Nghiên cứu đặc tính vật lý của sụn

Sụn rất cần thiết cho sự chuyển động của cơ thể người, làm đệm cho xương và khớp trong khi vẫn giữ nguyên hình dạng dù chịu nhiều áp lực, hoạt động nặng nhọc và bị kích thích. Không may là nó lại bắt đầu bị phá vỡ sau khoảng 60 năm, gây ra các chứng như viêm khớp xương mãn tính và những chứng viêm sưng đau đớn khác.

Chính vì vậy, mục tiêu của Itai Cohen khi anh điều hành phòng thí nghiệm của mình ở Cornell là làm rõ đặc tính vật lý của sụn khi cử động, nén, xoắn và các hình thức biến dạng khác để có thể được thay thế bằng loại sụn nhân tạo tuổi thọ lâu hơn và tốt hơn.

Dù Cohen nghiên cứu các vật liệu sinh học, anh là một nhà vật lý, không phải bác sĩ hay nhà sinh học. Niềm say mê chính của anh nằm trong đặc tính của các chất lỏng phức và các loại vật liệu mềm cô đặc. Nói theo cách đơn giản hơn thì Cohen thấy thú vị trước những thứ có tính dính (bột ngô, vữa, kem đánh răng, sơn, tế bào và máu).

Cohen nói về loại vật liệu chiếm dụng đời sống hàng ngày của chúng ta và có những đặc tính độc đáo với một sự nhiệt tình lan tỏa.

“Đây là loại vật liệu hàng ngày mà bạn có thể thấy trong nhà bếp hoặc trên bàn ăn sáng. Điều thú vị nằm đằng sau chúng là bạn có những đặc tính chất lỏng và chất rắn hòa quyện với nhau bên trong một loại vật liệu.” Cohen trở thành nhân viên của Cornell dưới chức danh trợ giảng vật lý trong năm 2005.

Niềm say mê đối với vật liệu mềm cô đặc là lý do Cohen tham gia vào nhiều dự án khác nhau. Bên cạnh công trình biến dạng mô trong phòng thí nghiệm của mình, anh còn hợp tác với Chekesha Liddell trong ngành khoa học vật liệu và cơ khí, với Fernando Escobedo trong ngành cơ khí sinh học phân tử và hóa học về hệ thống treo dạng keo.

Trợ giảng môn vật lý Itai Cohen, bên phải, và sinh viên tốt nghiệp ngành vật lý Mark Buckley kiểm tra thiết bị biến dạng mô của mình, thiết bị có khả năng gây ra áp lực và sức kéo lên những mẫu mô, ví dụ như sụn hoặc màng cứng mắt. (Ảnh: Lindsay France)

Anh cũng đi sâu vào sự hợp tác ba chiều với khoa trong lĩnh vực cơ khí lý thuyết và ứng dụng, sinh học và sinh học máy tính, nghiên cứu sự tiến hóa của khả năng bay bằng cách quan sát và tính toán các mô hình bay của ruồi giấm.
Cohen cho biết chủ đề chung của tất cả những dự án này là làm cách nào giới hạn thời gian và cấu trúc của chất lỏng và các vật chất phức tạp khác, ở những quy mô độ dài khác nhau, thay đổi tác động của các loại vật liệu.

Thử lấy ví dụ là sụn người. Đây là một ví dụ cổ điển của loại vật chất mềm cô đặc. Nó vô cùng phức tạp và bao gồm nhiều lớp xếp đặt tinh tế, gồm có các sợi collagen, proteoglycans – những phân tử như bàn chải và mang điện – và chondrocytes – những dạng tế bào.

Anh đang cố gắng khám phá làm cách nào tất cả các vật liệu này được xếp lớp bên nhau để đạt được những đặc tính cơ học độc đáo của sụn, ví dụ như khả năng giữ hình dạng và sức mạnh dưới tác động của ngoại lực: áp lực, xoắn hoặc biến dạng méo mó (sức căng song song).

Nghiên cứu sinh Mark Buckley của Cohen đã phát triển một loại máy mang tên thiết bị biến dạng mô, thiết bị mà nhóm của Cohen đang nghiên cứu để thương mại hóa dưới sự cộng tác của Pleasentville, Harrick Scientific đặt ở New York. Sử dụng mẫu vật từ bò, họ đưa những khối sụn 3mm vào máy để máy đẩy, làm méo mó, nén và kéo mạnh sụn bên trong bồn nước muối.

Sử dụng một loại kính hiển vi cùng tiêu điểm gắn kèm, họ có thể quan sát và ghi lại cấu trúc 3 chiều của sụn ở những độ dài và sâu khác nhau, cũng như cách nó phản ứng lại kích thích. Máy này không chỉ được dùng để làm biến dạng sụn, nó còn hoạt động đối với những mô như màng cứng mắt, giác mạc và những mô cứng khác.

Nỗ lực nhằm tìm hiểu sụn có thể dẫn đến việc tạo ra những khớp nối nhân tạo tốt hơn và những kiến thức khoa học sâu hơn về khả năng chịu đựng áp lực của sụn bên trong cơ thể người.

Chứng viêm khớp xương mãn tính là một điều bí ẩn đối với nhiều nhà khoa học, nhưng rõ ràng sự biến dạng sụn là thành tố quan trọng nhất trong nghiên cứu căn bệnh này.

Cohen cho biết “Liệu chứng bệnh này bắt đầu từ bề mặt của sụn và đi vào xương hay bắt đầu từ chỗ nối xương-sụn và đi về phía bề mặt – chưa ai biết được điều đó. Chưa từng ai có thể so sánh những mô lành và mô bị hủy hoại ở quy mô mà chúng tôi đang thực hiện.”