Medical implant tương lai có thể vừa là sensor, electrode và một “nhà thuốc” siêu nhỏ

Một implant thần kinh thường phải chọn vai trò khá rõ: hoặc đo tín hiệu, hoặc kích thích mô, hoặc đưa thuốc. Nhóm nghiên cứu tại Technical University of Denmark (DTU), University of Copenhagen, University College London và University of Manchester đang thử gom những chức năng đó vào cùng một sợi polymer mảnh hơn nửa milimet.

Thiết bị có tên microfluidic Axialtrode, hay mAxialtrode. Trong nghiên cứu công bố trên Advanced Science đầu năm 2026, nhóm cho thấy một sợi duy nhất có thể dẫn ánh sáng cho optogenetics, ghi hoạt động điện ở nhiều lớp não và đưa chất lỏng tới các độ sâu khác nhau. Các thí nghiệm in vivo trên chuột cho thấy thiết bị có thể ghi đồng thời tín hiệu từ cortex và hippocampus, trong khi cấu trúc vi lưu được kiểm tra cho khả năng phân phối chất theo chiều sâu.

Nếu nhìn theo hướng implant y tế dài hạn, đây là một mô hình thú vị: cùng một giao diện có thể vừa là sensor, vừa là điện cực, vừa là đường đưa thuốc tại chỗ. Nhưng còn một ranh giới cần nói rõ ngay từ đầu. mAxialtrode hiện chưa phải một “nhà thuốc” tự chứa thuốc trong cơ thể. Trong prototype, các kênh vi lưu vẫn kết nối với bơm bên ngoài; điều khiển không dây và closed-loop thời gian thực mới được nhóm nêu như hướng phát triển tiếp theo.

Vấn đề của implant không chỉ là làm nó nhỏ hơn

Não không phải một khối đồng nhất. Cortex, hippocampus, thalamus và nhiều cấu trúc khác nằm ở các độ sâu khác nhau, trong khi những mạch thần kinh liên quan tới trí nhớ, quyết định hay động kinh có thể đi qua nhiều lớp.

Nhiều probe quang học dạng sợi hiện nay phát ánh sáng hoặc tương tác với mô chủ yếu ở đầu distal — tức đầu cuối của sợi. Muốn tác động tới một lớp khác, nhà nghiên cứu có thể phải dịch chuyển probe hoặc dùng thêm thiết bị. Điều đó làm hệ thống phức tạp hơn và có thể tăng tổn thương mô.

mAxialtrode đổi hình học của chính đầu sợi. Thay vì cắt vuông 90 độ, nhóm nghiên cứu tạo các đầu nghiêng 45, 30 hoặc 15 độ. Cách cắt này khiến các điện cực và cửa kênh vi lưu vốn nằm quanh tiết diện sợi xuất hiện ở các vị trí khác nhau dọc theo trục implant. Nói đơn giản, một mặt cắt nghiêng biến nhiều điểm chức năng vốn “xếp ngang” thành các điểm nằm ở nhiều độ sâu.

Với đầu nghiêng 15 độ, khoảng cách theo chiều sâu giữa điện cực cao nhất và thấp nhất đạt khoảng 900 ± 10 micromet. Đây là khoảng đủ để một probe duy nhất tiếp xúc với những lớp thần kinh khác nhau mà không phải di chuyển sau khi cấy.

Một sợi polymer nhưng bên trong có ba hệ thống

mAxialtrode được chế tạo bằng thermal drawing, kỹ thuật trong đó một preform polymer kích thước lớn được gia nhiệt rồi kéo thành sợi rất mảnh trong khi vẫn giữ hình học tiết diện ban đầu.

Nhóm dùng polycarbonate (PC) làm lõi quang và poly(methyl methacrylate) (PMMA) làm lớp bao. Sau khi kéo, sợi mục tiêu có đường kính khoảng 420–440 micromet. Lõi PC ở giữa rộng khoảng 200 micromet và có thể dẫn ánh sáng xanh 470 nm hoặc đỏ 650 nm, hai dải thường dùng để kích hoạt các opsin trong thí nghiệm optogenetics.

Quanh lõi là tám kênh vi lưu đường kính khoảng 20 micromet. Các kênh này có thể làm hai việc. Nếu để rỗng, chúng dẫn chất lỏng tới mô. Nếu đưa dây tungsten đường kính 20 micromet vào, chúng trở thành vị trí chứa điện cực để ghi tín hiệu điện sinh học.

Điểm này khiến cụm “sensor và electrode” có phần chồng lấn: chính các điện cực tungsten là phần tử cảm nhận hoạt động điện của não. Trong một implant closed-loop tương lai, tín hiệu thu được từ các điện cực có thể đóng vai trò đầu vào cho thuật toán quyết định khi nào kích thích hoặc đưa thuốc.

Sensor không chỉ nghe một lớp não

Trong thí nghiệm trên chuột, nhóm đặt mAxialtrode sao cho các điện cực thấp hơn nằm trong hippocampus còn các điện cực phía trên nằm ở cortex. Sau khi lọc dải theta 4–10 Hz, họ ghi nhận biên độ dao động theta ở hippocampus cao hơn nhất quán so với cortex.

Thí nghiệm này không chứng minh một ứng dụng điều trị. Nó chứng minh điều cơ bản hơn: các electrode trên cùng một sợi thực sự có thể thu tín hiệu khác nhau từ những lớp não nằm dọc theo chiều sâu.

Nhóm cũng dùng lõi quang để đưa ánh sáng xanh và đỏ vào mô, phục vụ optogenetic stimulation. Như vậy cùng một cấu trúc có thể vừa ghi điện, vừa đưa ánh sáng — hai chức năng thường cần các phần cứng riêng biệt.

Phần “nhà thuốc” nằm trong tám kênh vi lưu

Đối với drug delivery, nhóm trước hết kiểm tra áp suất trong các kênh. Ở tốc độ dưới 5 microlit mỗi phút, áp suất tích tụ nhỏ hơn 0,1 bar; khi tốc độ dưới 1 microlit mỗi phút, lưu lượng ra bám sát lưu lượng được bơm vào. Điều này quan trọng vì áp suất quá cao có thể làm rò thiết bị hoặc gây tổn thương mô.

Nhờ đầu nghiêng, cửa ra của các kênh nằm ở những độ sâu khác nhau. Trong thử nghiệm trực quan hóa, chất màu được đưa qua kênh trên và kênh dưới tạo ra khoảng phân bố theo chiều sâu tới 2,7 mm. Với sợi đầu phẳng và cùng tổng thể tích bơm, khoảng tương ứng là khoảng 1,27 mm.

Điểm mới vì thế không nằm ở việc một implant có thể bơm chất — điều đó đã có trong nhiều hệ microfluidic. mAxialtrode cố đặt nhiều cửa phân phối dọc theo cùng một trục, cho phép một sợi duy nhất đưa các chất tới những lớp khác nhau.

Tuy nhiên, gọi thiết bị hiện tại là “nhà thuốc siêu nhỏ” cần một dấu ngoặc lớn. mAxialtrode không có reservoir thuốc tích hợp trong phần cấy và cũng chưa tự giải phóng thuốc dựa trên tín hiệu mà nó đo được. Scaffold của thiết bị kết nối với syringe pump, nguồn sáng và hệ ghi EEG ở bên ngoài. Một implant trị liệu tự chủ sẽ phải thu nhỏ hoặc thay thế phần phần cứng này, tích hợp nguồn năng lượng, reservoir, telemetry và logic điều khiển an toàn.

Mềm hơn không có nghĩa là đã giải quyết xong phản ứng mô

Một lý do nhóm chọn polymer là độ mềm. Implant silicon hoặc các probe cứng có độ cứng cơ học khác xa mô não; chuyển động vi mô kéo dài có thể kích thích phản ứng dị vật và viêm quanh implant.

Nhóm so sánh phản ứng microglia sau bốn tuần giữa mAxialtrode đầu nghiêng 15 độ và một sợi polymer cùng vật liệu, cùng đường kính nhưng đầu phẳng. Nhuộm Iba1 cho thấy xu hướng phản ứng viêm thấp hơn với mAxialtrode. Tuy nhiên, số động vật trong so sánh này rất nhỏ: hai con ở mỗi nhóm cấy ghép, với nhóm không cấy làm đối chứng. Giá trị p được báo cáo cho so sánh chính là 0,0547 — sát nhưng không vượt ngưỡng 0,05 thường dùng.

Vì vậy không nên diễn giải kết quả thành “implant không gây viêm”. Điều hợp lý hơn là hình học đầu nghiêng và vật liệu polymer cho thấy một tín hiệu tích cực về tương thích cơ học, nhưng cần thí nghiệm lớn hơn và thời gian dài hơn để biết phản ứng mô mạn tính thực sự ra sao.

Từ probe nghiên cứu tới implant điều trị còn thiếu một vòng khép kín

Một implant y tế đúng nghĩa của ý tưởng “sensor + electrode + pharmacy” sẽ cần một chu trình hoàn chỉnh: đo tín hiệu sinh học, xác định có bất thường hay không, chọn loại can thiệp, thực hiện kích thích điện/quang hoặc giải phóng đúng lượng thuốc, rồi tiếp tục đo để xem cơ thể phản ứng thế nào.

mAxialtrode hiện mới chứng minh các khối phần cứng cốt lõi có thể cùng tồn tại trên một sợi rất nhỏ. Nhóm nghiên cứu cũng nêu wireless control và real-time sensing là các hướng tiếp theo để tiến tới closed-loop neuromodulation.

Ứng dụng được nhắc tới nhiều là các bệnh thần kinh như động kinh, nơi một hệ thống tương lai về lý thuyết có thể nhận biết tín hiệu bất thường rồi can thiệp tại đúng vùng bằng kích thích hoặc thuốc. Nhưng nghiên cứu hiện tại không phải thử nghiệm điều trị động kinh và cũng chưa có dữ liệu ở người.

Nhóm đang bảo hộ bằng sáng chế cho công nghệ và tìm hiểu khả năng thử nghiệm lâm sàng. Trước khi tới bước đó, thiết bị sẽ phải chứng minh nhiều thứ mà một demo trên chuột chưa trả lời: độ bền nhiều tháng hoặc nhiều năm, độ ổn định của điện cực, nguy cơ tắc kênh vi lưu, nhiễm trùng, độ chính xác của liều thuốc, nguồn năng lượng, đóng gói hermetic và cách xử lý khi một thành phần hỏng.

Nếu những bài toán đó được giải quyết, điều đáng giá nhất của mAxialtrode có thể không phải một chức năng riêng lẻ. Nó cho thấy implant tương lai có thể chuyển từ những thiết bị “một nhiệm vụ” sang một giao diện đa phương thức: quan sát mô, tác động bằng điện hoặc ánh sáng, và đưa hóa chất ngay tại cùng vùng cần điều trị. Nhưng ở thời điểm hiện tại, nó vẫn chủ yếu là một nền tảng nghiên cứu thần kinh trên động vật — chưa phải một nhà thuốc tự động nằm trong cơ thể người.

Nguồn

• Kunyang Sui và cộng sự, “Multimodal Layer-Crossing Interrogation of Brain Circuits Enabled by Microfluidic Axialtrodes”, Advanced Science, 2026.
• Technical University of Denmark — Gentle implant can illuminate, listen, and deliver medication to the brain.
• UCL Discovery — bản open-access của nghiên cứu mAxialtrode.
• PubMed — PMID 41566891.