Новая «капельная батарея» может проложить путь к миниатюрной биологии

Feb 12, 2024

Исследователи Оксфордского университета сделали значительный шаг к созданию миниатюрных биоинтегрированных устройств, способных напрямую стимулировать клетки.Работа опубликованав журнале Nature.

Небольшие биоинтегрированные устройства, которые могут взаимодействовать с клетками и стимулировать их, могут иметь важные терапевтические применения, включая доставку таргетной лекарственной терапии и ускорение заживления ран. Однако всем таким устройствам для работы необходим источник питания. На сегодняшний день не существует эффективных средств обеспечения электроэнергией на микромасштабном уровне.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из Химический факультет Оксфордского университета разработал миниатюрный источник энергии, способный изменять активность культивируемых нервных клеток человека. Вдохновленное тем, как электрические угри генерируют электричество, устройство использует внутренние градиенты ионов для выработки энергии.

Миниатюрный источник мягкой энергии создается путем нанесения цепочки из пяти капель проводящего гидрогеля размером в нанолитр (трехмерная сеть полимерных цепей, содержащая большое количество абсорбированной воды). Каждая капля имеет разный состав, поэтому по всей цепочке создается градиент концентрации соли. Капли отделены от своих соседей липидными бислоями, которые обеспечивают механическую поддержку, предотвращая при этом поток ионов между каплями.

Источник питания включается путем охлаждения конструкции до 4°C и смены окружающей среды: это разрушает липидные бислои и заставляет капли образовывать сплошной гидрогель. Это позволяет ионам перемещаться через проводящий гидрогель от капель с высоким содержанием соли на двух концах к каплям с низким содержанием соли в середине. При соединении конечных капель с электродами энергия, выделяемая ионными градиентами, преобразуется в электричество, что позволяет структуре гидрогеля выступать в качестве источника энергии для внешних компонентов.

В ходе исследования активированный источник питания капель производил ток, который сохранялся более 30 минут. Максимальная выходная мощность блока из капель объемом 50 нанолитров составила около 65 нановатт (нВт). Устройства произвели такое же количество тока после хранения в течение 36 часов.

Затем исследовательская группа продемонстрировала, как живые клетки можно прикрепить к одному концу устройства, чтобы их активность могла напрямую регулироваться ионным током. Команда прикрепила устройство к каплям, содержащим нейронные клетки-предшественники человека, которые были окрашены флуоресцентным красителем, чтобы указать на их активность. Когда источник питания был включен, покадровая запись продемонстрировала волны межклеточной передачи сигналов кальция* в нейронах, индуцированные локальным ионным током.

Доктор Юцзя Чжан (факультет химии Оксфордского университета), ведущий исследователь исследования, сказал: «Миниатюрный источник мягкой энергии представляет собой прорыв в биоинтегрированных устройствах. Используя ионные градиенты, мы разработали миниатюрную биосовместимую систему для регулирования клеток и тканей на микромасштабе, которая открывает широкий спектр потенциальных применений в биологии и медицине».

По мнению исследователей, модульная конструкция устройства позволит объединять несколько устройств для увеличения генерируемого напряжения и/или тока. Это может открыть путь к использованию носимых устройств следующего поколения, биогибридных интерфейсов, имплантатов, синтетических тканей и микророботов. Объединив последовательно 20 пятикапельных блоков, они смогли зажечь светодиод, для которого требуется около 2 Вольт. Они предполагают, что автоматизация производства устройств, например, с помощью капельного принтера, может создать капельные сети, состоящие из тысяч блоков питания.

Профессор Хаган Бэйли (факультет химии Оксфордского университета), руководитель исследовательской группы по исследованию, сказал: «Эта работа посвящена важному вопросу о том, как стимуляция, производимая мягкими биосовместимыми устройствами, может быть связана с живыми клетками. Потенциальное влияние на устройства, включая биогибридные интерфейсы, имплантаты и микророботы, существенно».