Các nhà khoa học Trung Quốc phát triển thiết bị nhận và lưu trữ năng lượng không dây, có khả năng phân hủy sinh học, cung cấp năng lượng cho các thiết bị cấy ghép điện tử sinh học - như hệ thống phân phối thuốc có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn.
Theo báo Bưu điện Hoa Nam Buổi sáng (Hong Kong, Trung Quốc), các hệ thống điện tử sinh học có thể cấy ghép - chẳng hạn cảm biến theo dõi và cấy ghép phân phối thuốc - là những phương pháp xâm lấn tối thiểu, đáng tin cậy giúp theo dõi và điều trị bệnh một cách hiệu quả. Tuy nhiên, theo nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Science Advances do các nhà khoa học tại Đại học Lan Châu thực hiện, việc phát triển module năng lượng để vận hành các thiết bị này đang bị tụt hậu so với việc tạo ra các cảm biến và bộ mạch phân huỷ sinh học tương thích.
Hệ thống cung cấp năng lượng không dây, có khả năng phân hủy sinh học mới có thể giúp vận hành các thiết bị cấy ghép phân phối thuốc trong tương lai. (Ảnh: Shutterstock).
Mặc dù giới khoa học đã phát triển nhiều thiết bị cung cấp năng lượng có thể phân hủy sinh học, song chúng chỉ được sử dụng một lần và không đủ nguồn điện cho các ứng dụng y sinh.
Hơn nữa, các thiết bị cung cấp điện thường được kết nối với bộ sạc qua da có thể gây viêm. Còn những thiết bị cấp nguồn bằng pin không thể sạc lại, cần thay thế bằng phẫu thuật, có thể gây ra nhiều biến chứng.
Để giải quyết bất cập này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một hệ thống năng lượng cấy ghép không dây với hiệu suất lưu trữ năng lượng và các đặc tính tương thích mô cao. Thiết kế mềm mại và tính linh hoạt của thiết bị này cũng thích ứng với hình dạng của mô và các cơ quan trong cơ thể người.
Thiết bị cấp nguồn không dây này bao gồm một cuộn dây magie, có tác dụng sạc thiết bị khi cuộn dây truyền bên ngoài được đặt lên trên lớp da phía trên bộ cấy ghép. Năng lượng mà cuộn dây magie nhận được sẽ đi qua mạch trước khi đi vào module lưu trữ năng lượng, hình thành từ các siêu tụ điện lai kẽm – ion. Siêu tụ điện này lưu trữ năng lượng dưới dạng năng lượng điện, trong khi các loại pin lưu trữ năng lượng dưới dạng năng lượng hóa học.
Theo nghiên cứu, mặc dù các siêu tụ điện lưu trữ ít năng lượng hơn, nhưng chúng có mật độ năng lượng cao, do đó có thể phóng ra lượng năng lượng cao một cách nhất quán.
Hệ thống cung cấp năng lượng nguyên mẫu – được đặt trong bộ phận cấy ghép giống như một con chip có khả năng phân hủy sinh học linh hoạt – có thể tích hợp thu và lưu trữ năng lượng cho thiết bị. Từ đó, điện có thể trực tiếp đi qua mạch vào một thiết bị điện tử sinh học đi kèm, hoặc vào siêu tụ điện để đảm bảo nguồn điện đầu ra ổn định, đáng tin cậy sau khi sạc đầy.
Cả kẽm và magie đều cần thiết cho cơ thể con người. Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh lượng kẽm và magie có trong thiết bị này thấp hơn mức tiêu thụ hàng ngày, khiến cho các mô cấy phân hủy có tính tương thích sinh học.
Thiết bị lưu trữ và cung cấp năng lượng không dây do nhóm các nhà khoa học Trung Quốc tạo ra có khả năng phân hủy sinh học. (Ảnh: Đại học Lan Châu).
Toàn bộ thiết bị được bọc trong polymer và sáp, có thể uốn cong và xoắn theo cấu trúc của mô.
Các thử nghiệm trên chuột cho thấy thiết bị này có thể hoạt động hiệu quả trong tối đa 10 ngày và phân huỷ hoàn toàn trong vòng 2 tháng.
Theo nghiên cứu, khoảng thời gian hoạt động của thiết bị này có thể thay đổi bằng cách thay đổi độ dày và tính chất hóa học của lớp vỏ.
Các nhà khoa học nhấn mạnh hệ thống phân phối thuốc có thể được tích hợp vào các mô, cơ quan khác nhau trong cơ thể và “đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp và điều trị thuốc theo yêu cầu tại địa phương”.
Để chứng minh chức năng của nguồn điện, các nhà nghiên cứu đã kết nối các siêu tụ điện xếp chồng lên nhau với một cuộn dây tiếp nhận và một thiết bị phân phối thuốc có thể phân hủy sinh học rồi cấy thiết bị vào chuột. Nguyên mẫu được cấy ghép gồm các mảnh riêng biệt nối lại với nhau.
Thiết bị phân phối thuốc chứa thuốc chống viêm được cấy vào chuột bị sốt do nấm men.
Kết quả là trong 12 giờ theo dõi, nhiệt độ của nhóm chuột không được cấy ghép cao hơn đáng kể so với nhóm được cấy ghép.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết việc bật - tắt thiết bị vẫn còn nhiều bất cập, vì thiết bị chỉ ngừng lại khi hết điện. Song họ nói rằng kích hoạt sạc theo quy tăc có thể giúp kiểm soát thời gian bật – tắt thiết bị.
Ở những con chuột cấy ghép thiết bị không được tích điện, các nhà nghiên cứu cho biết cũng có một số thuốc giải phóng thụ động, vì nhiệt độ ghi nhận ở nhóm này cũng giảm so với nhóm đối chứng.
Các nhà khoa học nhấn mạnh nguyên mẫu này “thể hiện bước tiến quan trọng trong việc thúc đẩy một loạt các thiết bị điện sinh học cấy ghép tạm thời với tiềm năng cung cấp các giải pháp năng lượng hiệu quả và đáng tin cậy”.