MỸ – Một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Rice (Rice University), Đại học Cambridge (University of Cambridge) và Đại học Stanford (Stanford University), đã hợp lý hóa quá trình sản xuất một loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu y tế và ứng dụng máy tính.
Ông Scott Keene – nhà khoa học vật liệu
Trong hơn hai thập kỷ, các nhà khoa học làm việc với vật liệu tổng hợp được gọi là PEDOT:PSS đã sử dụng chất liên kết hóa học để làm cho polyme dẫn điện ổn định trong nước. Trong khi thử nghiệm nhiều cách để tạo mẫu chính xác cho vật liệu ứng dụng trong quang học y sinh, ông Siddharth Doshi, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại đại học Stanford cộng tác với nhà khoa học vật liệu – ông Scott Keene tại đại học Rice, đã bỏ qua việc thêm chất liên kết và sử dụng nhiệt độ cao hơn trong khi chuẩn bị vật liệu. Điều bất ngờ là mẫu thu được lại tự ổn định – không cần chất liên kết.
Ông Scott đã nói rằng: “Đó là một khám phá tình cờ vì ông Siddharth đã thử nghiệm các quy trình khác so với công thức chuẩn, nhưng các mẫu vẫn cho kết quả tốt. Điều này thúc đẩy chúng tôi tìm hiểu lý do và cách thức hoạt động của nó”.
Điều mà ông Scott và nhóm nghiên cứu phát hiện ra là việc nung nóng PEDOT:PSS vượt quá ngưỡng thông thường không cần bất kỳ chất liên kết chéo nào, không chỉ làm nó ổn định mà còn tạo ra các thiết bị chất lượng cao hơn. Phương pháp này, được mô tả trong một nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Advanced Materials, có thể giúp sản xuất các thiết bị điện tử sinh học dễ dàng và đáng tin cậy hơn, với các ứng dụng tiềm năng trong cấy ghép thần kinh, cảm biến sinh học và hệ thống máy tính thế hệ tiếp theo.
PEDOT:PSS là hỗn hợp của hai loại polyme: một loại dẫn điện tích và không hòa tan trong nước và một loại dẫn điện tích ion và hòa tan trong nước. Vì nó dẫn cả hai loại điện tích, PEDOT:PSS thu hẹp khoảng cách giữa mô sống và công nghệ.
Ông Scott Keene, người nghiên cứu các vật liệu tiên tiến cho các điện cực nhỏ hơn, có độ phân giải cao, có khả năng ghi lại và kích thích hoạt động thần kinh một cách chính xác, đã nói rằng: “Về cơ bản, nó cho phép nói ngôn ngữ của não bộ”.
Hệ thần kinh của con người dựa vào các ion – các hạt tích điện như natri và kali – để truyền tín hiệu, trong khi các thiết bị điện tử hoạt động với các electron. Một vật liệu có thể xử lý cả hai là rất quan trọng đối với các thiết bị cấy ghép thần kinh và các thiết bị điện tử sinh học khác cần chuyển đổi hoạt động sinh học thành dữ liệu có thể đọc được và gửi tín hiệu mà không làm ảnh hưởng đến mô nhạy cảm.
Bằng cách loại bỏ chất liên kết chéo, các phát hiện nghiên cứu không chỉ hợp lý hóa quy trình chế tạo PEDOT:PSS mà còn cải thiện hiệu suất của nó. Phương pháp mới tạo ra vật liệu có độ dẫn điện cao gấp ba lần và độ ổn định nhất quán hơn giữa các lô – những lợi thế chính cho các ứng dụng y tế.
Chất liên kết ngang hoạt động bằng cách liên kết hóa học hai loại sợi polyme trong PEDOT:PSS với nhau, tạo thành một lưới liên kết. Tuy nhiên, nó vẫn để lộ một số sợi hòa tan trong nước – một nguyên nhân có thể gây ra các vấn đề về độ ổn định. Hơn nữa, chất liên kết ngang đã đưa vào vật liệu khả năng biến đổi và độc tính tiềm ẩn.
Ngược lại, nhiệt độ cao hơn làm ổn định PEDOT:PSS bằng cách gây ra sự thay đổi pha trong vật liệu. Khi được nung nóng vượt quá một nhiệt độ nhất định, polyme không tan trong nước sẽ tái tổ chức bên trong, đẩy các thành phần tan trong nước lên bề mặt, nơi chúng có thể bị rửa trôi. Những gì còn lại là một lớp màng dẫn điện mỏng hơn, tinh khiết hơn và ổn định hơn.
Ông Scott Keene nói tiếp: “Phương pháp này đơn giản hóa rất nhiều vấn đề mà mọi người gặp phải khi làm việc với PEDOT:PSS. Về cơ bản, nó loại bỏ một số hóa chất gây độc”.
Thiết bị điện não đồ cấy ghép (bên trái) được chế tạo bằng phương pháp xử lý nhiệt; Logo của Đại học Rice (bên phải) được tạo mẫu theo hình ảnh PEDOT:PSS bằng tia laser femtosecond
Cô Margaux Forner, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Cambridge và là tác giả đầu tiên của bài báo cùng với ông Siddharth Doshi, cho biết các thiết bị điện tử sinh học được xử lý nhiệt như bóng bán dẫn, máy kích thích tủy sống và mảng điện não đồ – lưới hoặc dải điện cực thần kinh cấy ghép được sử dụng để ghi lại hoạt động của não – dễ chế tạo hơn, đáng tin cậy hơn và có hiệu suất cao ngang bằng với các thiết bị được chế tạo bằng chất liên kết chéo.
Cô Margaux đã nói rằng: “Các thiết bị được làm từ PEDOT:PSS đã qua xử lý nhiệt tỏ ra mạnh mẽ trong các thí nghiệm in vivo mãn tính, duy trì sự ổn định trong hơn 20 ngày sau khi cấy ghép. Đáng chú ý là màng phim vẫn duy trì hiệu suất điện tuyệt vời khi được kéo căng, làm nổi bật tiềm năng của nó đối với các thiết bị điện tử sinh học có khả năng phục hồi cả bên trong và bên ngoài cơ thể”.
Phát hiện này có thể giúp giải thích lý do tại sao những nỗ lực trước đây nhằm sử dụng PEDOT:PSS trong các cấy ghép thần kinh dài hạn, bao gồm cả những nỗ lực của Công ty Neuralink, đã gặp phải các vấn đề về độ ổn định. Bằng cách làm cho PEDOT:PSS đáng tin cậy hơn, khám phá này có thể giúp thúc đẩy công nghệ thần kinh, bao gồm cấy ghép để phục hồi chuyển động sau chấn thương tủy sống và các giao diện kết nối não với các thiết bị bên ngoài.
Ngoài việc đơn giản hóa quá trình chế tạo, nhóm nghiên cứu đã tìm ra cách để tạo mẫu PEDOT:PSS thành các cấu trúc 3D siêu nhỏ – một bước đột phá có thể cải thiện hơn nữa các thiết bị điện tử sinh học. Sử dụng tia laser femto giây có độ chính xác cao, các nhà nghiên cứu có thể làm nóng một cách có chọn lọc các phần của vật liệu, tạo ra các kết cấu tùy chỉnh giúp tăng cường tương tác của các tế bào với các thiết bị.
Ông Siddharth Doshi đã nói rằng: “Chúng tôi hào hứng về khả năng in 3D các polyme ở cấp độ vi mô. Đây là mục tiêu chính của cộng đồng vì việc in vật liệu chức năng này ở dạng 3D sẽ cho phép con người giao tiếp với thế giới sinh học 3D. Thông thường, điều này được thực hiện bằng cách kết hợp PEDOT:PSS với các chất kết dính hoặc nhựa nhạy sáng khác nhau; tuy nhiên, những chất bổ sung này ảnh hưởng đến các đặc tính của vật liệu hoặc khó thu nhỏ xuống độ dài micron”.
Trong nghiên cứu trước đây, ông Scott Keene đã khám phá ra các rãnh tạo hoa văn trên các điện cực, phát hiện ra rằng các tế bào ưu tiên bám vào các rãnh theo cùng thứ tự với thang đo chiều dài của chúng. Ông Scott nói tiếp: “một tế bào 20 micron thích bám vào các kết cấu có kích thước 20 micron”.
Kỹ thuật này có thể được sử dụng để thiết kế giao diện thần kinh giúp tăng cường tích hợp với mô xung quanh, cải thiện chất lượng và tuổi thọ tín hiệu.
Ông Scott trước đây đã nghiên cứu PEDOT:PSS trong các thiết bị bộ nhớ hình thái thần kinh được sử dụng để tăng tốc các thuật toán trí tuệ nhân tạo. Bộ nhớ hình thái thần kinh là một loại bộ nhớ nhân tạo mô phỏng cách não bộ lưu giữ thông tin.
Ông Scott Keene nói tiếp: “Về cơ bản, nó mô phỏng tính dẻo của khớp thần kinh trong não bộ. Có thể sửa đổi kết nối giữa hai đầu cuối bằng cách kiểm soát mức độ dẫn điện của vật liệu này; điều này rất giống với cách não bộ học tập bằng cách tăng cường hoặc làm suy yếu các kết nối khớp thần kinh giữa các tế bào thần kinh riêng lẻ.”
Bằng cách phá bỏ một giả định đã có từ lâu, nghiên cứu này không chỉ giúp PEDOT:PSS dễ sử dụng hơn mà còn mạnh mẽ hơn – một sự thay đổi có thể đẩy nhanh quá trình phát triển các hệ thống điện tử sinh học và cấy ghép thần kinh an toàn hơn, hiệu quả hơn.
Để xem các tin bài khác về “Điện tử sinh học”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Hannover Messe
