Các nhà khoa học phát hiện ra một cách mới để tạo ra loại nhựa mềm dẻo, co giãn, có khả năng dẫn điện hiệu quả, một cải tiến có thể giúp cải thiện các thiết bị cấy ghép vào cơ thể người, chẳng hạn như máy tạo nhịp tim, máy đo đường huyết, cảm biến thần kinh.
Nghiên cứu do Giáo sư kỹ thuật hóa học Enrique Gomez tại Đại học Penn State dẫn đầu, nhắm đến loại vật liệu có tên là PEDOT:PSS. PEDOT:PSS là loại vật liệu đặc biệt vì nó có thể xử lý cả hai loại dòng điện, khiến nó trở thành cầu nối đầy hứa hẹn giữa sinh học và điện tử.
Loại nhựa dạng gel này đã được sử dụng trong các công nghệ như robot mềm, màn hình cảm ứng vì nó có thể dẫn điện trong khi vẫn giữ được độ dẻo. Điều làm cho nó đặc biệt thú vị đối với y học là nó có thể tương tác với các tín hiệu điện của chính cơ thể người.
Cơ thể người và thiết bị điện tử đều dẫn điện, nhưng theo những cách khác nhau. Máy tính truyền điện bằng cách sử dụng electron qua dây dẫn kim loại và chất bán dẫn. Ngược lại, các dây thần kinh trong cơ thể gửi tín hiệu điện bằng cách dùng các ion hòa tan trong chất lỏng như nước muối.
Để hiểu rõ hơn cách hoạt động của loại nhựa này, nhóm nghiên cứu dùng kính hiển vi điện tử cực lạnh (cryo-EM), một trong những công cụ hình ảnh mạnh mẽ nhất hiện có. Thay vì sử dụng ánh sáng như kính hiển vi thông thường, cryo-EM sử dụng chùm electron và nhiệt độ cực thấp để hé lộ cấu trúc ở cấp độ nguyên tử.
Các nhà khoa học đã đông lạnh các giọt nhỏ li ti của vật liệu ở nhiệt độ khoảng -180 độ C, cho phép họ nhìn thấy các chi tiết mà bình thường không thể quan sát. Họ phát hiện, việc thêm một lượng nhỏ muối và nước, khiến nhựa phát triển vô số sợi siêu nhỏ, giống như những sợi râu nhỏ.
Các sợi siêu nhỏ này tạo thành các đường dẫn, cho phép điện và ion di chuyển qua vật liệu dễ dàng hơn. Các mẫu có thêm muối, có nhiều sợi nhỏ này hơn và dẫn điện tốt hơn các mẫu không có phụ gia muối.
Nước cũng đóng vai trò quan trọng. Khi nhựa hấp thụ nước, nó trở nên mềm hơn, co giãn hơn, là đặc tính cần thiết đối với vật liệu cần chuyển động theo cơ thể mà không bị gãy. Muối lithium rất hiệu quả vì chúng giúp vật liệu hấp thụ nhiều nước hơn. Nếu không có nước, nhựa trở nên giòn, cho thấy độ ẩm là cần thiết để giữ cho nó dẻo.
Điều đáng ngạc nhiên là các nhà nghiên cứu phát hiện, hiệu suất điện của vật liệu vẫn ổn định ngay cả khi nó trương nở do nước. Các sợi nhỏ được tạo ra bởi muối vẫn giữ nguyên vị trí, cho phép chất dẻo duy trì khả năng dẫn điện trong khi nó trở nên mềm và đàn hồi.
Sự kết hợp hiếm có giữa độ co giãn và khả năng dẫn điện ổn định này chính là những gì các kỹ sư cần cho các thiết bị điện tử sinh học thế hệ tiếp theo, vốn phải uốn cong, xoắn và kéo giãn bên trong cơ thể. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu đầy đủ cách thức muối kích hoạt sự phát triển của các sợi nhỏ giống như râu hoặc cách tinh chỉnh quá trình này.
Các nghiên cứu trong tương lai sẽ khám phá cách tối ưu hóa vật liệu cho các mục đích sử dụng cụ thể, từ cấy ghép vào tim đến các cảm biến gắn trên da và các xét nghiệm đo hoạt động cơ bắp. Nếu các nhà nghiên cứu làm chủ được công nghệ này, kết quả có thể là một loại thiết bị y tế mới có khả năng tương tác tốt hơn với hệ thống điện tự nhiên của cơ thể.
