Otto Wichterle đã tạo ra kính áp tròng mềm trong căn bếp Praha như thế nào?

Kính áp tròng mềm không bắt đầu trong một phòng thí nghiệm hiện đại. Theo Science History Institute, vào đêm Giáng sinh năm 1961, nhà hóa học Otto Wichterle ngồi bên bàn bếp ở Praha, dùng bộ đồ chơi lắp ráp của con trai, bếp điện, động cơ máy hát và vài khuôn thủ công để tạo ra những thấu kính có thể đeo được. Điều đáng chú ý không chỉ là sự thiếu thốn thiết bị, mà còn là lời giải ông đã tìm ra: muốn đặt một vật lên mắt, cần một vật liệu mềm, trong và có khả năng giữ nước. [1]

Phát minh ấy hình thành từ một câu hỏi rất thực tế: vì sao các vật liệu cứng dùng trong mắt giả và thấu kính đời đầu gây khó chịu? Câu trả lời đưa Wichterle từ hóa học polymer đến hydrogel, rồi từ một vật liệu chưa có ứng dụng rõ ràng đến phương pháp quay khuôn giúp tạo ra kính áp tròng mềm. [1]

Một cuộc trò chuyện gợi ra hướng đi mới

Đầu những năm 1950, Wichterle tình cờ trò chuyện trên chuyến tàu đến Praha với một bác sĩ nhãn khoa. Bác sĩ kể về những khó khăn của bệnh nhân khi sử dụng mắt giả và các vật liệu cứng đặt trong mắt. Những chất liệu ấy có thể tạo hình, nhưng không dễ hòa hợp với mô sống. Từ câu chuyện đó, Wichterle nảy ra ý tưởng tìm một vật liệu bắt chước được vài đặc tính của mô người: mềm, linh hoạt và không gây cản trở quá mức cho mắt. [1]

Ý tưởng ban đầu chưa phải là một thiết kế kính áp tròng hoàn chỉnh. Nó giống một hướng tìm kiếm trong hóa học hơn: nếu vật liệu có thể hút nước và giữ cấu trúc ổn định, nó có thể mềm hơn nhựa thông thường mà vẫn đủ trong để nhìn xuyên qua. Câu hỏi về sự thoải mái khi đeo vì thế được chuyển thành câu hỏi về cấu trúc phân tử. [1]

Hydrogel giải quyết vấn đề của vật liệu cứng

Cùng trợ lý Drahoslav Lím, Wichterle nghiên cứu nhóm vật liệu sau này được gọi là hydrogel. Đến giữa thập niên 1950, họ phát triển polyhydroxyethyl methacrylate, thường viết tắt là polyHEMA. Đây là một loại gel mềm, trong và ưa nước, nghĩa là có thể hấp thụ nước vào cấu trúc của mình. [1]

Đặc tính ưa nước tạo ra khác biệt quan trọng. Các thấu kính cứng đời đầu, kể cả loại bằng thủy tinh thổi hay nhựa acrylic, từng bị phàn nàn vì gây khô và khó chịu khi đeo lâu. Một nguyên nhân được giải thích là chúng hạn chế sự tiếp xúc của mắt với oxy. Giác mạc không có mạch máu nên phải nhận oxy trực tiếp từ không khí; một vật liệu mềm và thấm khí tốt có cơ hội phù hợp với điều kiện đó hơn. [1]

Tuy nhiên, có vật liệu phù hợp về mặt hóa học chưa đồng nghĩa đã có sản phẩm dùng được. Những thấu kính thử nghiệm đầu tiên của Wichterle có mép không đều và dễ rách khi cầm. Vấn đề lúc này chuyển từ “làm bằng chất gì” sang “tạo hình chất đó ra sao”. [1]

Bước ngoặt nằm ở chuyển động quay

Wichterle tìm được lời giải vào đêm Giáng sinh năm 1961, khi ông lắp một thiết bị đơn giản ngay trong bếp. Bộ khung đến từ đồ chơi Merkur của con trai, nhiệt được cung cấp bởi bếp điện, còn động cơ được tháo từ một chiếc máy hát. Ông nối thêm các ống thủy tinh và khuôn tự làm để đưa polyHEMA dạng lỏng vào khuôn. [1]

Khi khuôn quay liên tục và nhận nhiệt, vật liệu dàn đều hơn thay vì đọng lại thành hình méo. Kỹ thuật này được gọi là đúc quay: chuyển động quay giúp kiểm soát hình dạng và độ dày của thấu kính trong lúc vật liệu định hình. Nhờ vậy, Wichterle tránh được hai lỗi khiến các mẫu trước đó không thể đeo: mép bất thường và cấu trúc quá dễ vỡ. [1]

Trong khoảng thời gian từ đêm đó đến bữa tối Giáng sinh, ông đã tạo được những kính áp tròng mềm có thể đeo. Wichterle thử chúng trên chính mình và thấy chúng dễ chịu, dù độ kính không phù hợp với thị lực của ông. Đây là một phép thử về khả năng đeo, chưa phải quy trình sản xuất hoàn thiện. [1]

Phát minh lớn lên giữa những rào cản chính trị

Con đường đến căn bếp ấy không tách rời đời sống chính trị của Tiệp Khắc. Wichterle xuất thân từ gia đình có cha là chủ một công ty sản xuất máy móc nông nghiệp, từng bị chính quyền mới xem là dấu hiệu của nguồn gốc tư sản. Ông cũng thẳng thắn phản đối cách đảng cầm quyền can thiệp vào giáo dục và từ chối gia nhập đảng. [1]

Năm 1958, ông bị loại khỏi trường đại học trong một đợt thanh lọc chính trị, dù đã có uy tín trong hóa học polymer. Sau đó, ông thành lập Viện Hóa học Đại phân tử thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Tiệp Khắc. Nhưng quy định của viện cho phép nghiên cứu polymer cơ bản mà không khuyến khích tìm ứng dụng thực tế. Vì vậy, thiết bị nhà bếp trở thành cách để ông tiếp tục giải quyết phần việc mà phòng thí nghiệm chính thức không cho phép theo đuổi. [1]

Câu chuyện này không biến chính trị thành nguyên nhân duy nhất của phát minh. Vật liệu polyHEMA đã cần nhiều năm nghiên cứu trước đó; thiết bị tự chế chỉ giải quyết một nút thắt cụ thể là tạo hình thấu kính. Thành công đến từ sự nối tiếp giữa hóa học vật liệu và kỹ thuật chế tạo, trong bối cảnh các lựa chọn chính thức bị thu hẹp. [1]

Từ bàn bếp đến sản xuất hàng loạt

Sau khi tạo được mẫu có thể đeo, Wichterle và vợ là Linda tiếp tục sản xuất thêm nhiều thấu kính bằng thiết bị quay tự chế. Ông nộp đơn xin cấp bằng sáng chế và thúc giục nhà chức trách thương mại hóa phát minh trước khi nơi khác sao chép. Tuy nhiên, theo luật Tiệp Khắc khi đó, các cơ quan nhà nước kiểm soát việc bán quyền sáng chế. [1]

Quyền sáng chế cuối cùng được bán cho một bác sĩ nhãn khoa ở Harrisburg, Pennsylvania, rồi chuyển qua National Patent Development Corporation và được cấp phép cho Bausch and Lomb. Năm 1971, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ phê duyệt việc sản xuất kính áp tròng mềm của Bausch and Lomb trên quy mô lớn. Người tạo ra nguyên mẫu không thu được tài sản lớn từ quá trình ấy; điều ông quan tâm hơn là sự công nhận và cơ hội phát triển nghiên cứu. [1]

Nhìn lại, chiếc máy trong căn bếp Praha không phải một phiên bản thu nhỏ của dây chuyền công nghiệp. Nó chỉ là công cụ đủ để kiểm tra một ý tưởng quan trọng: hydrogel có thể được định hình thành vật mềm, trong và phù hợp hơn với mắt hay không. Chính câu hỏi hẹp đó đã mở đường cho một thay đổi rộng hơn trong cách con người sử dụng kính áp tròng. [1]