Bất kể hình thức và mục đích của chúng là gì, hầu hết tất cả các mô cấy điện tử đều kết hợp các điện cực – các thành phần dẫn điện nhỏ gắn vào mô để kích thích cơ và dây thần kinh bằng điện. Hầu hết các điện cực được tìm thấy trong máy điều hòa nhịp tim và ốc tai điện tử được làm bằng kim loại. Tuy nhiên, hiệu suất của những mô cấy này có thể xấu đi theo thời gian do sự tương tác giữa kim loại và mô sinh học.

Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại MIT đã tạo ra một loại vật liệu giống Jell-O, không chứa kim loại, mềm và dai như mô sinh học nhưng có thể dẫn điện giống như kim loại.

Vật liệu này có thể được tích hợp vào mực có thể in được, mà nhóm nghiên cứu sẽ tạo thành các điện cực linh hoạt. Các nhà nghiên cứu hy vọng một ngày nào đó vật liệu mới này có thể thay thế kim loại làm điện cực dựa trên gel.

Xuanhe Zhao, tác giả nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi tin rằng lần đầu tiên chúng ta có một điện cực giống như Jell-O, mạnh mẽ, có khả năng thay thế kim loại để kích thích các dây thần kinh và giao tiếp với tim, não và các cơ quan khác trong cơ thể”. và giáo sư kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật dân dụng và môi trường tại MIT, cho biết trong một thông cáo báo chí.

Một loại điện cực không kim loại mới

Hầu hết các polyme đều có đặc tính cách điện, nghĩa là chúng không dễ dàng cho dòng điện chạy qua. Tuy nhiên, có một nhóm nhỏ các polyme có thể tạo điều kiện cho các electron đi qua cấu trúc của chúng. Vào những năm 1970, các nhà khoa học đã phát hiện ra loại polyme đầu tiên có tính dẫn điện cao – công trình sau này đã được trao giải thưởng Nobel.

Gần đây, các nhà nghiên cứu đã khám phá việc sử dụng các polyme dẫn điện trong việc phát triển các điện cực mềm, không chứa kim loại cho các ứng dụng khác nhau. Mục tiêu là tạo ra các miếng dán và màng dẫn điện linh hoạt nhưng đàn hồi. Điều này chủ yếu đạt được bằng cách trộn các hạt polyme dẫn điện với hydrogel, một loại polyme mềm và xốp.

Thật không may, các vật liệu được sản xuất cho đến nay phải đối mặt với những thách thức. Chúng hoặc thiếu độ bền và trở nên giòn hoặc không đủ hiệu suất điện. Trong nghiên cứu mới của mình, nhóm nghiên cứu tại MIT nhận thấy rằng họ cần một phương pháp mới để trộn hydrogel và polyme dẫn điện nhằm cải thiện tính chất điện và cơ học của cả hai.

Một hỗn hợp như vậy tạo ra một loại gel làm từ các hạt polyme phân tán ngẫu nhiên. Nhóm nghiên cứu nhận ra rằng để duy trì độ bền điện và cơ học của polyme và hydrogel, hai vật liệu nên được trộn lẫn với nhau sao cho chúng hơi đẩy nhau. Ở trạng thái này, mỗi loại sau đó có thể liên kết các polyme tương ứng của chúng để tạo thành các sợi cực nhỏ đồng thời trộn lẫn với nhau như một tổng thể.

Một công thức mới

Các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh công thức, thay đổi tính nhất quán của gel để giống mực hơn. Loại mực này được sử dụng làm vật liệu để in 3D. Họ đã in mực trên một màng bao gồm hydrogel tinh khiết, tạo ra các mẫu tương tự như các điện cực kim loại truyền thống. “Chúng tôi có thể điều chỉnh hình học và hình dạng”, tác giả đầu tiên Thao Zhou cho biết trong một tuyên bố.

Sau đó, họ cấy các điện cực gel in 3D, giống kết cấu của thạch Jell-O, vào tim, dây thần kinh tọa và tủy sống của chuột. Các thí nghiệm cho thấy thiết bị ổn định trong thời gian thử nghiệm kéo dài hai tháng, ít gây viêm hoặc sẹo cho các mô xung quanh.

Các điện cực cũng truyền thành công các xung điện từ tim đến màn hình bên ngoài. Chúng cũng có thể gửi các xung có kiểm soát đến dây thần kinh tọa và tủy sống, dẫn đến kích thích hoạt động vận động ở các cơ và chi liên quan. Nhóm nghiên cứu hy vọng vật liệu này sẽ được sử dụng trong việc phục hồi bệnh nhân sau phẫu thuật tim.

Các nhà nghiên cứu hiện đang tập trung vào việc cải thiện độ bền và hiệu suất của vật liệu gel. Mục tiêu của họ là kéo dài tuổi thọ và tối ưu hóa khả năng của nó. Gel có thể đóng vai trò là một giao diện điện mềm, cho phép kết nối trơn tru giữa cơ quan và bộ phận cấy ghép lâu dài. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm sự tích hợp của nó với máy tạo nhịp tim và máy kích thích não sâu.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nguyên liệu tự nhiên.