Bàn chải đánh răng không cần pin tự tạo điện, loại bỏ hơn 99% mảng bám trong thử nghiệm mới

Trong hàng nghìn năm, nguyên lý cơ bản của việc vệ sinh răng miệng gần như không thay đổi: sử dụng bàn chải để chà xát và loại bỏ thức ăn thừa, vi khuẩn cùng mảng bám trên bề mặt răng. Tuy nhiên, phương pháp này chủ yếu mang tính cơ học, trong khi vi khuẩn vẫn có thể nhanh chóng quay trở lại sau khi đánh răng.

Một nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Đại học Bắc Kinh (Trung Quốc) có thể mở ra hướng tiếp cận khác. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một loại bàn chải đánh răng không cần pin, có khả năng tự tạo ra điện trong quá trình sử dụng nhằm chủ động tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh trong khoang miệng.

Điểm đặc biệt của thiết bị nằm ở vật liệu làm nên các sợi lông bàn chải. Thay vì chỉ sử dụng nylon như những sản phẩm thông thường, các nhà khoa học ứng dụng polyvinylidene fluoride (PVDF), một loại polymer có đặc tính áp điện.

Đây là hiện tượng một số vật liệu có thể tạo ra điện tích khi chịu tác động cơ học như áp lực, uốn cong hoặc kéo giãn. Trong thiết kế mới, các nhà nghiên cứu đã xử lý PVDF bằng cách kéo giãn và gia nhiệt để tạo ra những đặc tính áp điện cần thiết.

Khi người dùng đánh răng, các sợi lông PVDF liên tục uốn cong khi tiếp xúc với bề mặt răng rồi trở lại hình dạng ban đầu. Mỗi chuyển động như vậy đều tạo ra điện tích mà không cần pin hay nguồn điện bên ngoài.

Những điện tích này tương tác với nước bọt và nước trong khoang miệng, kích hoạt phản ứng hóa học tạo ra các loại oxy phản ứng (ROS). Đây là những phân tử có hoạt tính cao, có khả năng tấn công và phá hủy màng tế bào vi khuẩn khi đạt nồng độ đủ lớn.

Ngoài cơ chế tạo ra các phân tử có khả năng kháng khuẩn, điện thế trên bề mặt bàn chải còn tạo hiệu ứng điện tĩnh, khiến vi khuẩn khó bám vào các sợi lông. Như vậy, thiết bị đồng thời tác động đến khả năng tồn tại và bám dính của vi khuẩn trong quá trình vệ sinh răng miệng.

Hiệu quả loại bỏ mảng bám vượt 99%

Để kiểm tra khả năng kháng khuẩn, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm bàn chải PVDF với hai loại vi khuẩn phổ biến liên quan đến các bệnh lý răng miệng.

Loại thứ nhất là Streptococcus mutans, vi khuẩn góp phần gây sâu răng. Loại thứ hai là Porphyromonas gingivalis, tác nhân có liên quan đến bệnh nha chu.

Kết quả cho thấy các sợi lông PVDF có thể tiêu diệt khoảng 52,8% vi khuẩn Streptococcus mutans, trong khi tỷ lệ này ở sợi nylon thông thường chỉ đạt 9,29%.

Đối với Porphyromonas gingivalis, hiệu quả vô hiệu hóa vi khuẩn của sợi PVDF đạt khoảng 78,2%, cao hơn đáng kể so với mức 8,41% của vật liệu nylon.

Đáng chú ý hơn, khi thử nghiệm trên các mẫu màng sinh học phát triển trên men răng bò, bàn chải sử dụng sợi PVDF có thể loại bỏ hơn 99% lượng màng sinh học sau 3 phút chải răng. Trong khi đó, bàn chải nylon thông thường chỉ loại bỏ được khoảng 80%.

Màng sinh học là cộng đồng vi khuẩn kết dính trên bề mặt răng, thường được gọi là mảng bám. Đây là một trong những nguyên nhân góp phần gây sâu răng và các bệnh lý về nướu.

Các nhà khoa học cũng phát hiện ROS có vai trò quan trọng trong hiệu quả kháng khuẩn. Những phân tử này gây tổn thương màng tế bào, đồng thời ảnh hưởng đến hoạt động của các gene liên quan đến hệ thống vận chuyển ABC. Đây là những cấu trúc giúp vi khuẩn vận chuyển các chất qua màng tế bào để duy trì hoạt động sống.

Thử nghiệm trên người cho kết quả khả quan

Không dừng lại ở các thí nghiệm trong phòng nghiên cứu, nhóm khoa học tiếp tục tiến hành thử nghiệm lâm sàng kéo dài 3 tháng.

Trong số 135 người được sàng lọc, có 115 người trưởng thành mắc viêm nướu hoặc sâu răng được tuyển chọn. Những người này được chia ngẫu nhiên thành 4 nhóm, trong đó 2 nhóm sử dụng bàn chải PVDF với thông số sợi lông khác nhau, còn 2 nhóm sử dụng bàn chải nylon truyền thống.

Tất cả người tham gia đều được yêu cầu đánh răng 2 lần mỗi ngày bằng loại kem đánh răng do nhóm nghiên cứu cung cấp.

Kết quả cho thấy những người sử dụng bàn chải áp điện ghi nhận mức giảm mảng bám, viêm nướu và chảy máu chân răng tốt hơn so với nhóm sử dụng bàn chải thông thường.

Phân tích các mẫu mảng bám sau thử nghiệm cũng phát hiện sự thay đổi trong hệ vi sinh vật khoang miệng. Cụ thể, số lượng một số loại vi khuẩn liên quan đến bệnh lý răng miệng giảm xuống, trong khi các vi khuẩn có lợi gia tăng.

Những kết quả này cho thấy công nghệ áp điện không chỉ hỗ trợ làm sạch bề mặt răng mà còn có tiềm năng tác động đến môi trường vi sinh trong khoang miệng.

Còn nhiều rào cản trước khi thương mại hóa

Mặc dù đạt được những kết quả ban đầu đáng chú ý, bàn chải PVDF vẫn cần trải qua nhiều thử nghiệm trước khi có thể trở thành sản phẩm thương mại.

Các nhà nghiên cứu xác nhận vật liệu PVDF vẫn duy trì cấu trúc và đặc tính điện sau 3 tháng mô phỏng sử dụng. Thử nghiệm cũng không phát hiện hiện tượng mài mòn trên bề mặt men răng bò hoặc độc tính đối với các tế bào chuột được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm.

Tuy nhiên, thời gian tiếp xúc giữa sợi bàn chải và vi khuẩn trong các thí nghiệm có thể dài hơn đáng kể so với điều kiện đánh răng thực tế. Điều này đặt ra câu hỏi về khả năng duy trì hiệu quả kháng khuẩn khi người dùng chỉ chải răng trong vài phút mỗi lần.

Một hạn chế khác là nhóm nghiên cứu mới chỉ so sánh thiết bị với bàn chải nylon thông thường, chưa đánh giá hiệu quả khi đặt cạnh các dòng bàn chải điện, bàn chải sóng âm hoặc sản phẩm tích hợp công nghệ kháng khuẩn hiện có.

Chi phí sản xuất, độ bền sau nhiều năm sử dụng và khả năng thương mại hóa của thiết bị cũng chưa được xác định.

Theo các nhà khoa học, nhiều thiết kế bàn chải trước đây từng được phát triển nhằm kiểm soát mảng bám, trong đó có những sản phẩm sử dụng chất kháng khuẩn hoặc công nghệ tạo ion. Tuy nhiên, một số giải pháp chưa chứng minh được hiệu quả lâu dài, trong khi bàn chải tạo ion thường cần pin tích hợp.

Điểm khác biệt của phát minh mới là tận dụng chính chuyển động cơ học khi đánh răng để tạo ra điện, kết hợp khả năng làm sạch thông thường với tác dụng kháng khuẩn.

Nếu những thử nghiệm tiếp theo chứng minh được độ bền và hiệu quả trong điều kiện sử dụng thực tế, công nghệ này có thể giúp một chiếc bàn chải thủ công đảm nhiệm thêm chức năng kiểm soát vi khuẩn mà không cần sử dụng pin.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Science Advances.