Thiết bị cấy ghép giảm đau

Bộ cấy ghép có thể hòa tan được trong nước, tương thích sinh học, hoạt động bằng phương pháp mềm mại quấn quanh các dây thần kinh, cung cấp khả năng làm lạnh chính xác, có mục tiêu, gây tê những dây thần kinh cần thiết và chặn các tín hiệu đau đến não.

Một máy bơm bên ngoài cho phép người dùng kích hoạt thiết bị từ xa, sau đó có thể tăng hoặc giảm cường độ của bộ cấy ghép. Sau khi thiết bị không còn cần thiết, sẽ tự nhiên hấp thụ vào cơ thể - bỏ qua nhu cầu phẫu thuật lấy thiết bị.

Các nhà nghiên cứu tin rằng, thiết bị có giá trị tiềm năng cao đối với những bệnh nhân trong các cuộc phẫu thuật thông thường hoặc phải cắt cụt chi, cần dùng thuốc giảm đau sau phẫu thuật. Bác sĩ phẫu thuật có thể cấy thiết bị trong quá trình phẫu thuật để kiểm soát cơn đau sau mổ của bệnh nhân.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science ngày 1/7. Báo cáo mô tả thiết kế của thiết bị và chứng minh hiệu quả trên một mô hình động vật.

"Mặc dù opioid cực kỳ hiệu quả, nhưng cũng cực kỳ gây nghiện," GS John A. Rogers thuộc Đại học Northwestern, lãnh đạo nhóm nghiên cứu phát triển thiết bị cho biết: "Là kỹ sư, chúng tôi đặt ra ý tưởng điều trị cơn đau không cần thuốc - theo cách bật và tắt ngay lập tức, người dùng có thể kiểm soát cường độ giảm đau.

Công nghệ được giới thiệu sử dụng những cơ chế, tương đồng với cơ chế khiến ngón tay tê dại khi bị lạnh. Cấy ghép mới cho phép tạo hiệu ứng tương tự theo cách có thể lập trình, trực tiếp và cục bộ đến những dây thần kinh mục tiêu, ngay cả những dây thần kinh này nằm sâu trong những mô mềm xung quanh".

Là người đi tiên phong trong lĩnh vực điện tử sinh học, Rogers là GS Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Louis Simpson và Kimberly Querrey, Kỹ thuật Y sinh và Phẫu thuật Thần kinh tại Trường Kỹ thuật McCormick và Trường Y Feinberg của Đại học Northwestern. Ông cũng là giám đốc sáng lập Viện Điện tử Sinh học Querrey Simpson. Jonathan Reeder, PTS thuộc phòng thí nghiệm của Rogers, là tác giả của báo cáo khoa học.

Phương thức hoạt động của thiết bị

Mặc dù thiết bị mới nghe có vẻ như khoa học viễn tưởng, nhưng bộ cấy ghép tận dụng một khái niệm đơn giản, phổ biến: sự bay hơi. Thiết bị chứa chất làm mát lỏng, chất này được kích hoạt để bay hơi tại vị trí cụ thể của dây thần kinh cảm giác.

Đồng tác giả nghiên cứu, TS Matthew MacEwan thuộc Trường Y Đại học Washington ở St. Louis cho biết.  Khi hạ nhiệt một dây thần kinh, các tín hiệu truyền qua dây thần kinh chạy chậm dần và cuối cùng dừng lại hoàn toàn. Nhóm nghiên cứu đặc biệt nhắm mục tiêu vào các dây thần kinh ngoại biên, kết nối não và tủy sống với phần còn lại của cơ thể. Đây là những dây thần kinh giao tiếp các kích thích cảm giác, bao gồm cả đau. Cung cấp hiệu ứng làm mát cho chỉ 1 hoặc 2 dây thần kinh mục tiêu, có thể điều chỉnh hiệu quả các tín hiệu đau ở một vùng cụ thể của cơ thể.

Để tạo ra hiệu ứng làm mát, thiết bị chứa 2 kênh vi lỏng nhỏ. Một kênh chứa chất làm mát lỏng (perfluoropentane), đã được phê duyệt lâm sàng như một chất tương phản siêu âm và cho các ống hít có áp suất. Một kênh thứ hai chứa nitơ khô, một loại khí trơ.

Khi chất lỏng và khí chảy vào buồng dùng chung, phản ứng xảy ra khiến chất lỏng bay hơi tức thời. Đồng thời, một cảm biến tích hợp nhỏ theo dõi nhiệt độ của dây thần kinh để đảm bảo rằng không bị quá lạnh, có thể gây tổn thương mô.

Theo GS Rogers, làm mát quá mức có thể gây hư hỏng dây thần kinh và các mô mỏng manh xung quanh. Do đó, thời gian và nhiệt độ làm mát phải được kiểm soát chính xác. Theo dõi nhiệt độ tại dây thần kinh, tốc độ dòng chảy có thể được điều chỉnh tự động để thiết lập một điểm ngăn chặn cơn đau một cách an toàn và có thể đảo ngược. Nghiên cứu tìm cách xác định toàn bộ các ngưỡng thời gian và nhiệt độ, mà sau đó, quy trình có thể đảo ngược hoàn toàn.

Độ chính xác cao của thiết bị cấy ghép

Những liệu pháp làm mát và thuốc phong tỏa dây thần kinh khác, đã được thử nghiệm bằng thực nghiệm đều có những hạn chế mà thiết bị mới có thể khắc phục. Các nhà khoa học trước đây phát hiện được các liệu pháp lạnh, thực hiện bằng phương pháp tiêm. Những cách tiếp cận không chính xác này làm mát những khu vực rộng lớn của mô, dẫn đến các tác động không mong muốn như tổn thương mô và viêm.

Tại điểm rộng nhất, thiết bị nhỏ của Đại học Northwestern có chiều ngang 5 mm. Một đầu được cuộn tròn thành vòng bít mềm mại quấn quanh một dây thần kinh duy nhất, không cần thiết phải sử dụng chỉ khâu. Mục tiêu chính xác là các dây thần kinh bị ảnh hưởng, thiết bị tránh không làm mát đồng thời các khu vực xung quanh, dẫn đến các tác dụng phụ.

Ưu điểm của công nghệ này là không vô tình làm mát các dây thần kinh khác hoặc các mô không liên quan đến dây thần kinh truyền những kích thích đau đớn. Thiết bị chặn dây thần kinh truyền các tín hiệu đau, không ảnh hưởng đến các dây thần kinh điều khiển chức năng vận động và cho phép bệnh nhân hoạt đông các chi và phần cơ thể không bị ảnh hưởng.

Các nhà nghiên cứu trước đây cũng khám phá ra các thiết bị phong tỏa thần kinh, sử dụng kích thích điện chế áp các kích thích đau đớn. Những thiết bị này cũng có những hạn chế. Không thể tắt dây thần kinh bằng kích thích điện mà không kích hoạt trước. Phương pháp này có thể gây thêm đau hoặc co thắt cơ bắp và gây tác hại xấu đến bệnh nhân.

Thiết bị tự tiêu hủy

Công nghệ mới này là ví dụ thứ ba về các thiết bị điện tử có thể hấp thụ sinh học từ phòng thí nghiệm Rogers, đưa ra khái niệm điện tử tạm thời năm 2012, được công bố trên tạp chí Science. Năm 2018, Rogers, MacEwan và các đồng nghiệp đã trình diễn thiết bị điện tử có thể hấp thụ sinh học đầu tiên trên thế giới, thiết bị cấy ghép có thể phân hủy sinh học giúp tăng tốc độ tái tạo thần kinh, công trình được công bố trên tạp chí Nature Medicine. Năm 2021, Rogers và các đồng nghiệp giới thiệu máy tạo nhịp tim tạm thời, nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Nature Biotechnology.

Tất cả các thành phần của thiết bị đều tương thích sinh học và hấp thụ tự nhiên vào chất lỏng sinh học của cơ thể trong suốt vài ngày hoặc vài tuần mà không cần phẫu thuật lấy ra. Những thiết bị hấp thụ sinh học hoàn toàn vô hại, tương tự như chỉ khâu tự tiêu hủy.

Với độ dày của một tờ giấy, thiết bị làm mát dây thần kinh mềm, đàn hồi là bộ cấy ghép lý tưởng để điều trị các dây thần kinh có độ nhạy cao.