90 tụ điện sinh học nano hình ống (nBSC) trên
đầu ngón tay cho phép các cảm biến hoạt động tự động trong mạch máu.
Ảnh: Nhóm nghiên cứu GS.TS. Oliver G. Schmidt
Một đặc trưng của tụ điện sinh học là có thể tự nạp bù hành vi phóng
điện từ những phản ứng điện hóa sinh học. Tụ điện sinh học còn có thể
tăng hiệu quả sử dụng từ các phản ứng của chính cơ thể do ngoài phản ứng
lưu trữ điện tích điển hình của siêu tụ điện, những phản ứng enzym oxy
hóa khử của các tế bào sống, hiện diện tự nhiên trong máu làm tăng 40%
hiệu suất thiết bị.
Những thiết bị lưu trữ năng lượng nhỏ nhất hiện nay có kích thước lớn
hơn 3 mm3. Nhóm nghiên cứu của GS Oliver Schmidt thành công chế tạo các
nBSC hình ống nhỏ hơn 3.000 lần, thể tích 0,001 mm3 (1 nanolitre), nhỏ
hơn nhiều lần một hạt bụi và cung cấp điện áp đến 1,6 V cho những cảm
biến vi điện tử .
Nguồn năng lượng này đủ cho một hệ thống cảm biến trong máu. Mức năng
lượng tương đương với điện áp của pin AAA tiêu chuẩn, dù dòng điện thực
tế thấp hơn rất nhiều. Hình dạng ống linh hoạt của tụ điện sinh học
nano cho phép bảo vệ hiệu quả chống lại những biến dạng trong lưu thông
máu xung động hoặc co cơ. Với công suất này, nguyên mẫu tụ điện sinh học
nano có thể vận hành một hệ thống cảm biến tích hợp đầy đủ phức tạp để
đo giá trị pH trong máu.
Công nghệ cấu trúc Origami: siêu nhỏ, linh hoạt, mạnh
Công nghệ cấu trúc Origami là quá trình trải từng lớp màng các vật
liệu, cần thiết cho các thành phần nBSC trên bề măt mỏng dưới sức căng
cơ học cao. Khi các lớp vật liệu được tách ra khỏi bề mặt một cách có
kiểm soát, năng lượng biến dạng giải phóng và các lớp tự cuộn thành
thiết bị 3D nhỏ gọn với độ chính xác và hiệu suất cao đến 95%.
Các tụ điện sinh học nano, sản xuất theo phương pháp này được thử
nghiệm trong ba dung dịch được gọi là chất điện giải: Nước muối, huyết
tương và máu. Trong cả ba chất điện phân, siêu tụ điện lưu trữ năng
lượng thành công, dù với hiệu suất khác nhau. Trong máu, tụ điện sinh
học nano có thời gian hoạt động cao, giữ được tới 70% dung lượng ban đầu
sau 16 giờ. Nhóm khoa học sử dụng bộ tách trao đổi proton (PES) để ngăn
chặn quá trình tự phóng điện.
Hiệu suất ổn định trong điều kiện ứng dụng thực tế
Để duy trì các chức năng tự nhiên của cơ thể, những đặc tính dòng
chảy và áp suất trong mạch amys luôn thay đổi. Nhịp đập và huyết áp thay
đổi theo đường kính mạch máu. Các thiết bị cấy ghép phải duy trì được
những điều kiện sinh lý trong hệ thống tuần hoàn và duy trì hoạt động ổn
định.
Nhóm khoa học đã nghiên cứu hiệu suất hoạt động của siêu tụ điện
trong môi trường mô phỏng là các kênh vi lỏng có đường kính từ 120 đến
150 µm (0,12 đến 0,15 mm), tương tự các mạch máu có kích thước khác
nhau. Trong những kênh này, các nhà nghiên cứu thử nghiệm hoạt động của
các thiết bị lưu trữ năng lượng với các điều kiện lưu lượng và áp suất
khác nhau. Kết quả cho thấy, tụ điện sinh học nano có thể cung cấp năng
lượng đều và ổn định trong các điều kiện sinh lý của cơ thể.
Công nghệ cảm biến tự động có thể giúp chẩn đoán các bệnh nội tạng
Hằng số điện ly hydro (pH) của máu có thể thay đổi. Nhờ đó, đo độ pH
liên tục giúp phát hiện sớm khối u. Nhằm mục đích này, các nhà nghiên
cứu phát triển cảm biến pH trên cơ sở tụ điện sinh học nano.
Trước đây, nhóm nghiên cứu của GS Oliver Schmidt đã phát triển Công
nghệ bán dẫn màng mỏng 5 µm (TFT), được sử dụng để phát triển bộ dao
động vòng với tính linh hoạt cơ học đặc biệt, hoạt động với năng lượng
thấp (nW đến µW) và tần số cao (lên đến 100MHz).
Trong dự án đo độ pH, nhóm nghiên cứu sử dụng bộ dao động vòng với
nguồn lưu trữ điện năng nBSC. Các nhà khoa học tích hợp một nBSC nhạy
cảm với pH với bộ dao động vòng để có được sự thay đổi tần số đầu ra,
phụ thuộc vào độ pH của chất điện phân. Bộ dao động vòng nhạy cảm với pH
này cũng được chế tạo với dạng hình ống 3D bằng kỹ thuật Origami
"Swiss-roll", hình thành hệ thống tích hợp đầy đủ và siêu nhỏ bao gồm cả
lưu trữ điện năng và cảm biến.
Lõi rỗng bên trong của hệ thống cảm biến vi mô này là kênh dẫn huyết
tương. Ba nBSC được kết nối nối tiếp với cảm biến cho phép đo pH đặc
biệt hiệu quả và tự động bền vững. Kết quả thử nghiệm này cho phép phát
triển hàng loạt các ứng dụng trong chẩn đoán sớm và điều trị.
Nguồn: KH&ĐS