Sự bám dính là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm chung về sự bám dính (adhesion)

Sự bám dính (adhesion) là hiện tượng vật lý – hóa học trong đó hai bề mặt hoặc hai loại vật chất khác nhau gắn kết với nhau thông qua các lực tương tác. Các lực này có thể bao gồm lực hút tĩnh điện, liên kết hydro, lực Van der Waals hoặc cơ chế liên kết cơ học. Điểm đặc trưng của sự bám dính là sự tương tác xảy ra giữa các bề mặt khác loại, trái ngược với hiện tượng kết dính nội tại (cohesion) giữa các phân tử đồng nhất.

Hiện tượng này có thể quan sát trong nhiều lĩnh vực: trong hóa học, đó là sự hút giữa phân tử nước và thủy tinh; trong kỹ thuật, đó là lớp sơn bám vào kim loại; trong sinh học, đó là các tế bào bám vào nền ngoại bào. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bám dính gồm tính chất bề mặt, năng lượng bề mặt, độ nhám, tình trạng ẩm ướt, và loại lực tương tác chi phối.

Ứng dụng thực tế của sự bám dính rất đa dạng: từ sản xuất keo dán, vật liệu composite, lớp phủ bảo vệ, đến kỹ thuật y sinh như keo sinh học dùng trong phẫu thuật. Trong y học, sự bám dính của tế bào đóng vai trò quan trọng trong quá trình lành vết thương, hình thành mô và đáp ứng miễn dịch.

• Trong vật lý: sự bám dính được giải thích dựa trên cơ học bề mặt và lực phân tử.
• Trong hóa học: các tương tác hóa trị yếu và mạnh góp phần tạo lực bám.
• Trong sinh học: phân tử kết dính tế bào (CAMs) điều phối hiện tượng này.

Biology Online – Adhesion Definition

Phân biệt adhesion và cohesion

Adhesion và cohesion đều liên quan đến lực hút phân tử, nhưng bản chất khác nhau. Cohesion là lực hút giữa các phân tử cùng loại, ví dụ như lực giữ giữa các phân tử nước thông qua liên kết hydro. Adhesion là lực hút giữa các phân tử khác loại, ví dụ như lực hút giữa phân tử nước và phân tử silica trong thủy tinh. Sự khác biệt này giải thích nhiều hiện tượng vật lý trong đời sống và khoa học.

Trong hiện tượng mao dẫn (capillary action), cả adhesion và cohesion cùng tham gia. Khi một ống thủy tinh mảnh được đặt vào nước, lực adhesion giữa nước và thành ống khiến nước bám và “leo” lên thành ống. Lực cohesion giữa các phân tử nước giúp kéo phần chất lỏng phía sau đi theo. Nếu lực adhesion mạnh hơn cohesion, chất lỏng sẽ dâng cao; ngược lại, nếu cohesion mạnh hơn, chất lỏng sẽ tụt xuống.

Thuộc tính	Adhesion	Cohesion
Bản chất	Lực hút giữa các phân tử khác loại	Lực hút giữa các phân tử cùng loại
Ví dụ	Nước dính vào kính	Giọt nước hình thành hình cầu
Vai trò	Gây hiện tượng bám bề mặt	Giữ cấu trúc khối chất lỏng

Các yếu tố ảnh hưởng đến so sánh này gồm: loại vật liệu, góc tiếp xúc (contact angle), năng lượng bề mặt và điều kiện môi trường.

Khan Academy – Cohesion and Adhesion in Water

Sự bám dính trong sinh học tế bào (cell adhesion)

Trong sinh học, cell adhesion là quá trình tế bào tương tác và bám vào tế bào khác hoặc bề mặt nền ngoại bào (extracellular matrix – ECM) thông qua các protein đặc hiệu trên màng tế bào gọi là phân tử kết dính tế bào (cell adhesion molecules – CAMs). Quá trình này cần thiết cho sự phát triển mô, duy trì cấu trúc cơ quan, truyền tín hiệu nội bào và điều hòa đáp ứng miễn dịch.

Các loại CAMs chính gồm:

• Cadherins: điều phối liên kết tế bào–tế bào phụ thuộc ion Ca²⁺.
• Integrins: kết nối tế bào với ECM, truyền tín hiệu cơ học – hóa học.
• Selectins: trung gian tương tác tế bào–tế bào tạm thời, đặc biệt trong phản ứng viêm.
• Ig-superfamily CAMs: tham gia kết nối miễn dịch và phát triển thần kinh.

Trong bệnh lý, rối loạn hoặc mất chức năng CAMs có thể gây ra nhiều vấn đề như ung thư di căn, bệnh tim mạch hoặc suy giảm miễn dịch. Nghiên cứu về cơ chế bám dính tế bào giúp phát triển thuốc chống kết dính, vật liệu cấy ghép sinh học và kỹ thuật y sinh mới.

NCBI – Molecular Biology of the Cell (Cell Adhesion)

Liên kết tế bào – cấu trúc và chức năng

Liên kết giữa các tế bào được tổ chức thành các cấu trúc đặc hiệu gọi là cell junctions, bao gồm adherens junctions, desmosomes, và tight junctions. Các cấu trúc này vừa đảm bảo tính cơ học, vừa điều hòa trao đổi chất và tín hiệu giữa các tế bào.

Adherens junctions kết nối bộ xương actin của tế bào này với tế bào khác, giúp duy trì hình dạng mô và phân phối lực cơ học. Desmosomes kết nối bộ xương trung gian, tạo liên kết bền vững trong các mô chịu áp lực lớn như cơ tim hoặc biểu mô. Tight junctions tạo hàng rào ngăn chặn sự khuếch tán chất giữa các tế bào biểu mô.

Loại liên kết	Thành phần chính	Chức năng
Adherens junctions	Cadherins, catenins	Kết nối actin, duy trì hình dạng mô
Desmosomes	Desmogleins, desmocollins	Kết nối intermediate filaments, chịu lực cơ học
Tight junctions	Claudins, occludins	Ngăn rò rỉ, duy trì hàng rào biểu mô

Trong y học, tổn thương hoặc mất các liên kết này có thể dẫn đến rối loạn chức năng hàng rào bảo vệ, viêm, hoặc bệnh thoái hóa mô.

Nguồn học thuật – Desmosome structure and function

Sự bám dính tế bào với nền ngoại bào (cell–matrix adhesion)

Sự bám dính tế bào với nền ngoại bào (ECM) đóng vai trò trọng yếu trong việc duy trì hình dạng, vị trí và chức năng của tế bào trong mô. Quá trình này chủ yếu được trung gian bởi các phân tử integrin, là loại protein xuyên màng có khả năng liên kết với các protein cấu trúc trong ECM như fibronectin, laminin, collagen. Thông qua các điểm bám dính (focal adhesions) và bán desmosome (hemidesmosomes), tế bào không chỉ cố định vị trí mà còn tiếp nhận và truyền tín hiệu cơ học – hóa học.

Các focal adhesions bao gồm một phức hợp protein kết nối integrin với bộ xương actin, đóng vai trò như “bộ cảm biến lực” giúp tế bào phản ứng với thay đổi cơ học của môi trường. Ngược lại, hemidesmosomes kết nối integrin với bộ xương trung gian, đảm bảo bám dính bền vững, đặc biệt trong các mô chịu ma sát cao như da hoặc giác mạc.

• Protein ECM chính: fibronectin (liên kết actin), laminin (liên kết intermediate filaments), collagen (cấu trúc chịu lực chính).
• Chức năng: neo giữ tế bào, truyền tín hiệu điều hòa tăng sinh – di cư, duy trì tính toàn vẹn mô.
• Ứng dụng nghiên cứu: thiết kế vật liệu y sinh tương thích sinh học, nghiên cứu di căn ung thư, liệu pháp tái tạo mô.

Biology Dictionary – Adhesion in biology

Kỹ thuật đo lực bám dính tế bào

Để định lượng sự bám dính, các nhà khoa học phát triển nhiều phương pháp đo lường trực tiếp hoặc gián tiếp. Một trong các kỹ thuật phổ biến là sử dụng máy đo lực kéo tế bào (cell traction force microscopy – CTFM), trong đó lực mà tế bào tác động lên bề mặt đàn hồi được tính toán thông qua biến dạng bề mặt.

Atomic Force Microscopy (AFM) cũng là công cụ quan trọng, cho phép đo lực bám dính ở thang nano-newton bằng cách dùng đầu dò quét tiếp xúc trực tiếp với tế bào hoặc phân tử bề mặt. Ngoài ra, hệ thống microfluidic shear assay cho phép đánh giá khả năng bám dính của tế bào dưới dòng chảy, mô phỏng điều kiện sinh lý trong mạch máu.

Phương pháp	Nguyên lý	Ưu điểm	Hạn chế
CTFM	Đo biến dạng bề mặt đàn hồi	Phù hợp nghiên cứu lực kéo cơ học	Yêu cầu bề mặt đàn hồi chuẩn hóa
AFM	Tiếp xúc đầu dò với mẫu	Độ chính xác cao ở thang nano	Tốc độ đo chậm, khó khảo sát diện rộng
Microfluidic shear assay	Tác động lực cắt bằng dòng chảy	Mô phỏng điều kiện sinh lý	Khó kiểm soát hoàn toàn môi trường vi mô

ArXiv – Measurement tools for cellular adhesion force

Bám dính trong y sinh và ứng dụng biomimetic

Nhiều sinh vật biển, chẳng hạn như trai (mussels) và hàu (oysters), có khả năng bám chặt vào các bề mặt dưới nước nhờ các protein dính giàu catechol. Các protein này hình thành liên kết cộng hóa trị và không cộng hóa trị với bề mặt, giúp chúng duy trì độ bám ngay cả trong môi trường khắc nghiệt. Hiện tượng này đã truyền cảm hứng cho phát triển keo sinh học (biomimetic adhesives) có khả năng hoạt động trong môi trường ẩm ướt và sinh học.

Keo sinh học từ cảm hứng tự nhiên có nhiều ứng dụng trong y học: đóng vết mổ, cố định thiết bị y tế, dán mô ghép, hoặc hỗ trợ tái tạo mô. Các nhà khoa học sử dụng kỹ thuật tổng hợp hóa học hoặc sinh học tổng hợp để tạo ra các phân tử tương tự protein dính của trai, tối ưu hóa độ bám, tính an toàn sinh học và khả năng phân hủy sinh học.

• Ưu điểm: không độc hại, hiệu quả trong môi trường ẩm, khả năng tương thích sinh học cao.
• Hạn chế: chi phí sản xuất cao, khó bảo quản lâu dài.
• Xu hướng: sử dụng vi sinh vật biến đổi gen để sản xuất protein dính quy mô công nghiệp.

WashU Source – Synthetic biology yields easy-to-use underwater adhesives

Ý nghĩa sinh học và bệnh lý

Sự bám dính đóng vai trò bảo vệ tính toàn vẹn mô, hỗ trợ trao đổi thông tin giữa tế bào và môi trường. Rối loạn quá trình này có thể dẫn đến nhiều bệnh lý. Ví dụ, trong ung thư, sự giảm hoặc mất biểu hiện cadherin E dẫn đến mất liên kết giữa các tế bào biểu mô, tạo điều kiện cho tế bào di căn. Trong hệ miễn dịch, sự điều chỉnh không phù hợp của integrins và selectins có thể gây viêm mạn tính hoặc rối loạn tự miễn.

Ở cấp độ sinh lý, bám dính điều phối quá trình di cư tế bào trong phát triển phôi, hình thành mạch máu mới, và lành vết thương. Ở cấp độ bệnh lý, sự bám dính bất thường là cơ chế trung tâm của nhiều quá trình xâm lấn, từ di căn ung thư đến sự lây lan của vi sinh vật.

• Ung thư: mất E-cadherin, tăng β1-integrin liên quan di căn.
• Bệnh tim: rối loạn desmosome gây bệnh cơ tim dãn nở.
• Viêm: tăng biểu hiện selectin dẫn đến bạch cầu bám quá mức vào nội mô.

AHRQ – Cell adhesion in disease mechanisms

Danh mục tài liệu tham khảo

• Biology Dictionary – Adhesion in biology. Link
• ArXiv – Measurement tools for cellular adhesion force. Link
• WashU Source – Synthetic biology yields underwater adhesives. Link
• AHRQ – Cell adhesion in disease mechanisms. Link