Ученые из Оксфордского университета разработали крошечную батарею, способную питать импланты внутри организма. Разработка основана на ионном градиенте в цепочке капель, подобной той, которую используют электрические угри для генерации электричества. Также прибор способен стимулировать межклеточную передачу сигнала между нервными клетками. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Тема имплантируемых устройств сейчас на слуху. Многие ученые обсуждают, как изменится мир и человек, когда станет возможным вживить себе в голову чип с бесконечной памятью или улучшить зрение с помощью сенсоров. Однако импланты используются уже сейчас, например кардиостимуляторы для регуляции ритма сердца. Это устройство размером со спичечный коробок, но большую его часть занимает батарея. Уменьшение размеров и повышение биосовместимости питательных элементов — главные задачи, решение которых откроет новые горизонты в разработке имплантируемых или биоинтегрированных устройств, которые взаимодействуют с клетками. Например, они могут применяться в медицине, включая доставку таргетной лекарственной терапии и ускорение заживления ран.
Исследователи Оксфордского университета сделали значительный шаг к созданию миниатюрных биоинтегрированных устройств, способных напрямую стимулировать клетки. Вдохновившись тем, как электрические угри генерируют ток, они создали крошечный источник малого тока. Для этого они использовали цепочку из пяти капель проводящего гидрогеля. Капли были в миллион раз меньше миллиметра. Проводящий гидрогель представляет собой трехмерную сеть полимерных цепей, между которыми находятся молекулы солевого раствора. Каждая капля имеет свой состав, так что по всей цепочке создается градиент концентрации соли. Капли отделены от своих соседей липидным бислоем, который обеспечивает механическую поддержку, не позволяя ионам проходить мимо капель.
Когда такая капельная батарея охлаждается до 4 °C, липидный бислой разрушается, и пять капель становятся единым гидрогелем. В нем ионы движутся от капель с высоким содержанием соли на одном конце к каплям с низким содержанием соли на другом. При соединении концевых капель с электродами энергия, выделяемая ионными градиентами, преобразуется в электричество ー энергию для внешних компонентов.
Капельная батарея создавала 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 присоединить к одному концу устройства, чтобы ионный ток мог напрямую регулировать их активность. Команда прикрепила устройство к предшественникам нервных клеток человека, которые были окрашены флуоресцентным красителем, чтобы ученые могли следить за их активностью. Когда источник питания был включен, покадровая запись продемонстрировала волны межклеточной передачи сигналов кальция в нейронах, индуцированные локальным ионным током. Это ключевой механизм, демонстрирующий, как нервные клетки «общаются» друг с другом.
«Эта работа посвящена важному вопросу о том, как стимуляция, производимая мягкими биосовместимыми устройствами, может взаимодействовать с живыми клетками. Эта разработка может найти применение на таких устройствах, как биогибридные интерфейсы, имплантаты и микророботы», — рассказал Хаган Бэйли, ведущий автор исследования.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
