Biến nước tiểu thành vật liệu cấy ghép xương‑răng
Các nhà nghiên cứu từ Đại học California, Irvine (UC Irvine), phối hợp cùng các đồng nghiệp tại Hoa Kỳ và Nhật Bản, đã phát triển một hệ thống men nấm (yeast) tổng hợp có khả năng biến nước tiểu người thành hydroxyapatite (HAp).
HAp một khoáng chất canxi photphat có tính tương thích sinh học cao và được sử dụng rộng rãi trong các ca cấy ghép xương, phục hồi răng cũng như sản xuất vật liệu phân hủy sinh học.
Giải pháp theo hướng kép: xử lý môi trường và tạo vật liệu y sinh
Theo Giáo sư David Kisailus thuộc chuyên ngành khoa học và kỹ thuật vật liệu tại UC Irvine, quá trình này cùng lúc đạt được 2 mục tiêu:
Thứ nhất, loại bỏ nước tiểu khỏi dòng nước thải để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và ngăn chặn tích tụ chất dinh dưỡng dư thừa. Thứ 2, tạo ra một loại vật liệu có thể được thương mại hóa trong nhiều lĩnh vực.
Hệ thống này góp phần giải quyết nguy cơ gây hại cho các lưu vực nước khi nước tiểu không được xử lý, đồng thời tạo ra hydroxyapatite – một vật liệu được dự đoán sẽ đạt giá trị thị trường khoảng 3,5 tỷ USD vào năm 2030.
"Osteoyeast": men nấm mô phỏng tế bào tạo xương
Trong cơ thể động vật có vú, các tế bào tạo xương (osteoblast) có khả năng lấy canxi và photphat từ dịch cơ thể để sản xuất hydroxyapatite. Tuy nhiên, các tế bào tự nhiên này không đáp ứng được yêu cầu sản xuất quy mô lớn.
Để khắc phục điều đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển một chủng men tổng hợp gọi là “osteoyeast” có thể mô phỏng hoạt động của tế bào tạo xương. Các tế bào này phân giải ure trong nước tiểu để làm tăng độ pH, sau đó tạo ra các khoang bên trong tích lũy canxi và photphat.
Vật liệu sau đó kết tinh thành hydroxyapatite và được thải ra ngoài tế bào. Quá trình này cho phép tạo ra tới 1 gam HAp từ mỗi lít nước tiểu.
Giáo sư Kisailus cho biết, toàn bộ quá trình chỉ mất chưa đầy một ngày. Nhờ sử dụng men nấm – một loại sinh vật rẻ tiền và dễ nuôi trong các bể lớn ở nhiệt độ thấp, tương tự như quy trình ủ bia – hệ thống này hoàn toàn có thể mở rộng quy mô mà không cần hạ tầng kỹ thuật cao.
Đây là một lợi thế lớn, đặc biệt trong bối cảnh cần ứng dụng tại các nền kinh tế đang phát triển.
Tương lai mở rộng và ứng dụng đa dạng
Hydroxyapatite nổi bật với các đặc tính nhẹ, bền và chắc chắn, lý tưởng cho các vật liệu cấy ghép y sinh và phục chế khảo cổ. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu còn nhìn xa hơn về tiềm năng ứng dụng của quy trình này.
Giáo sư Kisailus cho biết ông đang tiếp tục hợp tác với Giáo sư Yasuo Yoshikuni thuộc Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley – đồng tác giả của công trình – để phát triển các vật liệu khác, trong đó có vật liệu dùng trong công nghệ năng lượng.
Nhóm hiện đang triển khai các chiến lược tích hợp nền tảng men nấm này với công nghệ in 3D và kiến trúc vật liệu tiên tiến để tạo ra các cấu trúc đa chức năng.
Dự án nhận được tài trợ từ Bộ Năng lượng Mỹ, Cơ quan Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến (DARPA) và Văn phòng Nghiên cứu Không quân.
Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications.
