Các kỹ sư tại MIT và Harvard thiết kế thành công một mẫu khẩu trang, có thể chẩn đoán nhiễm virus Covid-19 cho người dùng trong vòng 90 phút. Ảnh: Felice Frankel và Văn phòng Tin tức MIT

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Đại học Harvard thiết kế thành công loại khẩu trang, có thể chẩn đoán người dùng lây nhiễm Covid-19 trong vòng 90 phút. Những khẩu trang này được tích hơp với các cảm biến nhỏ sự dụng một lần, có thể gắn vào các khẩu trang khác nhau và có thể được điều chỉnh để phát hiện những loại virus khác.

Những cảm biến này phát triển trên cơ sở máy móc đông khô tế bào do nhóm nghiên cứu đã phát triển trước đây, được sử dụng trong chẩn đoán trên giấy thấm thuốc thử các loại vi rút như Ebola và Zika. Trong nghiên cứu tiếp theo, các nhà đã chứng minh được, cảm biến có thể được tích hợp không chỉ vào khẩu trang mà còn cả quần áo như áo khoác phòng thí nghiệm, cung cấp một phương pháp mới để theo dõi mức độ phơi nhiễm của nhân viên y tế với nhiều loại mầm bệnh hoặc các loại virus khác.

James Collins, GS Khoa học và Kỹ thuật Y tế Termeer tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Y tế MIT (IMES), tác giả chính của nghiên cứu cho biết, có thể làm đông khô hàng loạt cảm biến sinh học tổng hợp, cho phép phát hiện axit nucleic của virus hoặc vi khuẩn và các hóa chất độc hại, bao gồm cả chất độc thần kinh. Đây là công nghệ cơ bản để phát triển các cảm biến sinh học mang đeo cho nhân viên cứu hộ khẩn cấp, nhân viên chăm sóc sức khỏe và quân nhân.

Các cảm biến của khẩu trang được thiết kế để có thể kích hoạt khi sẵn sàng thực hiện test, kết quả chỉ được hiển thị phía bên trong mặt nạ, đảm bảo sự riêng tư của người dùng.

Tham gia công trình nghiên cứu có nhà khoa học nghiên cứu, PTS Peter Nguyễn, thuộc Viện Wyss Sinh học của Đại học Harvard và Luis Soenksen, TS Trí tuệ Nhân tạo trong Y tế tại Viện Wyss. Báo cáo khoa học được công bố trên Tạp chỉ Nature Biotechnology .

Cảm biến mang đeo trên cơ thể con người

Những cảm biến mang đeo và khẩu trang chẩn đoán trên mặt được phát triển trên cơ sở công nghệ mà GS Collins đã tiến hành nghiên cứu vài năm. Năm 2014, GS Collins chứng minh được, những protein và axit nucleic, cần thiết để tạo ra mạng lưới gene tổng hợp, phản ứng với các phân tử mục tiêu cụ thể có thể được nhúng vào giấy.  GS Collins đã sử dụng phương pháp này chế tạo các cảm biến giấy, chẩn đoán lây nhiễm virus Ebola và Zika .

Năm 2017, phối hợp với phòng thí nghiệm Feng Zhang, GS Collins phát triển một hệ thống cảm biến không tế bào (cell-free) khác, được gọi là SHERLOCK, trên cơ sở các enzyme CRISPR, cho phép phát hiện những axit nucleic với độ nhạy cao. Cell-free là tế bào đã  loại bỏ các thành phần bên trong hoặc chỉ giữ lại các enzyme.

Những thành phần mạng cell-free này được đông khô và ổn định trong nhiều tháng cho đến khi bù nước. Khi được kích hoạt bởi nước, mạng gane tương tác với phân tử mục tiêu, các chuỗi RNA hoặc DNA bất kỳ hoặc các loại phân tử khác và tạo ra tín hiệu như sự thay đổi màu sắc.

Nhúng cảm biến hạt virus bên trong khẩu trang

Các nhà nghiên cứu đã nhúng các cảm biến vào bên trong khẩu trang để phát hiện những hạt virus trong hơi thở của người đeo. Mặt nạ cũng bao gồm một ống nước nhỏ, được xả ra bằng một nút bấm khi người đeo sẵn sàng kiểm tra. Ảnh nhóm nghiên cứu MIT.

Trong nghiên cứu tiếp theo, nhóm nhà khoa học do GS Collins dẫn đầu bắt đầu tìm kiếm phương pháp tích hợp những cảm biến này vào hàng dệt may, chế tạo áo khoác phòng thí nghiệm cho nhân viên y tế hoặc những người có khả năng tiếp xúc với mầm bệnh.

TS Soenksen đã nghiên cứu xem xét hàng trăm loại vải khác nhau, từ cotton và polyester đến len và lụa để tìm ra loại nào có thể tương thích với loại cảm biến này. Theo ông, loại tốt nhất là sự kết hợp giữa polyester và các loại sợi bông tổng hợp khác.

Để chế tạo những cảm biến có thể mặc, nhóm nghiên cứu nhúng các thành phần tế bào đông khô vào một phần nhỏ của vải tổng hợp, bao quanh một lớp phủ đàn hồi silicone. Sự ngăn cách này không cho mẫu bay hơi hoặc khuếch tán ra khỏi cảm biến. Đồng thời, nhóm nghiên cứu chế tạo một chiếc áo khoác y tế gắn khoảng 30 cảm biến này.

Nhóm nghiên cứu trong thử nghiệm đã xác định được, một giọt chất lỏng nhỏ chứa các phần tử virus, mô phỏng sự tiếp xúc với một bệnh nhân bị nhiễm bệnh, sẽ hydrat hóa các thành phần tế bào đông khô và kích hoạt cảm biến. Những cảm biến có thể được thiết kế để tạo ra các loại tín hiệu khác nhau, như sự thay đổi màu sắc nhìn thấy bằng mắt thường, tín hiệu huỳnh quang hoặc phát quang, đọc được bằng máy quang phổ cầm tay. Nhóm nghiên cứu cũng thiết kế một quang phổ kế đeo, được tích hợp vào vải, có thể đọc kết quả và truyền tín hiệu không dây đến thiết bị di động.

Công nghệ này cung cấp một chu trình phản hồi thông tin, theo dõi sự phơi nhiễm với môi trường làm việc, cảnh báo về địa điểm xảy ra sự phơi nhiễm.

Mặt nạ chẩn đoán lây nhiễm

Khi nhóm nghiên cứu hoàn thành công trình về các cảm biến có thể mang đeo đầu năm 2020, đại dịch Covid-19 lan rộng trên toàn cầu và nhóm nhà khoa học quyết định sử dụng công nghệ mới để chế tạo ra công cụ chẩn đoán lây nhiễm virus SARS-CoV-2 phổ dụng.

Để chế tạo khẩu trang chẩn đoán lây nhiễm, nhóm nghiên cứu nhúng các cảm biến SHERLOCK đông khô vào một khẩu trang. Tương tự như các cảm biến mang đeo, những thành phần đông khô được bao quanh bởi silicone. Các cảm biến được đặt bên trong mặt nạ, cho phép phát hiện các hạt vi rút trong hơi thở của người đeo khẩu trang.

Ống nước nhỏ tích hợp trên khẩu trang, được xả ra khi người đeo bấm nút để kiểm tra. Nước sẽ hydrat hóa các thành phần đông khô của cảm biến SARS-CoV-2, cảm biến được kích hoạt phân tích những giọt hơi thở tích tụ bên trong khẩu trang và cho kết quả trong vòng 90 phút.

PTS Peter Nguyen cho biết, xét nghiệm này có độ nhạy như xét nghiệm PCR, nhưng nhanh như xét nghiệm kháng nguyên để xác định Covid-19.

Trong nghiên cứu này, nhóm nhà khoa học đã phát triển những nguyên mẫu có các cảm biến bên trong khẩu trang để phát hiện trạng thái của người dùng, các cảm biến bên ngoài quần áo để phát hiện sự phơi nhiễm từ môi trường. Nhóm nghiên cứu cũng có thể thay đổi các cảm biến cho những mầm bệnh khác như cúm, Ebola và Zika, hoặc để phát hiện các chất độc thần kinh organophosphate.

Các nhà nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế công nghệ mới và hy vọng công nghệ này sẽ được chuyển sang sản xuất công nghiệp và thương mại hóa nhanh chóng, góp phần cho thế giới nhanh chóng dập tắt đại dịch Covid-19 trong năm 2022.