Cảm biến phân huỷ sinh học: Đột phá mới trong công nghệ y sinh học

Đây là loại cảm biến linh hoạt, kích thước nhỏ, được cấu tạo từ những chất liệu an toàn đối với sức khoẻ và đã được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) cấp phép cho sử dụng trong khâu vết mổ, ghép xương và các loại cấy ghép khác. Chúng được thiết kế để thay thế các loại cảm biến áp lực (có thể cấy ghép) khác có chứa các thành phần có khả năng gây độc hại đối với cơ thể. Những loại cảm biến này phải được lấy ra khỏi cơ thể sau khi sử dụng và do đó cần phải thực hiện thêm một thủ thuật xâm lấn khác trên bệnh nhân, điều này sẽ khiến kéo dài thời gian hồi phục và tăng nguy cơ nhiễm trùng.

Cấu tạo của cảm biến UConn

Một trong những thách thức lớn nhất của nghiên cứu sản xuất loại cảm biến này là phải tạo được loại vật liệu có khả năng phát ra điện tích khi nó chịu áp lực hoặc ép nén, đây là một quá trình được gọi là “hiệu ứng áp điện” (piezoelectric effect). Bình thường, loại polymer an toàn đối với sức khoẻ sử dụng trong cảm biến UConn, Poly(L-lactide) hay PLLA, ở trạng thái trung hoà và không phát ra điện tích khi có áp lực. Các nhà khoa học ở UConn đã thành công khi chuyển PLLA thành dạng có tính chất áp điện bằng cách đun nóng cẩn thận, kéo căng và cắt xén ở những góc độ chính xác để thay đổi cấu trúc nội phân tử của nó.

cảm biến UConn được cấu tạo gồm 2 lớp màng PLLA áp điện, mỗi lớp dày 200 micromet, dài 5mm và rộng 5mm, được kẹp ở giữa các điện cực nhỏ bằng kim loại molypden, sau đó được đóng trong các nang bằng polylactic acid hay PLA. Đây là loại sản phẩm phân huỷ sinh học thường được sử dụng trong các đinh ốc nẹp xương và các khung cố định mô. Kim loại molypden cũng được sử dụng để chế tạo các stent dùng trong nong mạch ở tim cũng như trong ghép khớp háng.

Nguyên lý hoạt động và ứng dụng trong trị bệnh

Lớp màng PLLA có tính áp điện có thể phát ra điện tích khi chịu một áp lực thậm chí rất nhỏ áp lên nó. Những tín hiệu điện này có thể được bắt lấy, khuếch đại và truyền sang một thiết bị hiện đọc để bác sĩ có thể đọc được thông tin.

Kết quả đọc của loại cảm biến này trong quá trình thử nghiệm là tin cậy và tương đương với các thiết bị thương mại hiện có mặt trên thị trường. Chúng có khả năng bắt được một phổ rộng các loại áp lực S*nh l*, chẳng hạn như ở não, đáy mắt và ổ bụng. Độ nhạy của loại cảm biến này có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi số lớp màng PLLA được sử dụng và các yếu tố khác.

Trong quá trình nghiên cứu, cảm biến được cấy vào bụng của chuột để theo dõi tần số hô hấp và cung cấp những giá trị đọc đáng tin cậy về sự co thắt cơ hoành chuột trong 4 ngày trước khi phân huỷ thành những thành phần hữu cơ riêng lẻ. Để đảm bảo loại cảm ứng này an toàn đối với sức khoẻ, các nhà nghiên cứu đã cấy chúng vào lưng của chuột và theo dõi đáp ứng của hệ miễn dịch. Kết quả cho thấy vị trí cấy ghép chỉ bị viêm nhẹ và các mô xung quanh trở lại bình thường sau 4 tuần.

cảm biến UConn có thể được ứng dụng để theo dõi các bệnh lý ở phổi và não. Chẳng hạn đối với trường hợp ở não, cảm biến này có thể được cấy ghép vào não, sau đó nó sẽ được nối với một thiết bị điện khác thông qua một dây nối có khả năng phân huỷ sinh học. Loại thiết bị điện này có thể được cấy ở bên ngoài chẳng hạn như ở dưới da phía sau tai. Sau quá trình theo dõi, chỉ cần tiến hành loại bỏ thiết bị điện này mà không sợ ảnh hưởng đến mô não. cảm biến UConn cũng có thể được sử dụng để thực hiện quá trình kích thích điện giúp tái tạo mô. Ngoài ra, thiết bị này còn có thể có những ứng dụng tiềm năng khác như theo dõi bệnh tăng nhãn áp, ung thư bàng quang và các bệnh lý về tim.

Hiện các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu để tìm cách kéo dài tuổi thọ chức năng của loại cảm biến này với mục tiêu cuối cùng là phát triển được một hệ thống cảm biến có khả năng phân huỷ hoàn toàn trong cơ thể người. Nhưng trước mắt thì dạng hiện tại có thể được sử dụng giúp bệnh nhân tránh được các phẫu thuật loại bỏ có tính xâm lấn. Loại cảm biến mới này hiện đã đăng ký và đang chờ cấp bằng phát minh sáng chế.

Trần Thái Sơn

((Theo today.uconn.edu))

Mạng Y Tế