Biến vỏ trứng thành vật liệu để sản xuất xương nhân tạo

Kể từ năm 2017, khi đang làm nghiên cứu sinh tại Đài Loan (Trung Quốc),PGS. TS Đoàn Văn Hồng Thiện (41 tuổi, Đại học Cần Thơ) phát hiện trong vỏ trứng có 94% calcium carbonate, thành phần chính của bột hydroxyapatite (HA) nên đã tìm cách tách chiết.

PGS. TS Thiện đã dùng vỏ trứng được nghiền và loại bỏ tạp chất, đưa vào nung ở nhiệt độ cao để thu được chất CaO dạng bột. Do thành phần hóa học của vỏ trứng phụ thuộc vào nhiệt độ nung nên anh đã tăng nhiệt độ từ 800 lên 1.100 độ C trong 4 giờ, tỉ lệ CaO tăng lên và đạt giá trị tối ưu 95,6% ở 900 độ C.

CaO sau khi tách chiết, được hòa tan trong nước và phản ứng với phosphoric acid bằng năng lượng vi sóng. Với công suất vi sóng cao hơn 800 W, nhóm thu được lượng kết tủa. Chất kết tủa này tiếp tục sấy 100 độ C trong 6 giờ để tổng hợp thành bột HA tinh khiết. Loại bột tổng hợp được cho là vật liệu quan trọng để làm xương nhân tạo, hỗ trợ điều trị gãy xương hoặc thay thế xương do bị ung thư.

Thông thường HA được tổng hợp từ hóa chất tinh khiết nên đắt tiền và gây ô nhiễm. So với phương pháp trao đổi nhiệt, phương pháp vi sóng được coi là giải pháp xanh khi tiêu tốn ít năng lượng, thời gian tách chiết ngắn gấp 5 lần và hiệu suất cao trên 90%.

PGS. TS Thiện cho biết, thay vì dùng thanh kim loại y tế thay thế phần xương bị gãy, xương nhân tạo là giải pháp tiềm năng trong y sinh bởi giúp các tế bào gắn kết để vận chuyển các chất dinh dưỡng và loại bỏ các chất thải. "Tế bào tạo xương được tách một phần nhỏ và nuôi cấy trong phòng thí nghiệm, hợp chất HA giống như "ngôi nhà" để những tế bào này sinh sôi, phát triển", PGS. Thiện nói thêm.

Sau công đoạn này, nhóm sẽ chế tạo thử nghiệm những nguyên mẫu cấy ghép xương đầu tiên trong phòng thí nghiệm và đánh giá độ tương thích sinh học của các vật liệu với cơ thể.

Được biết, hiện nay việc nghiên cứu các vật liệu mới, thân thiện với môi trường đang được đẩy mạnh. Không chỉ tại Việt Nam mà ở nhiều nước trên thế giới, nhiều vật liệu tự nhiên cũng được khai thác một cách triệt để nhằm phục vụ cho việc chế tạo các vật liệu nhân tạo phục vụ đời sống.

Để tiếp tục mở rộng các đô thị mà không gây hại môi trường, các nhà khoa học thuộc Đại học Cambridge (Anh) cũng đã đưa ra ý tưởng về những thành phố làm từ xương và vỏ trứng nhân tạo, thay thế cho bê tông và thép, những vật liệu mà quá trình sản xuất chúng đang tạo nên một lượng lớn khí thải carbon.

Trưởng nhóm nghiên cứu Michelle Oyen cho biết, để thay đổi toàn diện thực trạng này trong ngành xây dựng, cần tìm ra loại vật liệu hoàn toàn mới không chỉ mạnh mẽ mà còn bền vững, thân thiện với môi trường. Để đạt mục tiêu, họ đã xác định hướng nghiên cứu tham khảo thiên nhiên.Trong phòng thí nghiệm được tài trợ bởi quân đội Mỹ, bà Oyen xây dựng mẫu nhỏ của xương và vỏ trứng nhân tạo, những vật liệu bền vững có thể được sử dụng trong cấy ghép y tế và thậm chí trở thành vật liệu xây dựng phát thải carbon thấp.

Xương và vỏ trứng nhân tạo là những vật liệu xây dựng lý tưởng với những đặc điểm ưu việt: Tỷ lệ protein và khoáng chất gần bằng nhau, đem lại độ cứng, sự dẻo dai và khả năng chịu lực. Mặc dù xương có thể bị phá vỡ nhưng chúng có thể tự chữa lành - một tính năng mà các kỹ sư sinh học đang cố gắng nghiên cứu để bắt chước.

Với vỏ trứng, tỷ lệ protein và khoáng chất lần lượt là 5% và 95%. Tuy lượng protein khá nhỏ, nhưng cũng đủ để mang lại độ cứng. Do quá trình sản xuất xương và vỏ trứng nhân tạo diễn ra ở nhiệt độ phòng nên những vật liệu mới này cần rất ít năng lượng.Trong quá trình tạo ra xương và vỏ trứng nhân tạo, nhóm nghiên cứu kết hợp các thành phần khoáng chất với collagen - một loại protein chiếm tới 25% tổng lượng protein trong cơ thể người.

Theo bà Oyen, các vật liệu tổng hợp có thể kết hợp với nhau để tạo ra một cấu trúc mạng tinh thể mới với ưu điểm vượt trội. Cụ thể, nếu xương nhân tạo kết hợp thành công với vỏ trứng sẽ tạo ra một loại cấu trúc tinh thể cứng rắn, mạnh mẽ hơn. Đây chính là điều nhóm muốn đi sâu tìm hiểu.Một khía cạnh quan trọng khác là collagen. Các nhà khoa học cho biết collagen mà họ cần hiện phải lấy từ các nguồn tự nhiên, chẳng hạn như động vật. Họ muốn tìm hiểu liệu có thể tạo ra một loại collagen tổng hợp hoặc không có nguồn gốc động vật để thay thế.

Mặc dù ý tưởng và tiềm năng của dự án là rất hứa hẹn, song các nhà nghiên cứu cho biết sẽ còn phải mất thêm nhiều thời gian và công sức trước khi có thể cho ra đời những tòa nhà bằng xương và vỏ trứng nhân tạo. Ngoài việc cần nghiên cứu, tìm hiểu sâu thêm, các nhà khoa học còn phải đối mặt với rào cản từ sự bảo thủ khi muốn áp dụng loại vật liệu mới vào thực tế và rào cản này không đơn giản.