởi lớp lông giúp tiêu diệt tế bào vi khuẩn. Nguồn: (2)
Một nhóm nghiên cứu ở Đại học California, Irvine, đã tạo ra giác mạc nhân tạo vô khuẩn dựa trên nguyên tắc diệt khuẩn trên cánh của các loài côn trùng như ve sầu (Psaltoda claripennis) và chuồn chuồn (Diplacodes bipunctata). Được chế tạo từ nhựa polymethylmethacrylate (PMMA), giác mạc nhân tạo với bề mặt diệt khuẩn có thể tiêu diệt được nhiều loại vi khuẩn có vách tế bào mỏng, chẳng hạn như Escherichia coli (1) mà không cần sử dụng lớp phủ biocide chuyên biệt (một loại chất kháng khuẩn) hoặc thuốc kháng sinh (2).
Hiện nay, nhu cầu thay giác mạc đang ngày càng tăng cao. Hàng năm, có khoảng 300.000 người Việt Nam bị mù do hỏng giác mạc (3). Tuy nhiên, phương pháp ghép giác mạc truyền thống (dùng giác mạc hiến tặng) gặp nhiều khó khăn vì không đủ số lượng giác mạc hiến tặng để thay thế cho bệnh nhân. Bên cạnh đó, nhiều trường hợp bị thải ghép dẫn đến thất bại trong việc cấy ghép giác mạc.
Trong nhiều thập niên qua, màng sinh học (biofilm) đã được nghiên cứu nhằm phát triển được các loại bề mặt nhân tạo. Tuy nhiên vẫn phải dùng biocide hoặc kháng sinh để có thể ngăn ngừa hoặc làm giảm sự gắn kết và phát triển của vi khuẩn trên các bề mặt đó (4,5). Để khắc phục nhược điểm này, các nhà khoa học đang nghiên cứu và chế tạo ra bề mặt kháng khuẩn nhân tạo có cấu trúc tương tự như cấu trúc vật lý đặc biệt của cánh ve sầu và cánh chuồn chuồn. Chính cấu trúc đặc biệt này giúp tiêu diệt các vi khuẩn trên bề mặt cánh của chúng một cách rất hiệu quả.
Dựa vào sự tương tác vật lý giữa tế bào vi khuẩn và cấu trúc bề mặt cánh ve sầu ở kích thước nano (nanopillar), cánh ve sầu đã được chứng minh là có khả năng tiêu diệt được các loại vi khuẩn gram âm như Branhamella catarrhalis, Escherichia coli, và Pseudomonas fluorescens (6). Khi vi khuẩn tiếp xúc với bề mặt cánh ve sầu, các nanopillar sẽ xuyên thủng tế bào vi khuẩn làm cho các thành phần của tế bào vi khuẩn thoát ra ngoài, tế bào vỡ ra và vi khuẩn bị tiêu diệt trong vòng năm phút (7). Tuy nhiên, với cơ chế này, cánh ve sầu lại không có khả năng tiêu diệt những vi khuẩn gram dương như Bacillus subtilis, Planococcus maritimus, và Staphylococcus aureus (8) vì chúng có vách tế bào dày hơn (2). Tương tự, cánh chuồn chuồn cũng diệt khuẩn theo cơ chế phá vỡ tế bào vi khuẩn (9). Nhưng do được cấu tạo từ các nanopillar với kích thước dài hơn và mỏng hơn, cánh chuồn chuồn được xem như “siêu bề mặt” vì nó có khả năng diệt được cả vi khuẩn gram âm như Escherichia coli và gram dương như Staphylococcus aureus (2,10).
Hình 2. Cánh ve sầu có khả năng tiêu diệt vi khuẩn gram âm. Nguồn: (1)
Hình 3. Cánh chuồn chuồn có khả năng tiêu diệt cả vi khuẩn gram dương và gram âm. Nguồn: (11)
Hiện tại, Dickson, một thành viên của nhóm nghiên cứu đang cố gắng tạo ra giác mạc có cấu trúc “siêu bề mặt” của chuồn chuồn trên PMMA. Tuy nhiên, việc chế tạo này gặp nhiều khó khăn hơn so với việc mô phỏng cấu trúc cánh ve sầu vì các nanopillar trên cánh chuồn chuồn cao và mỏng hơn so với cánh ve sầu. Bên cạnh đó, họ cũng cần phải tiến hành các thử nghiệm để có thêm bằng chứng về khả năng và thời gian tiêu diệt vi khuẩn cũng như các tác dụng phụ nếu có (1).
Tác giả: Trần Thị Bích Liễu (học viên Cao học, Đại học bang Oregon, Hoa Kỳ)
Phản biện: Phạm Duy Toàn (ĐH Naresuan, Thailand)
Tài liệu tham khảo
1. Kathiann K (2016) Plastic that mimics insect wings kills bacteria, https://student.societyforscience.org/article/plastic-mimics-insect-wings-kills-bacteria [Accessed April 3, 2016].
2. Insect wings inspire antibacterial surfaces for corneal transplants, other medical devices, http://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2016/march/cicada-nanopillars.html [Accessed April 3, 2016].
3. Isabella L, Corneal Donations and Transplants in Vietnam, http://talk.onevietnam.org/cornea-donations-and-transplants-in-vietnam/ [Accessed April 3, 2016].
4. Tiller J, Liao C, Lewis K, Klibanov A (2001) Designing surfaces that kill bacteria on contact. Proceedings of the National Academy of Sciences 98:5981-5985.
5. Bazaka K, Jacob M, Crawford R, Ivanova E (2012) Efficient surface modification of biomaterial to prevent biofilm formation and the attachment of microorganisms. Appl Microbiol Biotechnol 95:299-311.
6. Pogodin S et al. (2013) Biophysical Model of Bacterial Cell Interactions with Nanopatterned Cicada Wing Surfaces. Biophysical Journal 104:835-840.
7. Ivanova E et al. (2012) Natural Bactericidal Surfaces: Mechanical Rupture of Pseudomonas aeruginosa Cells by Cicada Wings. Small 8:2489-2494.
8. Hasan J et al. (2012) Selective bactericidal activity of nanopatterned superhydrophobic cicada Psaltoda claripennis wing surfaces. Appl Microbiol Biotechnol 97:9257-9262.
9. Ivanova E et al. (2013) Bactericidal activity of black silicon. Nature Communications 4.
10. Hasan J, Raj S, Yadav L, Chatterjee K (2015) Engineering a nanostructured “super surface” with superhydrophobic and superkilling properties. RSC Adv 5:44953-44959.
11. Anti-bacterial surfaces inspired by cicada and dragonfly wings, http://softmat.net/2012/05/anti-microbial-materials/ [Accessed April 11, 2016].
