牛津大学的研究人员在实现能够直接刺激细胞的微型生物集成设备方面迈出了重要一步。他们的工作发表在《自然》杂志上。

能够与细胞相互作用并刺激细胞的小型生物集成设备可能具有重要的治疗应用，包括提供靶向药物治疗和加速伤口愈合。然而，此类设备都需要电源才能运行。迄今为止，还没有有效的方法在微尺度上提供电力。

为了解决这个问题，牛津大学化学系的研究人员开发了一种微型电源，能够改变培养的人类神经细胞的活动。该设备受到电鳗发电方式的启发，利用内部离子梯度来产生能量。

这种微型软电源是通过沉积一串由五个纳升大小的导电水凝胶液滴(包含大量吸收水的聚合物链的3D网络)制成的。每个液滴都有不同的成分，因此在整个链条上形成盐浓度梯度。脂质双层将液滴与其相邻液滴分开，脂质双层提供机械支撑，同时防止离子在液滴之间流动。

通过将结构冷却至4°C并改变周围介质来打开电源：这会破坏脂质双层并导致液滴形成连续的水凝胶。这使得离子可以穿过导​​电水凝胶，从两端的高盐液滴移动到中间的低盐液滴。

通过将末端液滴连接到电极，离子梯度释放的能量转化为电能，使水凝胶结构能够充当外部组件的电源。

在研究中，激活的液滴电源产生持续超过30分钟的电流。由50纳升液滴组成的单元的最大输出功率约为65纳瓦(nW)。这些设备在存放36小时后产生了相似的电流量。

研究小组随后演示了如何将活细胞附着在该装置的一端，以便它们的活动可以直接受到离子电流的调节。研究小组将该装置附着在含有人类神经祖细胞的液滴上，这些液滴已被荧光染料染色以表明其活性。当电源打开时，延时记录显示神经元中由局部离子电流诱导的细胞间钙信号波。

该研究的首席研究员YujiaZhu博士(牛津大学化学系)表示：“微型化软电源代表了生物集成设备的突破。通过利用离子梯度，我们开发了一种微型、生物相容性的电源。”在微观尺度上调节细胞和组织的系统，这在生物学和医学领域开辟了广泛的潜在应用。”

研究人员表示，该设备的模块化设计允许组合多个单元，以增加产生的电压和/或电流。这可能为下一代可穿戴设备、生物混合接口、植入物、合成组织和微型机器人提供动力打开大门。通过串联20个五滴单元，他们能够点亮发光二极管，这需要大约2伏的电压。他们设想，通过使用液滴打印机等自动化设备生产，可以产生由数千个动力单元组成的液滴网络。

该研究的研究组组长HaganBayley教授(牛津大学化学系)表示：“这项工作解决了如何将柔软的生物相容性设备产生的刺激与活细胞耦合的重要问题。包括生物混合接口、植入物和微型机器人在内的设备数量巨大。”

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：