Nhà khoa học Việt giải bài toán “khó phân hủy” của vật liệu silica

Nghiên cứu “Vật liệu nano silica hữu cơ xốp phân hủy sinh học và phương pháp tạo ra vật liệu này” được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của PGS.TS Đoàn Lê Hoàng Tân và TS. Mai Ngọc Xuân Đạt - Viện Công nghệ Vật liệu Tiên tiến ĐHQG-HCM, GS.TS Phan Bách Thắng - Trường Đại học Khoa học Sức khỏe, ĐHQG-HCM.

Sau thời gian dài thực hiện, đề tài nghiên cứu cấp nhà nước này đã được nghiệm thu và cấp bằng độc quyền sáng chế, thuộc quyền sở hữu của Viện Công nghệ Vật liệu Tiên tiến ĐHQG-HCM.

Giải quyết đồng thời nhiều bài toán

Đại diện nhóm, PGS.TS Đoàn Lê Hoàng Tân cho biết đây không chỉ là một lựa chọn ngẫu nhiên, mà xuất phát từ quá trình nghiên cứu lâu dài của nhóm về vật liệu xốp nano, đặc biệt là silica mao quản và vật liệu khung kim loại-hữu cơ (MOF).

Tuy nhiên, hạn chế của các vật liệu silica truyền thống dần bộc lộ rõ, như khó phân hủy trong cơ thể, tiềm ẩn nguy cơ tích tụ sinh học.

“Chúng tôi đặt câu hỏi, liệu có thể thiết kế một loại silica vừa giữ được cấu trúc xốp, vừa có khả năng phân hủy sinh học hay không?”, ông nói.

Từ câu hỏi này, nhóm bước vào một hướng nghiên cứu mới đầy thách thức, khi phải đồng thời kiểm soát cấu trúc xốp, thu nhỏ kích thước xuống mức nano và đảm bảo cơ chế phân hủy sinh học. Đây là những yếu tố vốn khó tồn tại cùng lúc một vật liệu silica.

Khó khăn lớn nhất nằm ở việc giữ được cấu trúc vật liệu khi kích thước giảm xuống rất nhỏ. Khi hạt chỉ kích thước nanomet, cấu trúc xốp dễ bị phá vỡ hoặc trở nên kém ổn định. Nhóm đã phải thử nghiệm nhiều điều kiện tổng hợp khác nhau, từ tiền chất, dung môi, pH đến nhiệt độ phản ứng để tìm ra công thức phù hợp.

Để giải bài toán này, nhóm sử dụng phương pháp sol-gel kết hợp với chất tạo cấu trúc. Trong quá trình tổng hợp, các tiền chất silica hữu cơ được thủy phân và ngưng tụ, tạo thành mạng lưới silica có chứa các cầu nối hữu cơ. Đồng thời chất hoạt động bề mặt giúp hình thành cấu trúc xốp ở kích thước nano rất nhỏ.

"Phương pháp này có ưu điểm là quy trình tương đối đơn giản, nhiệt độ thấp, chi phí không quá cao, dễ điều chỉnh kích thước hạt và cấu trúc lỗ xốp, cũng như khả năng mở rộng quy mô", PGS.TS Đoàn Lê Hoàng Tân nhấn mạnh.

Từ cách tiếp cận này, nhóm đã tạo ra một loại vật liệu mới. Vật liệu hội tụ ba đặc tính quan trọng: kích thước rất nhỏ, cấu trúc xốp có thể mang và giải phóng dược chất, cùng khả năng phân hủy trong môi trường sinh học.

Theo ông Tân, điểm mới nằm ở việc thiết kế mạng lưới silica có chứa các cầu nối hữu cơ, giúp vật liệu có thể bị phá vỡ thay vì tồn tại bền như các loại silica trước đây. Nhờ đó, vật liệu có khả năng phân tán tốt trong cơ thể và có thể được đào thải sau khi phân hủy, góp phần giảm nguy cơ tích tụ lâu dài.

Nhiều tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y sinh

Từ nền tảng vật liệu này, nhiều hướng ứng dụng trong y sinh học được đặt ra. Theo PGS.TS Đoàn Lê Hoàng Tân, vật liệu có thể được sử dụng làm hệ dẫn truyền thuốc, đặc biệt với các dược chất khó tan hoặc thuốc điều trị ung thư.

Nhờ cấu trúc xốp, vật liệu có thể mang thuốc và giải phóng một cách có kiểm soát, qua đó giúp giảm tác dụng phụ và nâng cao hiệu quả điều trị. Bên cạnh đó, vật liệu còn có thể gắn các chất phát quang hoặc chất tương phản để phục vụ chẩn đoán hình ảnh, hoặc kết hợp cả chẩn đoán và điều trị trong cùng một hệ. Việc chức năng hóa bề mặt cho phép vật liệu nhận diện và hướng tới các tế bào bệnh, mở ra khả năng điều trị nhắm mục tiêu.

"Với đặc tính phân hủy sinh học, vật liệu đặc biệt phù hợp với các ứng dụng y sinh và dược học, nơi yêu cầu vật liệu không tồn tại lâu trong cơ thể, ông Tân khẳng định.

Ở góc độ rộng hơn, vật liệu được kỳ vọng có thể góp phần nâng cao hiệu quả điều trị ung thư, giảm tác dụng phụ của thuốc nhờ cơ chế giải phóng có kiểm soát, cải thiện độ tan của dược chất và giảm liều sử dụng. Ngoài ra, vật liệu còn có tiềm năng trong chẩn đoán sớm bệnh và các hệ dẫn truyền sinh học như vaccine.

Trong thời gian tới, nhóm sẽ tiếp tục phát triển các vật liệu nano xốp theo hướng "thông minh", thân thiện sinh học và có thể tích hợp nhiều chức năng.

Song song đó là việc đánh giá sâu hơn về độ an toàn sinh học, khả năng mang và giải phóng hoạt chất, cũng như mở rộng hợp tác liên ngành.

"Không dừng lại ở công bố hay sáng chế, mục tiêu của chúng tôi là đưa kết quả nghiên cứu ra khỏi phòng thí nghiệm, tiến gần hơn đến thực tiễn chăm sóc sức khỏe. Nơi những hạt vật liệu nano nhỏ bé có thể góp phần tạo ra những thay đổi lớn trong chăm sóc sức khỏe con người", PGS.TS Đoàn Lê Hoàng Tân chia sẻ.