Viên pin tự phân hủy trong cơ thể được chế tạo như thế nào?

Một viên pin tạo ra điện áp 1,84 volt đã giúp thẻ RFID truyền tín hiệu từ trong dạ dày, đồng thời có thể cấp dòng điện nhỏ cho một viên nang kích thích niêm mạc. Điểm đáng chú ý không chỉ nằm ở khả năng cấp điện: điện cực, chất điện phân và phần lớn thiết bị đều được thiết kế để phân hủy sau khi hoàn thành nhiệm vụ. Phát minh của nhóm MIT cho thấy pin dùng bên trong cơ thể có thể được xây dựng theo một mục tiêu khác với pin thông thường: hoạt động đủ lâu, rồi chủ động biến mất. [1]

Vì sao pin cúc áo chưa phải lựa chọn lý tưởng?

Các thiết bị điện tử có thể nuốt vào được nghiên cứu để theo dõi dấu hiệu sinh tồn, đưa thuốc hoặc phát hiện tình trạng nguy hiểm. Một số thiết bị lấy năng lượng được truyền không dây từ bên ngoài hoặc thu năng lượng trong đường tiêu hóa; số khác cần pin riêng để hoạt động độc lập. Pin cúc áo đáp ứng được yêu cầu về kích thước, nhưng thường chứa lithium, bạc oxit hoặc những kim loại khác. Nếu lớp bảo vệ bị hỏng trong quá trình di chuyển qua đường tiêu hóa, các thành phần bên trong có thể tạo ra rủi ro. [1]

Vấn đề vì thế không đơn giản là thu nhỏ một viên pin sẵn có. Thiết bị phải duy trì nguồn điện trong môi trường có tính axit cao, chịu được hành trình qua cơ thể và không để lại những thành phần khó xử lý. Có thể hình dung đây là một giới hạn thiết kế theo thời gian: pin không được xuống cấp quá sớm khi thiết bị còn làm việc, nhưng cũng không nên tồn tại lâu hơn mức cần thiết. [1]

Hai điện cực được chọn theo tiêu chí nào?

Nhóm MIT bắt đầu từ những vật liệu có thể làm điện cực và được xem là tương đối an toàn với con người ở lượng nhỏ. Họ dùng magie làm anode và molybdenum trioxide làm cathode. Hai điện cực đảm nhiệm hai phía của quá trình điện hóa, tạo điều kiện cho pin cung cấp dòng điện ra mạch ngoài. Cách chọn này đặt khả năng dung nạp của cơ thể ngang hàng với yêu cầu phát điện, thay vì chỉ tối ưu công suất hoặc tuổi thọ như ở nhiều loại pin tiêu dùng. [1]

Từ “tự phân hủy” ở đây không có nghĩa viên pin tan ngay khi gặp dịch vị. Vật liệu phải giữ được cấu trúc trong giai đoạn cấp điện, sau đó mới suy giảm dần. Sự cân bằng ấy quan trọng hơn việc đạt thời gian sử dụng thật dài: một cảm biến hoặc bộ kích thích ngắn hạn không nhất thiết cần nguồn điện kéo dài nhiều tuần nếu nhiệm vụ của nó chỉ diễn ra trong vài ngày. [1]

Chất điện phân và hình dạng đóng vai trò gì?

Giữa hai điện cực là chất điện phân dạng gel chứa chất lỏng ion. Chất điện phân tạo môi trường cho ion dịch chuyển bên trong pin, còn mạch điện bên ngoài nhận dòng điện để vận hành thiết bị. Dạng gel giúp phần dẫn ion trở thành một thành phần có hình dạng ổn định hơn chất lỏng tự do. Toàn bộ hệ thống được thiết kế theo hướng bioresorbable, tức có thể bị phân giải và được cơ thể hấp thụ. [1]

Nhóm nghiên cứu chế tạo hai phiên bản cho những nhu cầu khác nhau: một đĩa đường kính 7,5 mm và một thanh chữ nhật dài 24 mm. Đây không chỉ là thay đổi về diện mạo. Pin hình đĩa phù hợp với thẻ RFID, trong khi dạng thanh được đưa vào thiết bị tạo kích thích điện. Việc có nhiều hình dạng cho phép nguồn điện đi theo cấu trúc của viên nang thay vì buộc toàn bộ thiết bị phải bố trí quanh một mẫu pin duy nhất. [1]

Pin hoạt động và phân rã theo nhịp nào?

Để mô phỏng điều kiện trong dạ dày, các nhà nghiên cứu đặt pin vào dung dịch có tính axit cao tương tự dịch vị. Pin hoạt động bình thường trong khoảng ba ngày, sau đó hiệu suất bắt đầu giảm chậm. Trong vòng vài tuần, cấu trúc pin phân hủy hoàn toàn. Kết quả này thể hiện rõ sự đánh đổi: thời gian phát điện ngắn hơn nhiều loại pin thông thường, nhưng phù hợp với thiết bị chỉ cần hoàn thành một nhiệm vụ có giới hạn. [1]

Ba ngày hoạt động và vài tuần phân rã là hai mốc mô tả hai quá trình khác nhau. Mốc đầu nói về khoảng thời gian pin còn cấp điện hữu ích; mốc sau nói về lúc vật liệu đã bị phân giải. Khoảng cách giữa chúng cho phép hiệu suất suy giảm có kiểm soát thay vì yêu cầu pin chuyển đột ngột từ trạng thái hoạt động sang biến mất. Tuy nhiên, đây là kết quả trong dung dịch mô phỏng và các thử nghiệm của nghiên cứu, không phải lời khẳng định rằng mọi thiết bị sẽ có cùng thời gian trong mọi cơ thể. [1]

Nguồn điện nhỏ có thể làm được gì?

Ở thử nghiệm thứ nhất, pin hình chữ nhật cấp kích thích điện liên tục trong tối đa ba ngày cho một thiết bị có khả năng phân hủy. Thiết bị đưa dòng điện nhỏ tới niêm mạc dạ dày nhằm kích thích các tế bào nội tiết sản xuất ghrelin, hormone liên quan đến cảm giác đói. Trong thử nghiệm trên động vật, 20 phút kích thích làm mức ghrelin tăng khoảng 50%. Ứng dụng được nhóm nghiên cứu hướng tới là những tình trạng có buồn nôn hoặc chán ăn, nhưng kết quả này chưa đồng nghĩa với một phương pháp điều trị đã sẵn sàng cho người bệnh. [1]

Ở thử nghiệm còn lại, pin hình đĩa cấp điện cho thẻ RFID làm từ molybdenum và cellulose. Thiết bị truyền liên tục từ đường tiêu hóa với khoảng cách lên tới 1,5 m, hướng tới việc hỗ trợ theo dõi lịch dùng thuốc. So với thẻ RFID thụ động phải thu năng lượng, nguồn điện tích hợp giúp mở rộng phạm vi liên lạc. Nhóm MIT dự kiến thử nghiệm lâm sàng hệ thống SAFARI trong khoảng hai năm tính từ thời điểm công bố, vì vậy đây vẫn là một bước phát triển đang được đánh giá chứ chưa phải sản phẩm sử dụng đại trà. [1]

Viên pin mới chưa làm cho mọi bộ phận của thiết bị kích thích đều biến mất: bảng mạch in vẫn là ngoại lệ, còn những thành phần không được hấp thụ có thể đi qua đường tiêu hóa và được thải ra ngoài. Dù vậy, thiết kế cho thấy một cách nhìn khác về tuổi thọ pin. Với thiết bị ở bên trong cơ thể, thành công không nhất thiết là tồn tại càng lâu càng tốt, mà là cung cấp vừa đủ năng lượng và kết thúc vòng đời theo cách đã được dự liệu. [1]