Nyt dråbebatteri kan bane vejen for miniature bio-integrerede enheder
Forskere fra University of Oxford har taget et væsentligt skridt i retning af at realisere miniature bio-integrerede enheder, der er i stand til direkte at stimulere celler. Deres arbejde er blevet publiceret i tidsskriftet Nature.
Små bio-integrerede enheder, der kan interagere med og stimulere celler, kunne have vigtige terapeutiske anvendelser, herunder levering af målrettede lægemiddelterapier og acceleration af sårheling. Sådanne enheder har dog alle brug for en strømkilde for at fungere. Til dato har der ikke været nogen effektive midler til at levere strøm på mikroskalaniveau.
For at løse dette har forskere fra University of Oxford's Department of Chemistry udviklet en miniature strømkilde, der er i stand til at ændre aktiviteten af dyrkede menneskelige nerveceller. Inspireret af, hvordan elektriske ål genererer elektricitet, bruger enheden interne iongradienter til at generere energi.
Den miniaturiserede bløde strømkilde fremstilles ved at afsætte en kæde af fem nanoliter-størrelse dråber af en ledende hydrogel (et 3D-netværk af polymerkæder, der indeholder en stor mængde absorberet vand). Hver dråbe har en forskellig sammensætning, så der skabes en saltkoncentrationsgradient på tværs af kæden. Dråberne er adskilt fra deres naboer af lipid-dobbeltlag, som giver mekanisk støtte og samtidig forhindrer ioner i at flyde mellem dråberne.
Strømkilden tændes ved at afkøle strukturen til 4°C og ændre det omgivende medium:dette forstyrrer lipid-dobbeltlagene og får dråberne til at danne en kontinuerlig hydrogel. Dette gør det muligt for ionerne at bevæge sig gennem den ledende hydrogel, fra dråberne med højt saltindhold i de to ender til dråberne med lavt saltindhold i midten.
Ved at forbinde endedråberne til elektroder omdannes energien, der frigives fra iongradienterne, til elektricitet, hvilket gør det muligt for hydrogelstrukturen at fungere som en strømkilde for eksterne komponenter.
I undersøgelsen producerede den aktiverede dråbestrømkilde en strøm, som varede i over 30 minutter. Den maksimale udgangseffekt for en enhed lavet af 50 nanoliter dråber var omkring 65 nanowatt (nW). Enhederne producerede en tilsvarende mængde strøm efter at have været opbevaret i 36 timer.
Forskerholdet demonstrerede derefter, hvordan levende celler kunne fastgøres til den ene ende af enheden, så deres aktivitet kunne reguleres direkte af ionstrømmen. Holdet fastgjorde enheden til dråber indeholdende humane neurale stamceller, som var blevet farvet med et fluorescerende farvestof for at angive deres aktivitet. Da strømkilden blev tændt, viste time-lapse-optagelse bølger af intercellulær calciumsignalering i neuronerne, induceret af den lokale ionstrøm.
Dr. Yujia Zhang (Department of Chemistry, University of Oxford), den ledende forsker for undersøgelsen, sagde:"Den miniaturiserede bløde strømkilde repræsenterer et gennembrud inden for bio-integrerede enheder. Ved at udnytte iongradienter har vi udviklet en miniature, biokompatibel system til regulering af celler og væv på mikroskala, hvilket åbner op for en lang række potentielle anvendelser inden for biologi og medicin."
Ifølge forskerne ville enhedens modulære design gøre det muligt at kombinere flere enheder for at øge den genererede spænding og/eller strøm. Dette kunne åbne døren til at drive næste generations bærbare enheder, bio-hybrid-grænseflader, implantater, syntetisk væv og mikrorobotter. Ved at kombinere 20 fem-dråbers enheder i serie, var de i stand til at oplyse en lysdiode, som kræver omkring to volt. De forestiller sig, at automatisering af produktionen af enhederne, for eksempel ved at bruge en dråbeprinter, kunne producere dråbenetværk bestående af tusindvis af kraftenheder.
Professor Hagan Bayley (Department of Chemistry, University of Oxford), forskningsgruppelederen for undersøgelsen, sagde:"Dette arbejde adresserer det vigtige spørgsmål om, hvordan stimulering produceret af bløde, biokompatible enheder kan kobles sammen med levende celler. Den potentielle indvirkning på enheder, herunder bio-hybrid-grænseflader, implantater og mikrorobotter, er betydelige."
Flere oplysninger: En blød ionisk strømkilde i mikroskala modulerer neuronal netværksaktivitet, Natur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06295 www.nature.com/articles/s41586-023-06295-y
Journaloplysninger: Natur
Leveret af University of Oxford
Varme artikler
-
Super-sizing et kræftlægemiddel minimerer bivirkningerKrystaller af cisplatin, en platinforbindelse, der bruges som et kemoterapilægemiddel, er vist her Billede:National Cancer Institute En af de første kemoterapi-lægemidler givet til patienter diagn -
Forskere designer grafenfilter til at rense metan fra biogasUNSW-forskere har påvist, at grafenmembraner kan bruges til at rense metan, der er til stede i biogas, der genereres under nedbrydning af materialer i spildevandsanlæg. Kredit:University of New South -
Forskere afslører synergistiske virkninger i dobbelt enkeltatoms katalysatorSynergistiske virkninger for forbedret katalyse i en dobbelt atom-katalysator. Kredit:FU Junhong Single-atom katalysatorer (SACer) anvendes i heterogen katalyse. I stedet for én type enkelt atom, -
Nanopiller giver mere præcis molekylær fotograferingBillede af grænsefladen mellem celle (blå) og nanopillar viser cellemembraner viklet rundt om søjlen. (PhysOrg.com) - Et forskerhold fra Stanford bruger glødende nanopiller til at give biologer, n
- SpaceX eksploderer fra den luxembourgske regeringssatellit
- Halvdelen af jordens satellitter begrænser brugen af klimadata
- Flytning af mikroskopi ud over opløsningsgrænsen
- Teslas udfordringer rækker ud over administrerende direktørers usikre fremtid
- Manipulering af elektronuniversets geometri i magneter
- Hvad hvis dinosaurer var i live i dag?