Nhà giải phẫu thần kinh Roy Murphy cùng một nhóm kỹ sư đến từ đại học y dược Washington đang phát triển một loại cảm biến áp lực có thể tự tiêu, từ dó có thể giám sát áp suất bên trong hộp sọ và phản ứng nhanh trước những tổn thương vĩnh viễn lên não.
Theo Murphy, bên cạnh đạn bắn, tác động ngoại lực và máu đông thì những tổn thương não gây nên cái chết của hơn 50.000 người tại Mỹ mỗi năm. Những loại chấn thương này khiến não phình lên, chèn ép lên các mạch máu ảnh hưởng đến sự lưu thông của máu và oxy và dẫn đến cái chết hoặc thương tổn lâu dài. Những nhà giải phẫu thần kinh như Murphy hiểu rằng họ cần các giải pháp có độ tin cậy cao để giám sát áp suất dưới sọ. Điều này có thể được thực hiện nhờ các cảm biến nhưng chúng vẫn có kích thước lớn và cần được lấy ra khỏi sọ sau khi bệnh nhân phục hồi.
Giải pháp của Murphy cùng nhóm kỹ sư là một cảm biến tự tiêu, mỏng hơn đầu 1 cây kim và có thể nằm lại trong não bệnh nhân để thu thập chính xác các chỉ số trong nhiều ngày trước khi biến mất hoàn toàn.
Murphy đã nhờ đến sự trợ giúp của John Rogers - một nhà nghiên cứu đến từ đại học Illinois. Rogers là một chuyên gia chế tạo các thiết bị điện tử dẻo bao gồm máy kích điện cho tim, hình xăm tạm hời đóng vai trò là cảm biến y học và camera cong hoạt động theo cơ chế của đôi mắt. Rogers thường sử dụng các vật liệu cơ bản giá rẻ như silicon thay vì graphene và ông tập trung tùy biến cấu trúc cũng như độ dày để tạo ra những tấm vật liệu phẳng, dẻo. Vào năm 2012, Rogers đã sử dụng các phương pháp tương tự để tạo ra những thiết bị điện tử có thể tan rã trong nước sau 1 khoảng thời gian nhất định. Dĩ nhiên một con chip silicon cũng có thể tan ra nhưng sẽ mất vài triệu năm. Tuy nhiên, nhờ in được các mạch điện đủ mỏng, Rogers đã tăng tốc quy trình tan rã này trong vài giờ hoặc vài ngày, rất lý tưởng để trở thành các thiết bị cấy ghép vốn chỉ cần tồn tại và hoạt động tạm thời. Một ví dụ, Rogers đã tạo ra một thiết bị làm nóng tự tiêu có thể đốt cháy vi khuẩn lây nhiễm trên chuột trước khi tự động biến mất trong cơ thể động vật khỏe mạnh.
Khi Murphy được biết đến những phát minh của Rogers, ông đã bị mê hoặc. Cùng nhau, họ tinh chỉnh các thiết kế nguyên bản của Rogers thành một loại cảm biến áp suất rất hữu ích về phương diện lâm sàn. Nó bao gồm một tấm màng được làm bằng PLGA - một loại polymer thường được dùng trong các thiết bị y khoa và tấm màng này được căng trong một khung bằng silicon và ma-giê. Áp suất của chất lỏng xung quanh sẽ làm cong tấm màng, từ đó thay đổi điện trở của một cảm biến silicon đặt cạnh đó. Tất cả thành phần sau đó được gói lại trong một lớp polymer chống thấm nước và sẽ bị ăn mòn từ từ sau vài ngày.
Khi Murphy cấy thiết bị này trên chuột, ông nhận ra rằng nó có độ chính xác tương đương những cảm biến áp suất tốt nhất trên thị trường. Đồng thời, thiết bị cũng có giá thành rẻ bởi nó sử dụng các vật liệu truyền thống, không có thành phần kim loại. Và điều quan trọng hơn cả là nó có vẻ như rất an toàn để sử dụng. Thiết bị không kích ứng gây viêm hay phản ứng miễn dịch khi nó vẫn còn nguyên vẹn hoặc đã tan rã trong cơ thể.
Rogers cho biết: "Những vật liệu chúng tôi chọn bao gồm một phần rất nhỏ ma-giê và silicon, đây cũng là những thành phần nên có trong bữa ăn hàng ngày." Khi chúng tan rã, sự cô đọng của các thành phần vừa nêu rất thấp do đó khó có thể theo dõi dựa trên tình trạng của các chất tương tự sẵn có trong cơ thể động vật.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ thử nghiệm cảm biến trên lợn và tiến hành nhiều nghiên cứu hơn để thuyết phục giới chức trách rằng thiết bị của họ hoàn toàn an toàn. Nếu mọi thứ diễn ra theo kế hoạch, Murphy hy vọng sẽ có thể bắt đầu thử nghiệm lâm sàn trên người trong vòng từ 3 đến 5 năm tới.
Trong khi đó, Rogers muốn cải tiến thiết bị, đặc biệt là về nguồn cấp năng lượng và kết nối. Hiện tại, cảm biến được kết nối bằng dây với một thiết bị cấy ghép khác đặt dưới da, tại một khu vực khó tổn thương trên cơ thể. Thiết bị này sau đó truyền tải không dây dữ liệu từ cảm biến đến một nguồn thu bên ngoài đồng thời nhận lại năng lượng từ giao tiếp không dây. Cảm biến và dây dẫn đều biến mất hoàn toàn nhưng thiết bị cấy ghép dưới da chỉ có thể tan rã khoảng 85%. Rogers nghĩ rằng ông có thể đưa tỉ lệ tan rã của thiết bị lên 100%.
"Nhu cầu phát triển các thiết bị cấy ghép có thể liên tục theo dõi cơ thể, hỗ trợ bác sĩ đưa ra các quyết định lâm sàn và sau cùng là cải thiện chất lượng cuộc sống của bệnh nhân hiện đang rất lớn và chưa được đáp ứng," theo phó giáo sư Jeffrey Karp tại bệnh viện Brigham & Women. Trong khi đó, Rogers, Murphy cùng các cộng sự cũng phải vượt qua thử thách rằng: "Sẽ rất quan trọng để xác định hệ thống có thể làm việc trong bao lâu và làm thế nào để điều chỉnh các chỉ số với những thay đổi sinh học phản hồi với vật liệu được cấy ghép."
Rogers hiển nhiên muốn cảm biến có tuổi thọ lâu hơn. Hiện tại, cảm biến có thể tồn tại trong thời gian lâu nhất là vài ngày. Ông nói: "Chúng tôi muốn gia cố nó để nó có thể tồn tại lâu hơn so với những gì các nhà vật lý mong muốn. Chúng tôi muốn thời gian tồn tại sẽ từ 4 đến 5 tuần và hiện tại chúng tôi vẫn chưa thể thực hiện được."
Không chỉ áp suất, nhóm nghiên cứu cho biết họ muốn cảm biến có thể đo được nhiều chỉ số khác như nhiệt độ, độ pH, lưu lượng dòng chảy và thậm chí phát hiện các phân tử đặc trưng. Và không chỉ não, cảm biến sẽ có thể được cấy ghép vào nhiều bộ phận cơ thể khác như tim hoặc ổ bụng.
Rogers không chỉ dừng lại ở một thiết bị mang chức năng "phát hiện" đơn thuần, ông còn muốn thiết bị còn có thể "chữa trị". Một vị dụ, Rogers hiện đang chế tạo những chiếc máy kích thích điện tự tiêu để chữa trị các thương tổn thần kinh. Ông nói: "Nếu bạn có thể kích thích một dây thần kinh biên, bạn có thể kích thích quá trình hồi phục. Và sau khi mọi thứ được chữa lành, bạn không cần phải trở lại lấy thiết bị ra."
Theo: The Atlantic
