Trị liệu chính xác với thiết bị điện tử sinh học hữu cơ

Loại thiết bị điện tử sinh học cấy ghép đang đóng một vai trò quan trọng trong những phương pháp điều trị này, nhưng có một số thách thức đã cản trở việc áp dụng rộng rãi của chúng. Loại thiết bị này yêu cầu có bộ phận chuyên dụng để thu tín hiệu, xử lý, truyền dữ liệu và cấp nguồn. Cho đến nay, để đạt được những khả năng này trong một thiết bị cấy ghép đòi hỏi phải sử dụng nhiều thành phần cứng và không tương thích sinh học có thể dẫn đến phá vỡ mô và gây khó chịu cho bệnh nhân. Lý tưởng nhất là loại thiết bị này cần tương thích sinh học, linh hoạt và ổn định lâu dài trong cơ thể. Chúng cũng phải đủ nhanh và nhạy cho phép ghi lại mọi tín hiệu sinh học nhanh, biên độ thấp, trong khi vẫn có thể truyền dữ liệu để phân tích bên ngoài.

Do đó, một nhóm nhà nghiên cứu của Columbia Engineering công bố họ đã phát triển thiết bị điện tử sinh học hoàn toàn hữu cơ, phù hợp, độc lập đầu tiên không chỉ có thể thu và truyền tín hiệu não sinh lý thần kinh mà còn có thể cung cấp năng lượng cho hoạt động của thiết bị. Thiết bị này, nhỏ hơn khoảng 100 lần so với sợi tóc người, dựa trên kiến ​​trúc bóng bán dẫn hữu cơ kết hợp một kênh thẳng đứng và một ống dẫn nước thu nhỏ thể hiện tính ổn định lâu dài, hiệu suất điện cao và hoạt động ở điện áp thấp giúp ngăn ngừa tổn thương mô sinh học. Nhóm nhà nghiên cứu và bác sĩ lâm sàng đều biết rằng cần có các bóng bán dẫn đồng thời đáp ứng tất cả những tính năng sau: điện áp hoạt động thấp, tính tương thích sinh học, tính ổn định hiệu suất, tính phù hợp để hoạt động trong cơ thể sống và hiệu suất điện cao - bao gồm đáp ứng thời gian nhanh, độ dẫn điện cao và hoạt động không nhiễu xuyên âm.

Loại bóng bán dẫn dựa trên silicon là công nghệ lâu đời nhất, nhưng chúng không phải là giải pháp hoàn hảo vì chúng cứng nhắc và không thể thiết lập giao diện ion rất hiệu quả với cơ thể. Nhóm đã giải quyết những vấn đề này bằng cách giới thiệu một kiến ​​trúc IGT phụ (bóng bán dẫn điện hóa hữu cơ cổng ion bên trong) có thể mở rộng, độc lập, có tên gọi là vIGT. Họ kết hợp cách sắp xếp kênh dọc giúp tăng tốc độ nội tại của kiến ​​trúc IGT bằng cách tối ưu hóa hình dạng kênh và cho phép sắp xếp mật độ cao các bóng bán dẫn cạnh nhau - 155.000 bóng bán dẫn trên mỗi centimet vuông.

vIgT là gì?

vIGT bao gồm vật liệu tương thích sinh học, có sẵn trên thị trường, không yêu cầu đóng gói trong môi trường sinh học và không bị suy giảm khi tiếp xúc với nước hoặc ion. Vật liệu composite có thể được tái sản xuất với số lượng lớn và có thể xử lý bằng giải pháp, giúp nó dễ tiếp cận hơn với nhiều quy trình chế tạo. Chúng linh hoạt và tương thích với việc tích hợp vào nhiều loại chất nền nhựa phù hợp khác nhau và có độ ổn định lâu dài, nhiễu xuyên âm giữa các bóng bán dẫn thấp và khả năng tích hợp mật độ cao, cho phép chế tạo mạch tích hợp hiệu quả.

Trưởng nhóm nghiên cứu và phó giáo sư kỹ thuật điện Dion Khodagholy giải thích: “Thiết bị điện tử hữu cơ không được biết đến với hiệu suất và độ tin cậy cao. Nhưng với kiến ​​trúc vGIT mới, chúng tôi có thể kết hợp một kênh dọc có nguồn cung cấp ion riêng. Khả năng tự cung cấp ion này khiến bóng bán dẫn trở nên đặc biệt nhanh - trên thực tế, chúng hiện là bóng bán dẫn điện hóa nhanh nhất”. Để đẩy nhanh tốc độ hoạt động hơn nữa, nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật chế tạo nano tiên tiến để thu nhỏ và làm dày đặc các bóng bán dẫn này ở quy mô dưới vi mét. Quá trình chế tạo diễn ra trong phòng sạch của Columbia Nano Initiative.

Hợp tác với bác sĩ lâm sàng

Để phát triển kiến ​​trúc, trước tiên nhóm nhà nghiên cứu cần hiểu những thách thức liên quan đến chẩn đoán và điều trị bệnh nhân mắc chứng rối loạn thần kinh như động kinh, cũng như các phương pháp hiện đang được sử dụng. Họ đã làm việc với các đồng nghiệp tại Khoa Thần kinh học tại Trung tâm Y tế Irving thuộc Đại học Columbia, đặc biệt là với Jennifer Gelinas, trợ lý giáo sư thần kinh học, kỹ thuật điện và y sinh đồng thời là giám đốc Phòng thí nghiệm Động kinh và Nhận thức. Sự kết hợp của tốc độ cao, linh hoạt và hoạt động ở điện áp thấp cho phép bóng bán dẫn không chỉ được sử dụng để ghi tín hiệu thần kinh mà còn để truyền dữ liệu cũng như cấp nguồn cho thiết bị, dẫn đến một bộ cấy hoàn toàn phù hợp. Nhóm nhà nghiên cứu sử dụng tính năng này để chứng minh mô cấy hoàn toàn mềm và có thể xác nhận có khả năng ghi cũng như truyền hoạt động thần kinh có độ phân giải cao từ cả bên ngoài, trên bề mặt não cũng như bên trong, sâu bên trong não.

Gelinas bình luận: “Công việc này sẽ có khả năng mở ra nhiều cơ hội chuyển đổi và giúp cho thiết bị cấy ghép y tế có thể tiếp cận được với một lượng lớn bệnh nhân, những người theo truyền thống không đủ tiêu chuẩn cho thiết bị cấy ghép do sự phức tạp và rủi ro cao của những quy trình như vậy”. Claudia Cea, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết thêm: “Thật tuyệt vời khi nghĩ rằng nghiên cứu và thiết bị của chúng tôi giúp bác sĩ chẩn đoán tốt hơn và tác động tích cực đến chất lượng cuộc sống của bệnh nhân”.

Tiếp theo, nhóm nhà nghiên cứu có kế hoạch hợp tác với các bác sĩ giải phẫu thần kinh tại CUIMC để xác nhận khả năng của bộ cấy ghép dựa trên vIGT trong phòng mổ. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ phát triển được loại thiết bị cấy ghép mềm và an toàn, cho phép phát hiện và xác định các loại sóng não bệnh lý khác nhau do rối loạn thần kinh gây ra.