Ученые из Оксфордского университета достигли значительных успехов в разработке крошечных биоинтегрированных устройств, способных непосредственно стимулировать клетки. Их результаты были недавно опубликованы в журнале Nature.
Маленькие биоинтегрированные устройства, способные взаимодействовать с клетками и воздействовать на них, обещают иметь важное применение в медицине, такое как доставка лекарств по адресу и ускорение процесса заживления. Однако одной из основных проблем было создание эффективного микромасштабного источника питания для таких устройств, и эта проблема оставалась нерешенной.
Для решения этой задачи исследователи с химического факультета Оксфордского университета разработали миниатюрный источник энергии, способный изменять активность культивируемых нервных клеток человека. Это устройство вдохновлено тем, как электрические угри генерируют электричество, используя внутренние градиенты ионов.
Миниатюрный источник мягкой энергии создается путем нанесения цепочки из пяти капель нанолитра проводящего гидрогеля. Каждая капля имеет уникальный состав, что создает градиент концентрации соли вдоль цепочки. Капли разделены липидными бислоями, обеспечивающими механическую поддержку и предотвращая поток ионов между каплями.
Источник питания активируется путем охлаждения до 4°C и смены окружающей среды, что приводит к разрушению липидных бислоев и образованию сплошного гидрогеля. Это позволяет ионам перемещаться через проводящий гидрогель от капель с высокой концентрацией соли к каплям с низкой концентрацией соли. Когда конечные капли соединяются с электродами, ионные градиенты преобразуются в электричество, что позволяет гидрогелю служить источником энергии для внешних компонентов.
В ходе исследования активированный источник питания создавал ток, который поддерживался более 30 минут. Максимальная выходная мощность составила около 65 нановатт для блока из 50-нанолитровых капель. Устройства также продемонстрировали способность производить ток после 36-часового хранения.
Исследователи также продемонстрировали, как живые клетки могут быть присоединены к устройству, позволяя регулировать их активность ионным током. Устройство было прикреплено к каплям, содержащим нейронные клетки-предшественники человека, что позволило контролировать их активность. Подключение источника питания вызывало волну межклеточной передачи сигналов кальция в нейронах, что было зафиксировано на видеозаписи.
Доктор Юйцзя Чжан, ведущий исследователь проекта, подчеркнул, что этот миниатюрный источник мягкой энергии представляет собой значительный прорыв в биоинтегрированных устройствах и предоставляет новые возможности для регулирования клеток и тканей на микроуровне. Ученые верят, что модульная структура устройства может позволить объединять несколько устройств для увеличения генерируемого напряжения и тока, открывая путь к созданию биогибридных интерфейсов, имплантатов, синтетических тканей и микророботов.
Профессор Хэган Бэйли, руководитель исследовательской группы, подчеркнул, что эта работа имеет огромное значение для применения мягких биосовместимых устройств во многих областях, включая медицину и биологию.
