MỸ – Cảm biến sinh học đã cách mạng hóa lĩnh vực chăm sóc sức khỏe tại nhà trong hai thập kỷ qua, mang lại cho những người mắc bệnh mãn tính thông tin và sự an tâm trong việc duy trì lối sống năng động. Tuy nhiên, ngay cả những cảm biến tốt nhất cũng bị hạn chế bởi khả năng duy trì tiếp xúc với da khi vận động mạnh.

Các nhà nghiên cứu từ đại học Drexel (Drexel university) và đại học Bang Pennsylvania (Penn State university) đã thực hiện cải tiến vật liệu hydrogel (*) sử dụng trong cảm biến sinh học. Nhóm nghiên cứu công bố một công thức mới để tạo ra lớp nền dạng gel linh hoạt, bền bỉ và đủ độ bám dính để tạo kết nối bền vững hơn.
(*) Hydrogel: là một mạng lưới các chuỗi polymer có khả năng hấp thụ và giữ một lượng lớn nước mà không bị tan chảy. Dù thành phần cấu tạo chứa từ 70% đến hơn 90% là nước, hydrogel vẫn duy trì được cấu trúc dạng rắn linh hoạt, dẻo dai và có độ đàn hồi tương tự như các mô sinh học mềm (như da hay sụn).

Theo các nhà nghiên cứu, bên cạnh các chuyển động thông thường như gập hay co giãn cơ thể, các cản trở trên bề mặt như độ ẩm, dầu nhờn hay lông tóc là những rào cản lớn nhất khiến cảm biến sinh học khó bám chắc vào cơ thể và thu nhận các tín hiệu sinh học theo thiết kế. Được công bố trên tạp chí Science Advances, loại hydrogel này được chế tạo để bám dính vào da ngay cả qua lớp lông và mồ hôi, đồng thời duy trì độ bám trong suốt quá trình hoạt động thể chất.

Tiến sĩ Abu Musa Abdullah, nghiên cứu về kỹ thuật cơ khí và cơ học tại trường kỹ thuật và máy tính Nick Howley thuộc đại học Drexel, một trong những người dẫn đầu nghiên cứu, chia sẻ: “Mục tiêu cuối cùng của cảm biến sinh học là đạt độ tin cậy và thoải mái để người đeo có thể sinh hoạt bình thường mà không nhận ra sự hiện diện của nó. Từ định hướng đó, nhóm đã thiết kế công thức cho một loại hydrogel có thể in theo bất kỳ hình dạng hay kích thước nào, đủ độ bám dính để bám vào da ngay cả khi đổ mồ hôi hoặc có lông, và đủ bền để tái sử dụng.”

Cải tiến của họ có được nhờ việc tùy chỉnh hỗn hợp polymer và các chất phụ gia tạo gel, giúp vật liệu hoạt động theo một số cơ chế rất đặc thù.

Nhóm nghiên cứu muốn các cảm biến hydrogel này có thể dễ dàng dán lên bất kỳ vị trí nào trên cơ thể. Điều này đồng nghĩa với việc phải sản xuất được chúng theo kích thước và hình dạng tùy chỉnh. Để đạt được tính linh hoạt trong thiết kế, các nhà nghiên cứu đã tích hợp một cơ chế hóa học, điều khiển bởi độ pH của hỗn hợp, nhằm làm chậm quá trình đông đặc của gel.

Bằng cách điều chỉnh độ pH của dung dịch, các nhà nghiên cứu có thể kích hoạt quá trình tạo gel ngay khi dung dịch còn ở trong ống tiêm. Điều này cho phép gel được bơm mượt mà lên da và tạo thành một cảm biến và nhanh chóng ôm sát vùng cơ thể được áp vào.

Tiến sĩ Abdullah nói rằng: “Tính linh hoạt trong sản xuất này cho phép nhóm chế tạo các điện cực tùy chỉnh theo nhiều hình dạng và mẫu mã khác nhau, ôm sát vào các vị trí cụ thể trên cơ thể hoặc từng khách hàng. Thay vì tạo ra một phương pháp đo sinh lý hoàn toàn mới, hydrogel của nhóm nghiên cứu giúp các phép đo đáng tin cậy hơn trong những điều kiện thực tế phức tạp.”

Nhằm tăng độ bền và nâng cao độ dẫn điện của hydrogel, giúp cảm biến hoạt động hiệu quả hơn, các nhà nghiên cứu đã thêm các vảy vật liệu nano gốc graphene (*) vào hỗn hợp. Những vảy này, bao gồm graphene do laser tạo ra (laser induced graphene) và graphene oxide giảm (reduced graphene oxide), hình dung thành một mạng lưới xốp bên trong hydrogel, cho phép mồ hôi thấm qua gel mà không tích tụ làm gián đoạn hoặc bong tróc cảm biến.
(*) Graphene: là một dạng của carbon, bao gồm một lớp nguyên tử carbon duy nhất được liên kết với nhau theo cấu trúc mạng lưới hình lục giác (kiểu tổ ong) hai chiều (2D).

Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã đưa polydopamine vào công thức, đây là một polymer ‘keo sinh học’ được sử dụng rộng rãi, mô phỏng các protein bám dính tìm thấy trong mô cơ, biến nó thành chất dính hiệu quả để gắn vật liệu vào các mô sinh học. Hợp chất keo sinh học này không chỉ giúp cố định cảm biến chắc chắn trên da mà còn đảm bảo chúng bám dính liên tục trong quá trình vận động và tiết mồ hôi.

Trong các thử nghiệm sơ bộ, nhóm nhận thấy các tối ưu hóa của họ tạo ra hydrogel có độ mềm tương đương với mô người, có thể co giãn gấp 80 lần kích thước ban đầu và đủ bền để bóc ra dán lại hàng chục lần mà không làm giảm hiệu suất. Nó cũng bám dính mạnh mẽ giữa da và các vật liệu khác như đồng, thép, thủy tinh và cao su, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghệ cảm biến sinh học y tế.

Các cảm biến điện tâm đồ hydrogel đặt ở cổ tay và ngực vẫn duy trì kết nối tín hiệu mạnh mẽ qua các thao tác gập và co giãn. Các cảm biến điện nhãn đồ (electro-oculography) cũng ghi nhận kết quả tương tự qua một chuỗi các bài tập nháy mắt và di chuyển mắt.

Để kiểm tra hiệu suất của hydrogel như một cảm biến sinh học trong ứng dụng thực tế, nhóm đã thiết kế một mảng cảm biến để thu thập nhiều dấu hiệu sinh lý liên quan đến lo âu. Đặt các cảm biến hydrogel lên mí mắt, lòng bàn tay và cổ tay của người thử nghiệm, nhóm có thể theo dõi nhịp nháy mắt, mồ hôi và nhịp tim khi đối tượng lần lượt nghe nhạc thư giãn và các âm thanh gây khó chịu.

Nhóm đã lặp lại thử nghiệm với một tình nguyện viên tự nhận mình sợ nhện, người này được cho xem các video về nhện. Các cảm biến đã ghi lại dữ liệu liên tục trong suốt thí nghiệm khi mức độ lo âu của người tham gia tăng lên cùng phản ứng fight-or-flight (*), bao gồm sự gia tăng tiết mồ hôi và nháy mắt.
(*) Fight-or-flight: là phản ứng sinh lý tự động của cơ thể khi não nhận thấy mối đe dọa, nguy hiểm hoặc tình huống căng thẳng. Đây là một phần của cơ chế sinh tồn, giúp cơ thể nhanh chóng chuẩn bị để đối đầu với nguy hiểm (fight) hoặc rời khỏi nguy hiểm (flight).

Tiến sĩ Abdullah chia sẻ: “Việc theo dõi tín hiệu điện của cơ thể thường cần dán nhiều loại điện cực và cảm biến khác nhau lên da, tốn thời gian thiết lập và gây khó chịu khi đeo. Hydrogel của nhóm kết hợp các chức năng này vào một vật liệu mềm mại như da, dễ áp dụng hơn, thoải mái hơn cho người đeo và duy trì tiếp xúc tốt hơn với da, giúp tạo ra tín hiệu ổn định hơn ngay cả trong chuyển động hàng ngày.”

Mặc dù những kết quả này mới ở mức chứng minh khái niệm, nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tiếp tục tối ưu hóa hydrogel cho các ứng dụng cụ thể. Tính linh hoạt của nó mở ra cơ hội theo dõi đồng thời nhiều tín hiệu sinh học, từ nhịp tim, nhiệt độ đến nháy mắt và chuyển động cơ. Các nhà nghiên cứu gợi ý rằng gel này cũng có thể được áp dụng trong các cảm biến giám sát tập luyện cho thể thao và phục hồi chức năng.

Để xem các tin bài khác về “Hydrogel”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online