Các nhà khoa học vừa chế tạo ra một sợi quang kích cỡ nano có thể cảm nhận được lực ở cường độ nhỏ đến mức không thể tin được, từ sự nhiễu loạn do vi khuẩn di chuyển trong các tế bào cho đến những sóng âm được tạo ra bởi nhịp đập của trái tim.

Việc cảm nhận được sự hoạt động của hệ thống sinh học trong cơ thể, có thể giúp chúng ta theo dõi được diễn biến của các tế bào ung thư, quá trình biến trướng của nó để các bác sĩ nhanh chóng đưa ra những biện pháp chữa trị kịp thời.

“Công trình này có thể mở ra cánh cửa mới để theo dõi và tương tác với những thay đổi rất nhỏ trong cơ thể mà trước đây chúng ta không có cách nào thực hiện được”, thành viên của nhóm nghiên cứu, ông Donald Sirbuly từ Đại học California San Diego cho biết.

Những tiến bộ trong công nghệ hiển vi đã cho phép chúng ta nhìn sâu vào những khe hở nhỏ nhất của cơ thể, chúng ta có thể biết được những gì đang diễn ra ở đó từ xa, bằng cách cảm nhận âm thanh của những thứ đang xảy ra.

Công nghệ hiển vi có thể giúp phát hiện ra những lực dù là nhỏ nhất, nhưng điều trở ngại duy nhất là kích thước của các thiết bị không đủ nhỏ để có thể chen vào những mạch trong hệ sinh học của cơ thể người.

Thế là một nhóm nghiên cứu ở Hoa Kỳ đã tạo ra sợi cáp quang từ oxit thiếc, mỏng hơn 100 lần so với sợi tóc của người, hoàn hảo để đưa vào các bộ phận nhỏ bé trong cơ thể. Oxit thiếc đã được phủ một lớp polymer mỏng cùng những hạt nano vàng.

Mô phỏng những sợi cáp quang có kích thước vô cùng nhỏ đang bơi lội trong môi trường của các tế bào. (Ảnh: Rhett S. Miller/UC Regents).

Cách sử dụng thiết bị này cũng vô cùng đơn giản, chỉ cần đưa nó vào một dung dịch chứa tế bào sống hoặc vào bên trong một vi khuẩn, nó sẽ được đưa len lỏi khắp các thành mạch trong cơ thể người và tiến hành làm việc.

Các lực tác động và âm thanh sinh học khi xảy ra sẽ làm thay đổi ánh sáng trong môi trường xung quang, sự thay đổi ánh sáng này là rất nhỏ nhưng nó có thể phản chiếu lên các nano vàng, từ đây tín hiệu chuyển về lớp polymer một cách nhẹ nhàng và đưa vào lõi của sợi cáp.

Bằng cách sử dụng cách tiếp cận này, các kỹ sư đã có thể giám sát được những lực dù là nhỏ nhất được diễn ra để theo dõi nhịp đập của các tế bào tim và sự di chuyển của vi khuẩn trong các khối ung bướu.

“Chúng tôi không chỉ ghi nhận được lực tác động và âm thanh của từng tế bào, mà còn dự đoán được nhiều bệnh lý khác nhau bằng cách sử dụng thiết bị này. Đây là một công cụ mới cho phép thăm dò cơ học ở mức độ nano với độ chính xác cao”, Sirbuly cho biết.

Sợi cáp quang này có độ nhạy gấp 10 lần thiết bị AFM – một thiết bị có chức năng tương tự nhưng kém nhạy hơn, nó có thể cảm nhận được lực dưới 160 femton và lắng nghe được âm thanh nhỏ hơn 30 decibel (thấp hơn 1000 lần so với mức tối thiểu tai người nghe được).

Để dễ hình dung, một trái táo bất kỳ có lực là 1 Newton đang nằm trên mặt đất, thì 100 femtonewton bằng 1 phần ngàn tỷ so với mức độ lực đó. Nghĩa là một trái táo được cắt thành 10 ngàn tỷ miếng nhỏ.

Kỹ thuật này cho phép thay đổi linh hoạt lớp polymer tùy vào các mục đích sử dụng khác nhau. Để đo lực lớn hơn, chỉ cần thay đổi miếng polymer cứng hơn và để phát hiện các lực nhỏ hơn, cần dùng vật liệu phủ sợi cáp quang mềm hơn như hydrogel.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu sẽ sử dụng cáp nano để tìm hiểu sự năng động của các tế bào sinh học và cải thiện độ nhạy của thiết bị để chế tạo ra ống nghe y tế cực nhạy, có thể nghe được âm thanh của từng tế bào riêng lẻ.