Hydrogel điện từ cho các ứng dụng y sinh

Trong nhiều thập kỷ qua, một loại hydrogel đặc biệt, hydrogel dẫn điện (EHs) được sự quan tâm đặc biệt của các nhà sinh học. Các thuộc tính mong muốn của hydrogel y sinh, cũng như tính chất dẫn điện và đáp ứng kích thích của các polymer dẫn tích hợp trong EH (Hình 1a), cho phép khả năng tương thích trong vai trò ma trận tăng trưởng, sinh sản và di chuyển tế bào. Chính vì những tính chất này, các EH được ứng dụng rộng rãi trong y sinh như ma trận nuôi cấy tế bào, khung kỹ thuật mô, vật chất dẫn thả có kiểm soát, cảm biến sinh học và cấy ghép sinh học điện tử (Hình 1b).

Hình 1. (a) Sơ đồ minh họa của EHs. Vòng tròn bên trong: ba loại EH. Vòng tròn bên ngoài: năm thuộc tính chính của EH cho các ứng dụng y sinh. (b) Các ứng dụng y sinh dựa trên cơ sở EH bao gồm nuôi cấy tế bào, kỹ thuật mô, cảm biến sinh học, cung cấp có kiểm soát và tương thích với thiết bị vi điện tử cấy ghép.

Nhiều loại tế bào khác nhau, ví dụ như tế bào cơ và thần kinh, thường phản ứng với kích thích điện, tính chất này rất quan trọng trong việc tăng sinh tế bào, di chuyển và tái tạo mô.

EH được sử dụng để kiểm soát các tín hiệu kích thích điện hoặc điện sinh học, được tạo ra từ các tế bào để hỗ trợ và điều hành sự tăng trưởng, tăng sinh sản và di chuyển để hình thành các mô.

Chính vì vậy, những polymer EH có thể thực hiện nhiều chức năng như giám sát và điều khiển các hoạt động của tế bào, những khả năng này có lợi thế hơn rất nhiều nếu so sánh với hydrogel thông thường.

Ngoài vai trò là ma trận nuôi cấy tế bào và khung tái tạo mô, EH còn được sử dụng để phát triển hệ thống phân phối thuốc thông minh, dẫn và thả thuốc có kiểm soát, được thực hiện bằng cách sử dụng một điện trường bên ngoài làm thay đổi tính chất của polymer EH.

Ngoài ra, các EH có thể phản ứng với những kích thích khác nhau, chuyển đổi các kích thích này thành tín hiệu điện, những tính năng hấp dẫn này được phục vụ cho cảm biến hóa học và sinh học hiệu suất cao.

Ứng dụng EH như vật chất mang và bộ cảm biến sinh học có kiểm soát có thể được kết hợp và sử dụng như các thiết bị cấy ghép có lợi thế lớn về khả năng tương thích sinh học cao hơn so với các thiết bị vi điện tử cứng thông thường, có thể được sử dụng trong sự phát triển tương lai của máy tính trí tuệ nhân tạo tương tự như não người và các robot linh động, tiên tiến mô phỏng hoạt động dạng người (Hình 2).

Hình 2. Các ứng dụng EH trong tương lai nhằm các giao diện máy tính trí tuệ nhân tạo tương tự não người và robot linh động tiên tiến.

Mặc dù có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về EH, nhưng vẫn tồn tại những thách thức: Cần nâng cao khả năng phân hủy sinh học, khả năng tương thích sinh học, tính ổn định và tương thích với vi điện tử để có thể đưa các EH và các thiết bị y sinh phát triển trên cơ sở sử dụng EH vào liệu pháp điều trị.