Bioelectronics là gì?‍

Tại hội thảo CEC đầu tiên tại Brussels, bioelectronics được định nghĩa là “ việc sử dụng các vật liệu và kiến trúc sinh học cho các hệ thống xử lý thông tin và thiết bị mới”. Điện tử sinh học, cụ thể là điện tử phần tử sinh học, được mô tả là “các nghiên cứu và phát triển các vật liệu vô cơ và hữu cơ lấy cảm hứng từ sinh học và các kiến trúc phần cứng lấy cảm hứng từ sinh học để triển khai các hệ thống xử lý thông tin, cảm biến và bộ truyền động mới và để sản xuất phân tử xuống đến quy mô nguyên tử”.
Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) trực thuộc Bộ Thương mại Hoa Kỳ đã đưa ra định nghĩa về điện tử sinh học trong một báo cáo năm 2009 là “bioelectronics is the convergence of biology and electronics”. Bên cạnh đó, viện các kỹ sư điện và điện tử Mỹ (IEEE) mô tả phạm vi của điện tử sinh học là tìm cách “khai thác sinh học kết hợp với các thiết bị điện tử trong một bối cảnh rộng hơn”. Ví dụ các tế bào nhiên liệu sinh học, kỹ thuật sinh học và vật liệu sinh học để xử lý, lưu trữ thông tin, linh kiện điện tử và thiết bị truyền thông. Một khía cạnh quan trọng của điện tử sinh học là giao diện giữa vật liệu sinh học và điện tử cấp vi mô và nano”. Với định nghĩa trên có thể hiểu ngắn gọn bioelectronic là nghiên cứu hội tụ của hai lĩnh vực sinh học và thiết bị điện tử.‍

Ứng dụng và triển vọng của bioelectronics

Các nghiên cứu đầu tiên về điện tử sinh học diễn ra vào thế kỷ 18 với thiết bị đôi chân chuyển động của nhà khoa học Luigi Galvani. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu và áp dụng công nghệ điện tử sinh học rộng rãi vào cả ngành sinh học và y học kể từ khi máy tạo nhịp tim được phát minh với ngành công nghiệp hình ảnh y tế.
Trong lĩnh vực y học, các bác sĩ sử dụng điện tử sinh học để giúp cải thiện cuộc sống của những người khuyết tật và mắc bệnh. Điển hình là máy theo dõi glucose cho phép bệnh nhân tiểu đường kiểm soát và đo lượng đường trong máu của họ. Điện tử sinh học cũng được sử dụng để điều trị cho bệnh nhân mắc bệnh động kinh, đau mãn tính, Parkinson, điếc, run vô căn và mù. Các phát minh về cảm biến sinh học glucose thực tế đã mở ra lĩnh vực cảm biến sinh học để chuẩn đoán y tế.
Một trong những triển vọng khả thi trong lĩnh vực điện tử sinh học là cho ra đời các sản phẩm linh hoạt như các cảm biến uốn cong, tận dụng lợi thế của vật liệu sinh học và vi điện tử để tạo ra miếng dán, băng hay tem dán thông minh nhằm cải thiện sức khỏe và chăm sóc vẻ đẹp cho con người. Nguyên lý hoạt động của công nghệ miếng dán là sử dụng một dải cực điện nhỏ xíu in chìm trong màng mỏng để kiểm soát sự thay đổi điện gây nên bởi các tế bào chết. Với kỹ thuật nói trên, chúng ta có thể phát hiện thấy dấu hiệu sưng tấy của vết thương ngay từ giai đoạn đầu, giúp cho việc điều trị mang lại hiệu quả cao. Không chỉ dùng để theo dõi và điều trị vết thương, các sản phẩm điện tử sinh học còn được dùng để theo dõi hoạt các hoạt động não bộ và cơ quan nội tạng.
Cùng với sự ra đời của The Internet of Things, người dùng có thể kiểm soát mọi thứ qua mạng chỉ bằng một thiết bị thông minh và trong trường hợp này các sản phẩm điện tử sinh học và các thiết bị cấy ghép sẽ tạo ra một thế hệ công cụ mới đầy thú vị giúp ngành y dõi, điều trị bệnh lẫn tăng cường vẻ đẹp. Tuy phải mất một thời gian ngắn nữa các sản phẩm này mới trở nên thông dụng nhưng đây đích thực là một bước tiến đầy triển vọng, làm cho cuộc sống của con người ngày càng trở nên dễ chịu hơn.‍

Xu hướng hiện tại và triển vọng phát triển của điện tử sinh học‍

Lĩnh vực điện tử sinh học đã có một chặng đường dài phát triển kể từ những thí nghiệm đầu tiên của Galvani. Công nghệ điện tử sinh học hiện đang là một phần thiết yếu đối với việc chăm sóc sức khỏe trong thời đại mới và có tiềm năng vô hạn trong tương lai. Khi xem xét các nghiên cứu tiền lâm sàng và lâm sàng đang diễn ra, chúng ta thấy rằng lĩnh vực này đang phát triển nhanh hơn bao giờ hết. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã giúp những bệnh nhân bị liệt có thể đi lại được thông qua sự can thiệp điện tử sinh học lâm sàng (Rowald và cộng sự, 2022), giải mã lời nói từ các bản ghi não (Anumanchipalli và cộng sự, 2019), chân ay giả điều khiển bằng tâm trí với phản hồi cảm giác (Raspopovic và cộng sự, 2021) và phục hồi thị lực một phần cho người mù (Bloch và cộng sự, 2019). 

Nghiên cứu hiện tại về mặt lâm sàng đặc biệt tập trung vào việc mở rộng các ứng dụng, giảm tính xâm lấn, xác định các dấu hiệu sinh học của bệnh và mở rộng việc sử dụng các hệ thống điều khiển vòng kín. Trong khi đó, một khối lượng lớn hơn các nghiên cứu tiền lâm sàng đang mang lại những cải tiến to lớn về vật liệu, thiết bị và hệ thống điện tử sinh học để giao tiếp với sinh học. Những phát triển này đang tạo ra những nỗ lực mới như cấy ghép mô phỏng mô để giảm thiểu phản ứng với dị vật, đưa thuốc có kiểm soát vào não, cấy ghép ít xâm lấn và thiết bị đeo được để theo dõi thời gian thực nhiều loại chất sinh hóa và dấu ấn sinh học của bệnh cũng như các biện pháp can thiệp để chữa lành vết thương và tái tạo mô. Các công nhệ điện tử sinh học đang được phát triển cho thuốc và chẩn đoán. Những nỗ lực ngày càng mở rộng ra ngoài lĩnh vực chăm sóc sức khỏe để tạo ra các công cụ mới hỗ trợ nghiên cứu cơ bản bao gồm các ứng dụng trong khoa học thực vật và nông nghiệp. Những công trình như vậy hứa hẹn sẽ tiết lộ nhiều tiềm năng hơn nữa cho các biện pháp can thiệp điện sinh học đồng thời mở rộng hiểu biết của chúng ta về cuộc sống xung quanh.
Việc cải thiện các tiêu chuẩn và công cụ để theo dõi trạng thái của tế bào ở độ phân giải dưới tế bào đang thiếu kinh phí và việc làm. Đây là một vấn đề lớn cần giải quyết do những tiến bộ trong các lĩnh vực khoa học khác đang bắt đầu phân tích các quần thể tế bào lớn, làm tăng nhu cầu về một thiết bị có thể theo dõi các tế bào ở mức độ quan sát như vậy. Tế bào không thể được sử dụng theo nhiều cách khác ngoài mục đích chính của chúng, chẳng hạn như phát hiện các chất có hại. Việc kết hợp khoa học này với các dạng công nghệ nano có thể tạo ra các phương pháp phát hiện cực kỳ chính xác. Việc bảo vệ mạng sống con người như bảo vệ chống lại khủng bố sinh học là lĩnh vực công việc lớn nhất đang được thực hiện trong điện tử sinh học. Các chính phủ trên toàn thế giới cũng đang bắt đầu yêu cầu các thiết bị và vật liệu phát hiện các mối đe dọa hóa học và sinh học.