Trung Quốc tạo bước đột phá cấy ghép não: Điện cực mỏng hơn sợi tóc, hoạt động ổn định gần 2 năm mà không làm tổn thương mô thần kinh

Trong các thử nghiệm trên động vật, thiết bị cấy ghép linh hoạt này ghi nhận tín hiệu thần kinh với độ rõ nét chưa từng có trong thời gian dài, đồng thời duy trì hoạt động ổn định bên trong cơ thể suốt 18 tháng. Thành tựu này được đánh giá là bước tiến quan trọng giúp giải quyết một trong những rào cản lớn nhất đối với công nghệ giao diện não - máy tính (Brain Computer Interface, BCI).

Các hệ thống BCI xâm lấn hiện nay có ưu thế vượt trội trong việc thu nhận tín hiệu thần kinh với độ chính xác cao. Tuy nhiên, phần lớn điện cực đang sử dụng được chế tạo từ bạch kim hoặc hợp kim bạch kim iridi, có độ dẫn điện tốt nhưng cứng hơn rất nhiều so với mô não mềm.

Theo thời gian, sự ma sát giữa vật liệu cứng và mô não gây ra các chuyển động vi mô liên tục, dẫn đến viêm mãn tính và hình thành mô sẹo bao quanh điện cực. Điều này khiến chất lượng tín hiệu suy giảm dần sau nhiều năm sử dụng.

Để giải quyết vấn đề trên, nhóm nghiên cứu do ông Xu Xiaomin thuộc Trường Cao học Quốc tế Thâm Quyến của Đại học Thanh Hoa dẫn đầu, phối hợp với ông Takao Someya từ Đại học Tokyo và ông Li Xiaojian từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã phát triển một loại vật liệu mới có khả năng kết hợp độ dẫn điện tương đương kim loại với độ mềm gần giống mô sinh học.

Thông qua quy trình vi chế tạo tùy chỉnh, lần đầu tiên nhóm nghiên cứu biến vật liệu này thành giao diện thần kinh hữu cơ mật độ cao, được thiết kế để hoạt động bền bỉ trong thời gian dài.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Proceedings of the National Academy of Sciences ngày 28/4.

Vật liệu mới có tên là CHIP (Conductive Hydrogel with Interfacial Percolation), đạt độ dẫn điện lên tới 2.512 S/cm, mức cao nhất từng được ghi nhận đối với một loại hydrogel dẫn điện. Nhờ đó, vật liệu có thể truyền tải các tín hiệu thần kinh cực yếu với độ chính xác cao.

Tuy nhiên, khả năng dẫn điện chỉ là một nửa thách thức. Các hydrogel truyền thống thường bị trương nở khi hấp thụ dịch cơ thể, làm biến dạng cấu trúc điện cực và thay đổi khoảng cách giữa các kênh tín hiệu, gây khó khăn cho quá trình thu nhỏ và tích hợp thiết bị.

Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp chế tạo mới. Hydrogel được cố định trước trên nền parylene cứng nhằm hạn chế sự giãn nở theo phương ngang, sau đó được gia công bằng công nghệ quang khắc có độ chính xác cao trong môi trường khô. Cách tiếp cận này giúp duy trì tính toàn vẹn cấu trúc của vật liệu trong suốt quá trình sản xuất.

Nhờ đó, các nhà khoa học đã chế tạo được mảng điện cực ghi điện não ECoG gồm 128 kênh với độ dày chỉ 9 micromet, mỏng hơn nhiều lần so với sợi tóc người. Mật độ kênh đạt 853 kênh/cm², cao gấp hơn 10 lần so với các thiết kế hydrogel trước đây.

Ngoài hiệu suất vượt trội, điện cực mới còn cho thấy mức độ an toàn và tương thích sinh học cao. Sau 1.000 chu kỳ kéo giãn ở mức 30%, tương đương ngưỡng biến dạng tối đa mà mô não có thể chịu được, hydrogel CHIP vẫn duy trì hiệu năng điện ổn định với mức sai lệch dưới 4%.

Trong thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, khi được đặt lên mô não lợn tươi, điện cực bám sát bề mặt một cách tự nhiên và có thể bóc tách mà không gây tổn thương mô, cho thấy khả năng tương thích rất tốt với não bộ.

Để đánh giá độ bền lâu dài, nhóm nghiên cứu tiếp tục cấy các điện cực dựa trên vật liệu CHIP vào não của 5 con thỏ. Trong hơn 550 ngày theo dõi khi động vật di chuyển tự do, hệ thống liên tục ghi nhận được các tín hiệu thần kinh ổn định. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu luôn duy trì trên 94% so với thời điểm ban đầu.

Các xét nghiệm mô học sau 16 tuần cũng cho thấy phản ứng viêm rất thấp, xác nhận khả năng tương thích sinh học dài hạn của thiết bị.

Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ mới có thể mở rộng việc ứng dụng hydrogel chức năng trong nhiều hệ thống điện tử sinh học khác nhau, đồng thời mở đường cho thế hệ giao diện thần kinh an toàn hơn, bền hơn và tiến gần hơn tới mục tiêu kết nối liền mạch giữa não người và máy móc.