Forskare vid University of Oxford har tagit ett betydande steg mot att förverkliga biointegrerade miniatyrenheter som kan stimulera celler direkt. Deras arbete har publicerats i tidskriften Nature.
Små biointegrerade enheter som kan interagera med och stimulera celler kan ha viktiga terapeutiska tillämpningar, inklusive leverans av riktade läkemedelsterapier och acceleration av sårläkning. Men alla sådana enheter behöver en strömkälla för att fungera. Hittills har det inte funnits några effektiva sätt att tillhandahålla kraft på mikroskalanivå.
För att ta itu med detta har forskare från University of Oxfords Department of Chemistry utvecklat en miniatyrkraftkälla som kan förändra aktiviteten hos odlade mänskliga nervceller. Inspirerad av hur elektriska ålar genererar elektricitet använder enheten interna jongradienter för att generera energi.
Den miniatyriserade mjuka kraftkällan produceras genom att avsätta en kedja av fem nanoliterstora droppar av en ledande hydrogel (ett 3D-nätverk av polymerkedjor som innehåller en stor mängd absorberat vatten). Varje droppe har en annan sammansättning så att en saltkoncentrationsgradient skapas över kedjan. Dropparna är separerade från sina grannar av lipiddubbelskikt, som ger mekaniskt stöd samtidigt som de förhindrar joner från att flöda mellan dropparna.
Strömkällan slås på genom att kyla strukturen till 4°C och byta omgivande medium:detta stör lipiddubbelskikten och gör att dropparna bildar en kontinuerlig hydrogel. Detta gör att jonerna kan röra sig genom den ledande hydrogelen, från dropparna med hög salthalt i de två ändarna till droppen med låg salthalt i mitten.
Genom att ansluta änddropparna till elektroder omvandlas energin som frigörs från jongradienterna till elektricitet, vilket gör att hydrogelstrukturen kan fungera som en kraftkälla för externa komponenter.
I studien producerade den aktiverade droppströmkällan en ström som varade i över 30 minuter. Den maximala uteffekten för en enhet gjord av 50 nanoliter droppar var cirka 65 nanowatt (nW). Enheterna producerade en liknande mängd ström efter att ha lagrats i 36 timmar.
Forskargruppen visade sedan hur levande celler kunde fästas i ena änden av enheten så att deras aktivitet kunde regleras direkt av jonströmmen. Teamet fäste enheten till droppar som innehöll mänskliga neurala stamceller, som hade färgats med ett fluorescerande färgämne för att indikera deras aktivitet. När strömkällan slogs på visade time-lapse-inspelning vågor av intercellulär kalciumsignalering i neuronerna, inducerade av den lokala jonströmmen.
Dr. Yujia Zhang (Kemiska institutionen, University of Oxford), den ledande forskaren för studien, sa:"Den miniatyriserade mjuka strömkällan representerar ett genombrott inom biointegrerade enheter. Genom att utnyttja jongradienter har vi utvecklat en miniatyr, biokompatibel system för att reglera celler och vävnader i mikroskala, vilket öppnar upp ett brett spektrum av potentiella tillämpningar inom biologi och medicin."
Enligt forskarna skulle enhetens modulära design tillåta flera enheter att kombineras för att öka spänningen och/eller strömmen som genereras. Detta kan öppna dörren för att driva nästa generations bärbara enheter, biohybridgränssnitt, implantat, syntetisk vävnad och mikrorobotar. Genom att kombinera 20 femdroppar i serie kunde de lysa upp en lysdiod, som kräver cirka två volt. De föreställer sig att automatisering av produktionen av enheterna, till exempel genom att använda en droppskrivare, skulle kunna producera droppnätverk som består av tusentals kraftenheter.
Professor Hagan Bayley (Department of Chemistry, University of Oxford), forskargruppsledare för studien, sa:"Detta arbete tar upp den viktiga frågan om hur stimulering som produceras av mjuka, biokompatibla enheter kan kopplas till levande celler. Den potentiella inverkan på enheter inklusive biohybridgränssnitt, implantat och mikrorobotar är betydande."
Mer information: En mikroskalig mjuk jonisk strömkälla modulerar neuronal nätverksaktivitet, Natur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06295 www.nature.com/articles/s41586-023-06295-y
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Oxford
