Nhóm Nghiên Cứu Của MIT Phát Minh Ra Loại Pin Sử Dụng Năng Lượng Từ Axit Trong Dạ Dày

Khoảng giữa tháng 02/2017, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Bệnh viện Phụ nữ Hoa Kỳ đã phát triển thành công một viên pin điện hóa nhỏ, chạy bằng năng lượng trong axit dạ dày. Hệ thống mới được chứng minh sẽ tạo ra đủ điện nặng để chạy các cảm biến, và thiết bị phân phối thuốc trong tương lai.

Trong tương lai, con người có thể nuốt vào bụng cả một thiết bị như những chiếc vòng theo dõi sức khỏe hiện hành, nó sẽ giúp ghi lại nhiều chỉ dấu sức khỏe quan trọng như nhiệt độ, nhịp tim, hơi thở… rồi truyền về smartphone. Thiết bị sẽ có thể ở trong bụng của con người mãi mãi, nó không cần sạc, không chứa vật liệu cồng kềnh và không tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.

Những viên pin mới mở ra cơ hội cho phép các thiết bị, hoặc robot y tế cư trú trong đường tiêu hóa một thời gian dài. Các nhà khoa học cho biết đó sẽ là một giải pháp rẻ và an toàn hơn, thay thế cho những loại pin truyền thống hiện hành.

Tiến sĩ Giovanni Traverso đến từ Bệnh viện Phụ nữ Hoa Kỳ cho biết: “Chúng ta phải tìm ra cách để cung cấp năng lượng cho các hệ thống có khả năng cư trú trong đường tiêu hóa suốt một thời gian dài. Ở đường tiêu hóa là một cơ hội rất đặc biệt, đó là nơi có thể chứa các cảm biến và hệ thống phân phối thuốc. Nhưng điều trước tiên cần giải quyết là làm thế nào cung cấp năng lượng cho chúng”.

Tiến sĩ Traverso đã từng tham gia cùng Giáo sư Robert Langer đến từ MIT để phát triển và thử nghiệm nhiều thiết bị có thể cư trú trong đường tiêu hóa. Chúng có thể ghi lại nhiều thông số như thân nhiệt, nhịp tim, nhịp thở…

Giáo sư Robert Langer chia sẻ: “Công việc có thể đưa chúng ta đến một thế hệ các viên thuốc điện tử được nuốt vào bụng, mang đến những phương pháp theo dõi sức khỏe và điều trị mới cho bệnh nhân”. Các thiết bị thường được cung cấp năng lượng từ một cục pin nhỏ. Nhưng pin thông thường sẽ hết điện sau một thời gian và đặt cơ thể vào một nguy cơ mất an toàn.

Để khắc phục những nhược điểm, giáo sư Langer và Tiến sĩ Traverso đã làm việc với các đồng nghiệp ở MIT bao gồm Anantha Chandrakasan và Phillip Nadeau, đều là những nhà khoa học trước đây từng nghiên cứu rất nhiều về thiết bị điện tử công suất thấp.

Nguyên lý của những viên pin chạy bằng dịch axit dạ dày rất đơn giản. Thậm chí, nó có phần giống với một thí nghiệm phổ thông: cắm một thanh đồng và một thanh kẽm vào những quả chanh. Axit citric trong chanh tạo thành môi trường cho phản ứng điện hóa và hình thành một hiệu điện thế giữa hai cực. Để tái tạo lại điều này trong các viên pin được đặt vào dạ dày, nhóm nghiên cứu cũng đã đặt các cực đồng và kẽm trên bề mặt pin. Kẽm sẽ phát ra một lượng ion, truyền qua axit dạ dày để tạo dòng điện. Năng lượng sinh ra đủ để chạy một cảm biến nhiệt độ và bộ phát tín hiệu 900 megahertz.

Thiết bị đã được thử nghiệm trên loài heo. Nó được giữ 6 ngày trong hệ thống tiêu hóa. Trong khi ở dạ dày, pin sản xuất đủ năng lượng cho thiết bị hoạt động và gửi dữ liệu liên tục mỗi 12 giây, về một trạm thu đặt trong bán kính 2m. Tuy nhiên, khi thiết bị đi tới ruột non, nó chỉ sản xuất ra một lượng điện bằng 1/1.000 lần khi ở dạ dày. Nhưng nó vẫn có năng lượng, chỉ là thời gian dài hơn để thu được điện và truyền tải các thông tin ở tần suất thấp hơn.

Nguyên mẫu của thiết bị hiện là một khối trụ dài 40 mm có đường kính 12 mm. Nhóm nghiên cứu nói rằng họ có thể thu nhỏ kích thước thiết bị xuống 3 lần, mà vẫn mang theo một nguồn thu, bộ phát tín hiệu và một vi xử lý nhỏ.

Nhóm nghiên cứu cho biết: “Có một thách thức lớn đối với các thiết bị y tế dạng cấy ghép là hệ thống quản lý, chuyển đổi lưu trữ và sử dụng năng lượng. Nghiên cứu mới cho phép chúng ta hình dung ra những thiết bị y tế mới, sử dụng chính cơ thể của chúng ta làm điều kiện vận hành cho một hệ năng lượng tự duy trì hoàn toàn”

Sau khi có thể thu nhỏ được thiết bị, các nhà nghiên cứu dự định thêm vào đó các cảm biến và phát triển nó thành một dụng cụ giám sát lâu dài. Một viên thuốc có thể tự cấp nguồn điện, giúp theo dõi các chỉ dấu quan trọng của cơ thể trong vài tuần. Người dùng thậm chí không cần phải bận tâm về nó. Thiết bị nằm trong bụng, làm nhiệm vụ đo lường và truyền tín hiệu về điện thoại của người dùng.

Ngoài ra, hệ thống mới cũng có thể được dùng để phân phối thuốc điều trị. Trong nghiên cứu, các nhà khoa học đã phát hành thành công những phân tử thuốc được bao gói lại trong đó. Điều này sẽ rất hữu ích trong nhiều tình huống, chẳng hạn như khi cần thử nghiệm nhiều liều lượng thuốc khác nhau với bệnh nhân cao huyết áp.