Công nghệ microchip mới cho ngành y tế trong tương lai

Con người vẫn luôn mơ ước tạo được những thiết bị kích thước rất nhỏ có thể đưa vào trong cơ thể để phục vụ chẩn đoán hoặc điều trị bệnh tật. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất đối với các nhà khoa học đó là khó có thể xác định được những thiết bị này đang ở đâu bên trong cơ thể. Hiện tại, các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ California (Caltech), Hoa Kỳ đã phát triển được một loại microchip có khả năng cho biết chính xác vị trí của chúng trên in vitro (mô hình thí nghiệm) cũng như in vivo (cơ thể sống). Các microchip này có thể sẽ được sử dụng trong những “viên thuốc thông minh” hoặc trong các loại vi thiết bị để chẩn đoán và điều trị bệnh tật.

Nguyên lý ATOMS

Điểm mấu chốt trong công nghệ mới này khiến nó trở nên khác biệt là ở chỗ nó giúp xác định chính xác vị trí của vi thiết bị bên trong cơ thể. Đó là một vấn đề có tính thách thức trong thời gian trước đây. Công nghệ này có tên là ATOMS (Addressable Transmitters Operated as Magnetic Spins), là sự kết hợp giữa nguyên lý của chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI), trong đó vị trí của các nguyên tử trong cơ thể bệnh nhân được xác định dựa vào từ trường và kỹ thuật thu nhận tín hiệu sóng radio (RF) có độ nhạy cao.

MRI đo lường tín hiệu dựa vào tập hợp các spin hạt nhân. Mỗi spin hạt nhân như vậy lại được xem như là một máy phát có kích thước cỡ nguyên tử có thể cộng hưởng với nhau ở một từ trường phụ thuộc vào tần số. Khi có một bậc thang (gradient) từ trường, các nguyên tử ở 2 vị trí khác nhau sẽ cộng hưởng ở 2 tần số khác nhau, và do đó sẽ dễ dàng biết được vị trí của chúng dựa vào độ dịch chuyển tần số. Nguyên lý này được đưa vào cơ thể thông qua một bảng mạch silicon tích hợp thu nhỏ (chip ATOMS). Các vi thiết bị sử dụng chip ATOMS cũng cộng hưởng ở các tần số khác nhau dựa trên vị trí của chúng trong từ trường.

Như vậy, các vi thiết bị này sẽ được định vị bên trong cơ thể sống thông qua từ trường, nhưng thay vì là dựa trên các nguyên tử của cơ thể thì các chip này lại có chứa sẵn một bộ tích hợp các cảm biến, bộ cộng hưởng, kỹ thuật truyền tín hiệu không dây, cho phép chúng bắt chước được các đặc tính cộng hưởng từ của các nguyên tử.

Microchip sử dụng công nghệ ATOMS được định vị trong đường tiêu hoá.

Điểm khác biệt giữa công nghệ ATOMS và MRI cũng như phương thức định vị dựa trên sóng radio (RF) là ở chỗ ATOMS không cần đến từ trường tĩnh phân cực mạnh, vì sự dao động trong ATOMS có thể được cung cấp năng lượng bởi các nguồn năng lượng bên trong hoặc bên ngoài. Ngoài ra, độ phân giải không gian của kỹ thuật này có thể không bị giới hạn bởi bước sóng RF hoặc các thông số liên quan đến mô sinh học. Như vậy, công nghệ ATOMS vừa kết hợp được ưu điểm của kỹ thuật mã hoá tần số sử dụng bậc thang từ trường và thu nhận tín hiệu RF có độ nhạy cao, đồng thời loại bỏ được nhược điểm của cả 2 kỹ thuật này.

Loại microchip này được thiết kế sao cho thật nhỏ để ít tiêu tốn năng lượng, tuy nhiên vẫn đảm bảo cân bằng về kích cỡ đối với vấn đề tiêu thụ năng lượng và khả năng định vị được trong cơ thể. Loại chip này đã được thử nghiệm và hoạt động thành công trên chuột. Nó đượcchế tạo bởi công nghệ CMOS (complementary-metal-oxide-semiconductor) chuẩn và có diện tích bề mặt là 1.4 mm², nhỏ hơn đồng tiền xu 250 lần, với thể tích chiếm chỗ bên trong cơ thể nhỏ hơn 0.7 mm³. Thiết bị này có chứa một cảm biến từ trường, một ăng-ten tích hợp, một bộ phận phát không dây, và một bảng mạch có thể điều chỉnh tín hiệu tần số radio dựa trên cường độ từ trường để chuyển tiếp thông tin về vị trí của chip đến bộ phận nhận tín hiệu không dây bên ngoài cơ thể.

Ứng dụng của vi thiết bị ATOMS

Các nhà nghiên cứu cho biết, các vi thiết bị sử dụng công nghệ ATOMS vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu. Hiện tại, loại chip này chỉ mới chuyển tải được các thông tin về vị trí của chúng bên trong cơ thể. Bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu sẽ phát triển thêm để chúng có thể cho biết thông tin cả về vị trí và tình trạng của cơ thể.

Như vậy, một ngày nào đó những loại vi thiết bị sử dụng công nghệ này sẽ hoạt động như những cảm biến thời gian thực bên trong cơ thể con người, và có khả năng theo dõi được hoạt động của đường tiêu hoá, dòng máu hay bộ não của bệnh nhân. Các thiết bị này có thể đo lường được các thông số chỉ điểm sức khoẻ của bệnh nhân chẳng hạn như pH, nhiệt độ, huyết áp, đường máu,… và chuyển các thông tin đó cho bác sĩ. Chúng thậm chí còn có thể được thiết kế để có khả năng kiểm soát sự phóng thích thuốc trúng đích, cũng như chụp ảnh mô phục vụ cho chẩn đoán bệnh.