Các nhà khoa học đã cải biên một hình thức nghệ thuật cổ xưa để tạo ra các công cụ y tế nano như thế nào

Holly Greenberg, 24 tuổi, là sinh viên sau đại học chuyên ngành kỹ thuật cơ khí tại Đại học Brigham Young (BYU) khi cô tình cờ nghĩ ra ý tưởng rằng những chú hạc giấy gấp có thể liên quan đến công việc của mình.

Greenberg quan tâm đến các cơ chế tuân thủ – tức là các vật thể có chuyển động đến từ việc uốn cong, gấp và xoắn. ​​Một trong những người bạn thân nhất của cô là một thần đồng origami đã dạy cô một số kỹ thuật cơ bản. “Một số người đọc rất nhiều bài báo cho trường sau đại học. Tôi đã gấp rất nhiều giấy”, Greenberg nói.

Những bức tượng T-rex và Venus flytrap đầy màu sắc, cùng với những cuốn sách về mẫu origami, bắt đầu xuất hiện trên các kệ của phòng thí nghiệm. Và Greenberg, cùng với các giáo sư của mình, nhận ra rằng nghệ thuật gấp giấy cổ xưa có thể áp dụng cho các lĩnh vực khác, bao gồm cả thiết kế dụng cụ và thiết bị y tế.

Đó là sự kết hợp giữa nghệ thuật và kỹ thuật, một hoạt động đã có từ 1.000 năm trước được áp dụng vào công nghệ tiên tiến. “Các nghệ sĩ gấp giấy Origami đã khám phá ra những cách mới để làm mọi thứ mà chúng ta không bao giờ có thể tình cờ tìm ra bằng cách sử dụng các phương pháp mà chúng ta đã sử dụng từ lâu”, Larry Howell, Tiến sĩ, giáo sư kỹ thuật cơ khí và phó chủ tịch học thuật tại BYU cho biết.

Khi Greenberg bước vào phòng thí nghiệm vào năm 2010, các nhà khoa học và kỹ sư trên khắp thế giới đã sử dụng các nguyên tắc của nghệ thuật gấp giấy origami - chủ yếu là ý tưởng về việc một vật thể lớn có thể được gấp lại thành hình dạng nhỏ gọn, sau đó mở rộng ra lần nữa - trong thiết kế túi khí ô tô và lá chắn tên lửa.

Tiến sĩ Zhong You, hiện là giáo sư khoa học kỹ thuật tại Đại học Oxford, đã nghiên cứu về stent tim có thể thu gọn để điều trị phình động mạch chủ, sử dụng nguyên lý origami để gấp từ đường kính 30 mm thành kích thước nhỏ chỉ 7-9 mm để dễ đưa vào, sau đó mở ra với kích thước đầy đủ khi đã vào bên trong động mạch chủ.

Và Robert J. Lang, Tiến sĩ, một nhà vật lý và chuyên gia origami nổi tiếng thế giới, đã thiết kế một túi đựng dụng cụ y tế, sử dụng origami để gấp một vật liệu phẳng sao cho bề mặt vô trùng không tiếp xúc với bề mặt không vô trùng khi sử dụng. Lang đã tham vấn với các cơ quan chính phủ, các công ty tư nhân và các trường đại học, bao gồm cả BYU, về các cách áp dụng các nguyên tắc và kỹ thuật origami vào nhiều dự án khác nhau.

Lang cho biết: “Điều mà origami đóng góp cho y học cũng như các lĩnh vực khác là sự thay đổi hình dạng có tính quyết định”, có nghĩa là các thiết bị thay đổi hình dạng theo cách cụ thể và có chủ đích thay vì chỉ đơn giản là nhàu nát như một chiếc áo sơ mi nhét vào ngăn kéo. “Khi origami được công nhận nhiều hơn, trở thành một phần trong hộp công cụ của kỹ sư, nhiều người làm việc về các vấn đề y tế đã nhìn thấy nó và đưa ra mối liên hệ đó: Ồ, điều này có thể hữu ích”.

Quỹ Khoa học Quốc gia đã bắt kịp xu hướng và vào đầu những năm 2010 đã tài trợ một loạt các khoản tài trợ liên quan đến origami: một hội thảo kéo dài một ngày về thiết kế origami DNA, một dự án về origami "thông minh" có thể lập trình và một dự án tại BYU về việc áp dụng các nguyên tắc origami vào các vật liệu không phải giấy.

Nhóm nghiên cứu tại BYU đã tạo ra một "ống thổi" theo phong cách origami có thể cung cấp một vỏ bọc vô trùng cho cánh tay cong của máy X-quang khi nó được xoay theo các hướng khác nhau. Họ đã sử dụng origami để thiết kế một chiếc tã người lớn vừa vặn hơn, phù hợp với đường cong của cơ thể.

“Một trong những mẫu đầu tiên chúng tôi sử dụng là thứ gọi là chomper,” Spencer Magleby, Tiến sĩ, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại BYU và phó khoa giáo dục đại học cho biết. Một chiếc chomper origami trông giống như một cái mỏ hoặc miệng; khi bóp từ hai bên, nó mở ra và khép lại như thể đang cắn.

Nguyên lý tương tự có thể được sử dụng để tạo ra một dụng cụ nhỏ cho phẫu thuật nội soi, được vận hành bằng một sợi cáp để kẹp chặt để đưa vào, sau đó mở ra và thao tác khi đã vào bên trong cơ thể. Nhóm BYU gọi đó là oriceps (kẹp phẫu thuật lấy cảm hứng từ origami).

Tại Đại học Tiểu bang Pennsylvania, nơi Tiến sĩ Mary Frecker chỉ đạo Trung tâm Thiết bị sinh học, nhóm của bà đã bắt đầu nghiên cứu một thiết bị có thể đưa vào qua nội soi để điều trị khối u bụng bằng phương pháp đốt sóng cao tần – một dòng điện khiến các tế bào khối u rung động, nóng lên và chết.

Nhóm của Frecker đã sử dụng kỹ thuật gấp giấy origami để tạo ra đầu dò gồm những chiếc kim nhỏ có thể nén lại để đưa vào, sau đó xòe ra như đuôi công 3D khi đã vào bên trong khối u. Họ gọi nó là "chimera", một từ tiếng Hy Lạp ám chỉ một sinh vật gồm những bộ phận không ăn nhập.

Những thiết bị lấy cảm hứng từ nghệ thuật origami này có một số ưu điểm so với các dụng cụ truyền thống: thiết kế đơn giản có nghĩa là ít bộ phận chuyển động hơn và ít có cơ hội cho vi khuẩn tích tụ ở bản lề hoặc khớp nối, cũng như chi phí sản xuất thấp hơn.

Nếu các dụng cụ y tế và stent có thể được làm nhỏ hơn, bản thân các ca phẫu thuật sẽ ít xâm lấn và ít gây tổn hại cho cơ thể hơn; quá trình chữa lành có thể diễn ra nhanh hơn và ít phức tạp hơn.

“Ứng dụng [của origami trong y học] đã tăng lên cùng với sự gia tăng của phẫu thuật nội soi”, Lang nói. “Bạn muốn đi vào qua một lỗ nhỏ xíu; một khi bạn đã vào bên trong, bạn muốn mở rộng ra, cho dù là với stent để mở rộng mạch máu hay dụng cụ kéo mở ra để di chuyển các cơ quan ra khỏi đường đi. Đó là nơi origami đã đóng một vai trò”.

Sử dụng origami trong các ứng dụng y tế cũng đặt ra nhiều thách thức. Origami truyền thống dựa trên việc sử dụng giấy, nhưng các thiết bị dùng trong cơ thể phải được làm bằng vật liệu tương thích sinh học.

Sau đó là câu hỏi về kích hoạt. Lang hỏi "Bạn sẽ làm thế nào để nó di chuyển khi đến đích?". "Nó là động cơ, đòn bẩy, hay được kích hoạt bằng điện?" Một số thiết bị lấy cảm hứng từ nghệ thuật gấp giấy origami sẽ triển khai khi đạt đến một nhiệt độ nhất định, nhưng nhiệt độ đó cũng phải tương thích với cơ thể con người.

Greenberg rời BYU 10 năm trước và hiện làm việc trong bộ phận phát triển kinh doanh tại Chevron. Các thí nghiệm origami của cô chỉ giới hạn ở việc gấp khăn ăn với các con trong khi chúng chờ bữa tối tại một nhà hàng Trung Quốc.

Nhưng trên khắp thế giới – tại Oxford, Penn State và BYU, tại các phòng thí nghiệm ở Israel, Trung Quốc, Nhật Bản và những nơi khác – các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục khám phá cách origami có thể áp dụng vào các thiết bị và quy trình y tế: một tấm gấp tương thích sinh học được nhúng với các loại thuốc hóa trị có thể mở ra bên trong cơ thể; một stent cực nhỏ, đường kính chỉ 0,5 mm, để điều trị bệnh tăng nhãn áp; và một nhánh của công nghệ nano DNA liên quan đến việc "đan" DNA thành các cấu trúc 3D có thể được sử dụng, ví dụ, trong chụp ảnh sinh học và cung cấp thuốc "thông minh", đưa hóa trị trực tiếp vào các tế bào ung thư mục tiêu.

Frecker, người hiện đang nghiên cứu một sản phẩm lấy cảm hứng từ nghệ thuật gấp giấy origami để bảo vệ các bác sĩ phẫu thuật xoang khỏi tiếp xúc với các giọt khí dung từ bệnh nhân, cho biết: "Sự quan tâm đến các thiết bị y tế lấy cảm hứng từ nghệ thuật gấp giấy origami đã tăng lên khá nhiều" trong thập kỷ qua.

Vào thời điểm này, hầu hết các ứng dụng y tế lấy cảm hứng từ origami vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu hoặc nguyên mẫu. Có thể mất nhiều năm để huy động vốn, thu hút sự quan tâm của nhà sản xuất và được FDA chấp thuận. Howell cho biết "Nó đang dần chuyển từ phòng thí nghiệm sang các công ty". "Điều đó chỉ mất thời gian".

Các nguyên tắc cơ bản của nghệ thuật gấp giấy origami – tạo chuyển động từ việc gấp và duỗi; chuyển đổi vật phẳng thành vật ba chiều; thu nhỏ vật lớn thành vật nhỏ bằng cách gấp; sử dụng các kỹ thuật đơn giản để tạo ra kết quả phức tạp – đã thay đổi cách các kỹ sư y sinh nhìn nhận công việc của họ.

Đối với Frecker, những khái niệm đó cũng đã thay đổi cách cô nhìn thế giới. "Tôi chưa bao giờ nhận ra origami phổ biến đến thế nào cho đến khi tôi bắt đầu nghiên cứu về nó", cô nói. "Nó ở khắp mọi nơi".

TÍN DỤNG ẢNH:

Iris Johnson là ai?

NGUỒN:

Holly Greenberg Nihipali, chuyên gia phát triển kinh doanh, Chevron.

Larry Howell, Tiến sĩ, giáo sư kỹ thuật cơ khí và phó chủ tịch học thuật, Đại học Brigham Young.

Robert J. Lang, Tiến sĩ, nhà vật lý và chuyên gia origami nổi tiếng thế giới.

Spencer Magleby, Tiến sĩ, giáo sư kỹ thuật cơ khí, phó khoa giáo dục đại học, Đại học Brigham Young.

Mary Frecker, Tiến sĩ, giáo sư kỹ thuật và giám đốc Trung tâm thiết bị sinh học, Đại học bang Pennsylvania.