Новая «капельная батарея» может открыть путь к миниатюрным биоинтегрированным устройствам

Исследователи из Оксфордского университета сделали значительный шаг к созданию миниатюрных биоинтегрированных устройств, способных напрямую стимулировать клетки. Их работа опубликована в журнале Nature.

Такие устройства, взаимодействующие со клетками, могут иметь важные терапевтические применения, включая доставку целевых лекарств и ускорение заживления ран. Однако всем им нужен источник питания. До сих пор не существовало эффективного способа обеспечения энергией на микроуровне.

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали миниатюрный источник питания, способный изменять активность культивируемых нервных клеток человека. Вдохновляясь тем, как электрические угри генерируют электричество, устройство использует внутренние ионные градиенты.

Миниатюрный мягкий источник создается путем осаждения цепочки из пяти нанолитровых капель проводящего гидрогеля. Каждая капля имеет разный состав, что создает градиент концентрации соли вдоль цепочки. Капли разделены липидными бислоями, которые обеспечивают механическую поддержку, предотвращая поток ионов между каплями.

Источник активируется охлаждением структуры до 4°C и сменой окружающей среды: это нарушает липидные бислои и заставляет капли сформировать непрерывный гидрогель. Это позволяет ионам перемещаться через проводящий гидрогель от капель с высокой концентрацией соли на концах к капле с низкой концентрацией в середине.

Подключив концевые капли к электродам, энергия, высвобождаемая из ионных градиентов, преобразуется в электричество, позволяя структуре работать как источник питания для внешних компонентов.

В исследовании активированный капельный источник производил ток, который сохранялся более 30 минут. Максимальная выходная мощность устройства из 50 нанолитровых капель составила около 65 нановатт (nW). Устройства производили аналогичный ток после 36 часов хранения.

Затем команда продемонстрировала, как живые клетки можно присоединить к устройству, чтобы их активность напрямую регулировалась ионным током. К устройству присоединили капли с клетками-предшественниками нейронов человека, окрашенными флуоресцентным красителем. Когда источник питания был включен, покадровая запись показала волны межклеточной передачи сигналов кальция в нейронах, вызванные локальным ионным током.

Ведущий исследователь доктор Юйцзя Чжан заявил: «Этот прорыв открывает широкий спектр потенциальных применений в биологии и медицине».

Модульная конструкция устройства позволяет комбинировать несколько единиц для увеличения генерируемого напряжения и/или тока. Это может открыть путь к питанию устройств нового поколения: носимых устройств, био-гибридных интерфейсов, имплантатов, синтетических тканей и микророботов. Соединив 20 пятикапельных блоков последовательно, исследователи смогли зажечь светодиод, для которого требуется около двух вольт. Они предполагают, что автоматизация производства, например с помощью капельного принтера, позволит создавать сети из тысяч силовых блоков.

Профессор Хейган Бэйли, руководитель исследовательской группы, отметил: «Эта работа решает важный вопрос о том, как стимуляция, производимая мягкими, биосовместимыми устройствами, может быть сопряжена с живыми клетками. Потенциальное влияние на устройства, включая био-гибридные интерфейсы, имплантаты и микророботов, существенно».