Các tế bào nhiên liệu glucose có thể khai thác hiệu quả năng lượng hóa học của cơ thể và biến nó thành điện tích đã là mục tiêu lâu dài đối với các nhà khoa học kể từ khi tiềm năng như vậy được nghiên cứu lần đầu tiên vào năm 1968.

 

Nhưng những loại pin công nghệ sinh học này đã bị thách thức bởi một loạt các vấn đề về khả năng tương thích sinh học trong một thời gian dài.

Giờ đây, nhóm các nhà nghiên cứu của ETH Zurich đã phát triển được một mô cấy tế bào nhiên liệu mới để quản lý bệnh tiểu đường loại 1. Hơn nữa, nó kết nối với các tế bào beta nhân tạo do cùng một nhóm thiết kế năm 2016, có thể sản xuất và giải phóng thành công insulin khi được kích hoạt.

Martin Fussenegger, Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hệ thống Sinh học tại ETH Zurich cho biết: “Hệ thống mới tự động điều chỉnh lượng insulin và glucose và có thể được sử dụng để điều trị bệnh tiểu đường trong tương lai”.

Ở bệnh tiểu đường loại 1, cơ thể không thể sản xuất đủ insulin nên phải can thiệp bằng nguồn cung cấp bên ngoài. Máy bơm và thiết bị giám sát insulin hiện tại cũng dựa vào nguồn điện bên ngoài như pin sử dụng một lần.

Bản thân pin nhiên liệu, giống như một túi trà, có cỡ lớn hơn móng tay một chút, được bọc trong túi vải không dệt và phủ alginate, một sản phẩm có nguồn gốc từ tảo được sử dụng rộng rãi trong y sinh vì mức độ tương thích sinh học cao. Khi được cấy dưới da, alginate của tế bào sẽ hấp thụ chất dịch cơ thể, cho phép glucose thấm vào bề mặt và chảy vào trung tâm năng lượng.

Bên trong tế bào, nhóm nghiên cứu đã phát triển được một anode bằng hạt nano gốc đồng có thể phân tách glucose thành axit gluconic và một proton để tạo ra dòng điện.

Fussenegger nói: “Nhiều người, đặc biệt là ở các quốc gia phương Tây có nền công nghiệp hóa, tiêu thụ nhiều carbohydrate hơn mức họ cần trong cuộc sống hàng ngày. Điều này đã cho chúng tôi ý tưởng sử dụng năng lượng trao đổi chất dư thừa này để sản xuất điện cung cấp năng lượng cho các thiết bị y sinh”.

Pin nhiên liệu sau đó được kết hợp với một viên nang insulin có các tế bào beta của nhóm nghiên cứu, có thể kích hoạt để tiết ra insulin thông qua dòng điện từ mô cấy.

Nhìn chung, hai thành phần này cung cấp một mạch tự điều chỉnh. Khi tế bào nhiên liệu chạy bằng glucose cảm biến được lượng đường trong máu dư thừa, nó sẽ hoạt động, sau đó kích thích các tế bào beta sản xuất và tiết ra insulin. Khi lượng đường trong máu giảm xuống, nó sẽ kích hoạt một cảm biến ngưỡng trong pin nhiên liệu, do đó, nó sẽ giảm năng lượng, từ đó ngừng sản xuất và giải phóng insulin.

Mạch tự duy trì này cũng có thể tạo ra đủ năng lượng để kết nối với thiết bị khác như điện thoại thông minh, cho phép theo dõi và điều chỉnh, thậm chí có khả năng truy cập từ xa để can thiệp y tế.

Mặc dù công nghệ sinh học đã được thử nghiệm thành công trên mô hình chuột, nhưng các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ tìm được các nguồn lực để phát triển nó từ nguyên mẫu sang giai đoạn thị trường.