Pin nhỏ nhất thế giới cho cảm biến y tế

Kết quả nghiên cứu giới thiệu loại “siêu tụ điện sinh học nano” (nano-biosupercapacitor), hay nBSC, một ngày nào đó cung cấp năng lượng cho robot và cảm biến y tế thu nhỏ. Cho đến gần đây, những siêu tụ điện nhỏ nhất vẫn có kích thước vài milimét khối. Kích thước này quá lớn để có thể đặt an toàn vào các mạch máu hẹp.

Tuy nhiên, nguyên mẫu mới chỉ có kích thước 0,001 milimét khối, hay một nanolit - nhỏ hơn khoảng 3.000 lần so với những mẫu trước đó. Để dễ hình dung, nó nhỏ hơn cả một hạt bụi. Ngay cả ở quy mô này, nBSC vẫn tạo ra tới 1,6 vôn điện trong máu. Điện áp này tương đương với điện áp bạn có thể nhận được từ pin AAA, mặc dù dòng điện thực tế yếu hơn nhiều. Tuy nhiên, đối với loại cảm biến nhỏ, như vậy là quá đủ.

Sức mạnh của hình ống

Một trong những đặc điểm thiết kế thông minh là hình dạng. Thay vì phẳng, thiết bị được cuộn thành một ống nhỏ bằng công nghệ Origami mà giới nghiên cứu gọi là “Swiss-roll”. Bằng cách xếp lớp vật liệu dưới áp lực cao rồi thả ra, các tấm vật liệu tự cuộn lại thành những hình trụ gọn gàng. Hình dạng này giúp thiết bị có độ bền cao, chống lại sự chèn ép của dòng máu hoặc cơ bắp. Tuy nhiên, nó không chỉ bền chắc. Lõi rỗng bên trong của ống còn đóng vai trò như một kênh dẫn cho huyết tương máu chảy qua.

Điều này khiến nó đặc biệt phù hợp để tích hợp với mạng cảm biến phân tích đặc tính hóa học của máu. Siêu tụ điện thường gặp phải một nhược điểm lớn: chúng mất điện tích theo thời gian, một vấn đề được gọi là tự xả. Thiết bị nBSC mới giải quyết vấn đề này một cách đáng ngạc nhiên - bằng cách hoạt động cùng với cơ thể. Các enzyme oxy hóa khử và thậm chí cả tế bào sống trong máu tương tác với thiết bị, giúp tăng hiệu suất của nó lên khoảng 40%. Những yếu tố hỗ trợ tự nhiên này giúp tụ điện giữ điện tích lâu hơn và sạc lại hiệu quả hơn.

Tiến sĩ Vineeth Kumar, một nhà nghiên cứu trong nhóm của Schmidt, gọi đây là giải pháp tiềm năng đầu tiên cho thách thức lâu dài về việc cung cấp năng lượng cho những hệ thống nhỏ trong cơ thể. Nhóm nghiên cứu chứng minh rằng trong máu, nBSC có thể duy trì gần một volt ngay cả sau nhiều giờ, điều mà những thiết bị siêu nhỏ khác chưa đạt được. Để đảm bảo siêu tụ điện mới chịu được môi trường thực tế của cơ thể, nhóm nhà nghiên cứu thử nghiệm nó trong điều kiện mô phỏng dòng máu chảy. Họ sử dụng những kênh vi lưu nhỏ chỉ 0,12mm mô phỏng nhiều mạch máu có kích thước khác nhau, với chất lỏng di chuyển với tốc độ thực tế.

Pin nBSC vẫn hoạt động tốt, ngay cả sau 5.000 chu kỳ sạc và xả. Nó cũng chịu được loạt bài kiểm tra nén, cho thấy có khả năng duy trì ổn định trước áp suất dao động bên trong cơ thể. Trong thí nghiệm với huyết tương máu, pin vẫn giữ được khoảng 70% điện tích sau 16 giờ. Để chứng minh tính hữu ích, nhóm nghiên cứu kết nối nBSC với một hệ thống cảm biến pH thu nhỏ. Độ pH của máu, dùng để đo độ axit, tiết lộ những dấu hiệu quan trọng về sức khỏe. Độ pH bất thường liên quan đến một số tình trạng như sự phát triển của khối u.

Nhóm nhà nghiên cứu chế tạo một mạch điện tử nhỏ xíu dựa trên bóng bán dẫn nhạy cảm với độ pH và cấp nguồn hoàn toàn bằng nBSC. Khi được đặt trong huyết tương máu, hệ thống tích hợp phát hiện thành công sự thay đổi pH, hoàn toàn không cần nguồn điện bên ngoài. Theo Schmidt, thật đáng khích lệ khi thấy mạng vi điện tử linh hoạt đang bắt đầu kết hợp với hệ thống sinh học.

Tương lai có thể dẫn đến đâu?

Thành công của siêu tụ điện sinh học nano này mở ra tương lai cho những cỗ máy y tế tí hon. Hãy tưởng tượng cảm biến robot di chuyển qua tĩnh mạch, kiểm tra hóa chất theo thời gian thực, hoặc thiết bị cấy ghép mà không bao giờ cần thay pin. Chỉ riêng việc theo dõi liên tục độ pH máu cũng giúp bác sĩ phát hiện ung thư sớm hơn hiện nay. Nhóm nghiên cứu cũng lưu ý việc bổ sung lớp phủ chống bám bẩn giúp ngăn ngừa hình thành cục máu đông xung quanh thiết bị, giúp chúng an toàn hơn khi sử dụng lâu dài.

Thiết kế trong tương lai liên kết nhiều nBSC lại với nhau cung cấp công suất cao hơn, hoặc kết hợp chúng với những loại vi điện tử khác tạo ra loại công cụ tiên tiến hơn. Siêu tụ điện sinh học nano cung cấp năng lượng cho mô cấy ghép, cảm biến hoặc robot siêu nhỏ nằm sâu trong mô hoặc mạch máu.

Điều này đồng nghĩa với việc phát hiện sớm nhiều bệnh như ung thư, theo dõi sức khỏe chính xác hơn và các lựa chọn điều trị mới được cung cấp trực tiếp đến nơi cần thiết. Nghiên cứu cũng mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ nano, cung cấp công cụ kết hợp kỹ thuật với sinh học theo cách mang lại lợi ích cho y học trong nhiều năm tới.