Tụ điện sinh học siêu nhỏ giúp chẩn đoán sớm bệnh

Nhỏ hơn một hạt bụi - điện áp tương đương pin AAA

Hệ thống lưu trữ năng lượng này mở ra khả năng phát triển cấy ghép nội mạch và hệ thống vi mô y sinh học thế hệ tiếp theo, hoạt động trong những không gian nhỏ khó tiếp cận sâu bên trong cơ thể con người. Ví dụ, phát hiện độ pH máu thời gian thực có thể giúp dự đoán sớm sự phát triển của khối u.

Chế tạo các thiết bị lưu trữ năng lượng nhỏ hơn milimet, được gọi là "siêu tụ điện nano" (nBSC) cho các thiết bị vi điện tử siêu nhỏ vô cùng khó khăn do những siêu tụ điện không sử dụng các vật liệu tương thích sinh học, mà là các chất điện phân ăn mòn, tự phóng điện nhanh chóng trong trường hợp khuyết tật và nhiễm bẩn. Hai nguyên nhân này khiến siêu tụ điện không phù hợp với những ứng dụng y sinh trong cơ thể. Tụ điện sinh học (BSC) là giải pháp cho vấn đề này do hoàn toàn tương thích sinh học, có thể được sử dụng trong chất lỏng cơ thể như máu và phục vụ những nghiên cứu y học sâu.

Một đặc trưng của tụ điện sinh học là có thể tự nạp bù từ những phản ứng điện hóa sinh học. Tụ điện sinh học còn có thể tăng hiệu quả sử dụng từ các phản ứng của chính cơ thể như những phản ứng enzym oxy hóa khử của các tế bào sống, hiện diện tự nhiên trong máu làm tăng 40% hiệu suất thiết bị.

Những thiết bị lưu trữ năng lượng nhỏ nhất hiện nay có kích thước lớn hơn 3mm3. Nhóm nghiên cứu của GS Oliver Schmidt thành công chế tạo các nBSC hình ống nhỏ hơn 3.000 lần, thể tích 0,001mm3 (1 nanolitre), nhỏ hơn nhiều lần một hạt bụi và cung cấp điện áp đến 1,6V cho những cảm biến vi điện tử.

Nguồn năng lượng này đủ cho một hệ thống cảm biến trong máu. Mức năng lượng tương đương với điện áp của pin AAA tiêu chuẩn, dù dòng điện thực tế thấp hơn rất nhiều. Hình dạng ống linh hoạt của tụ điện sinh học nano cho phép bảo vệ hiệu quả chống lại những biến dạng trong lưu thông máu xung động hoặc co cơ. Với công suất này, nguyên mẫu tụ điện sinh học nano có thể vận hành một hệ thống cảm biến tích hợp đầy đủ phức tạp để đo giá trị pH trong máu.

Công nghệ cấu trúc origami: siêu nhỏ, linh hoạt, mạnh

Công nghệ cấu trúc origami là quá trình trải từng lớp màng các vật liệu, cần thiết cho các thành phần nBSC trên bề măt mỏng dưới sức căng cơ học cao. Khi các lớp vật liệu được tách ra khỏi bề mặt một cách có kiểm soát, năng lượng biến dạng giải phóng và các lớp tự cuộn thành thiết bị 3D nhỏ gọn với độ chính xác và hiệu suất cao đến 95%.

Các tụ điện sinh học nano, sản xuất theo phương pháp này được thử nghiệm trong 3 dung dịch chất điện giải: Nước muối, huyết tương và máu. Trong máu, tụ điện sinh học nano có thời gian hoạt động cao, giữ được tới 70% dung lượng ban đầu sau 16 giờ. Nhóm khoa học sử dụng bộ tách trao đổi proton (PES) để ngăn chặn quá trình tự phóng điện.

Nhóm khoa học đã nghiên cứu hiệu suất hoạt động của siêu tụ điện trong môi trường mô phỏng là các kênh vi lỏng có đường kính từ 120 - 150µm (0,12 - 0,15mm), tương tự các mạch máu có kích thước khác nhau. Kết quả cho thấy, tụ điện sinh học nano có thể cung cấp năng lượng đều và ổn định trong các điều kiện sinh lý của cơ thể.

Hằng số điện ly hydro (pH) của máu có thể thay đổi. Nhờ đó, đo độ pH liên tục giúp phát hiện sớm khối u. Nhằm mục đích này, các nhà nghiên cứu phát triển cảm biến pH trên cơ sở tụ điện sinh học nano.

Trước đây, nhóm nghiên cứu của GS Oliver Schmidt đã phát triển Công nghệ bán dẫn màng mỏng 5µm (TFT), được sử dụng để phát triển bộ dao động vòng với tính linh hoạt cơ học đặc biệt, hoạt động với năng lượng thấp (nW đến µW) và tần số cao (lên đến 100MHz).

Trong dự án đo độ pH, nhóm nghiên cứu sử dụng bộ dao động vòng với nguồn lưu trữ điện năng nBSC. Các nhà khoa học tích hợp một nBSC nhạy cảm với pH với bộ dao động vòng để có được sự thay đổi tần số đầu ra, phụ thuộc vào độ pH của chất điện phân. Bộ dao động vòng nhạy cảm với pH này cũng được chế tạo với dạng hình ống 3D bằng kỹ thuật Origami "Swiss-roll", hình thành hệ thống tích hợp đầy đủ và siêu nhỏ bao gồm cả lưu trữ điện năng và cảm biến.

Lõi rỗng bên trong của hệ thống cảm biến vi mô này là kênh dẫn huyết tương. Ba nBSC được kết nối nối tiếp với cảm biến cho phép đo pH đặc biệt hiệu quả và tự động bền vững. Kết quả thử nghiệm này cho phép phát triển hàng loạt các ứng dụng trong chẩn đoán sớm và điều trị.