Угорь

Oct 24, 2023

зима/iStock

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Исследователи из Оксфордского университета создали «капельную батарею», способную напрямую стимулировать клетки, согласно недавнему исследованию, опубликованному в журнале Nature 30 августа. Вдохновленные тем, как угри генерируют электричество, исследователи обратились к ионным градиентам для генерации тока.

В течение многих лет исследователи пытались разработать небольшие устройства, которые напрямую интегрируются с клетками нашего тела. Возможность сделать это открывает новые пути лечения, такие как доставка лекарств непосредственно в клетки. Однако разработкам в этой области препятствует отсутствие подходящего источника энергии.

Обычная аккумуляторная технология не может быть разработана для работы на микромасштабном уровне, но исследователи химического факультета Оксфорда разработали миниатюрный источник питания, который они называют капельной батареей.

За вдохновением команда обратилась к угрям, поскольку биологическое животное способно генерировать электричество с помощью внутренних ионных градиентов.

В своей собственной конструкции батареи команда использовала цепочку из пяти капель благоприятного гидрогеля размером в нанолитр. Гидрогель представляет собой трехмерную сеть полимерных цепей, которая может поглощать и удерживать большое количество воды. Каждая из этих капель содержала разный состав, поэтому вдоль цепочки можно было создать градиент соли.

Капли были отделены друг от друга с помощью липидных бислоев, которые не только предотвращали поток ионов между ними, но и обеспечивали механическую поддержку.

Чтобы запустить батарею, конструкцию охладили до температуры всего 39 градусов по Фаренгейту (четыре градуса по Цельсию) и изменили окружающую среду. Это приводит к разрушению липидных бислоев и образованию сплошного гидрогеля.

Капли с высоким содержанием соли находятся на обоих концах, а капли с низким содержанием соли расположены посередине. Если к любому концу капли подключить электроды, исследователям удалось использовать ионный градиент для выработки электричества.

При использовании капель объемом 50 нанолитров исследователи смогли создать максимальную выходную мощность 65 нановатт (нВт), которая продолжалась чуть более 30 минут. Интересно, что устройство также могло храниться в течение 36 часов и при этом генерировать такой же ток.

Чтобы продемонстрировать возможность использования капельной батареи с клетками человека, исследователи прикрепили ее к клеткам-предшественникам человека, окрашенным красителем. Когда батарея была включена, клетки отображали межклеточную сигнализацию.

«Миниатюрный источник мягкой энергии представляет собой прорыв в области биоинтегрированных устройств», — сказал Юцзя Чжан, ведущий исследователь работы, в пресс-релизе. «Используя ионные градиенты, мы разработали миниатюрную биосовместимую систему для регулирования клеток и тканей на микроуровне, которая открывает широкий спектр потенциальных применений в биологии и медицине».

Команда добавила, что конструкция их батареи была модульной, и несколько блоков, созданных с помощью капельного принтера, можно было объединить вместе для увеличения выходного напряжения или тока. 20 единиц пятикапельных аккумуляторных систем было достаточно для генерации напряжения в два вольта, которое могло бы питать светодиод. Даже система, содержащая тысячи энергоблоков, была недалеко.

Исследование было опубликовано сегодня в журнале Nature 30 августа.

Аннотация исследования:

Для работы биоинтегрированных устройств необходимы источники питания. Несмотря на широко используемые технологии, которые могут обеспечить питание крупномасштабных целей, такие как проводные источники энергии от батарей или беспроводное преобразование энергии3, потребность в эффективной стимуляции клеток и тканей на микромасштабе все еще остается актуальной. Идеальный миниатюрный источник энергии должен быть биосовместимым, механически гибким и способным генерировать ионный ток для биологической стимуляции вместо использования потока электронов, как в обычных электронных устройствах4-6. Один из подходов заключается в использовании источников мягкой энергии, вдохновленных электрическим угрем7,8; однако источники питания, сочетающие в себе необходимые возможности, еще не созданы, поскольку сложно получить миниатюрные блоки, которые одновременно сохраняют содержащуюся энергию перед использованием и легко запускаются для выработки выходной энергии. Здесь мы разрабатываем миниатюрный источник мягкой энергии путем нанесения на липидную основу сети нанолитровых капель гидрогеля, которые используют внутренние ионные градиенты для генерации энергии. По сравнению с оригинальной конструкцией, вдохновленной угрем7, наш подход позволяет уменьшить объем силового агрегата более чем в 105 раз и сохранять энергию более 24 часов, что позволяет работать по требованию с плотностью мощности, увеличенной в 680 раз. около 1300 Вт м-3. Наше капельное устройство может служить биосовместимым и биологическим источником ионного тока для модуляции активности нейронных сетей в трехмерных нервных микротканях и срезах мозга мышей ex vivo. В конечном итоге наше мягкое микромасштабное ионотропное устройство может быть интегрировано в живые организмы.