Anguilla

Oct 24, 2023

invernom/iStock

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I ricercatori dell'Università di Oxford hanno creato una "batteria di goccioline" in grado di stimolare direttamente le cellule, secondo un recente studio pubblicato su Nature il 30 agosto. Ispirati dal modo in cui le anguille generano elettricità, i ricercatori si sono rivolti ai gradienti ionici per generare corrente.

Da anni i ricercatori cercano di progettare piccoli dispositivi che si integrino direttamente con le cellule del nostro corpo. La capacità di farlo apre nuove strade nei trattamenti, come la somministrazione di farmaci direttamente nelle cellule. Tuttavia, gli sviluppi in questo settore sono stati ostacolati dalla mancanza di una fonte di energia adeguata.

La tecnologia convenzionale delle batterie non può essere progettata per funzionare a livello microscala, ma i ricercatori del Dipartimento di Chimica di Oxford hanno ora sviluppato una fonte di energia in miniatura che chiamano batteria a goccia.

Il team si è rivolto alle anguille per trarre ispirazione poiché l'animale biologico è in grado di generare elettricità con l'aiuto di gradienti ionici interni.

Nel progetto della batteria, il team ha utilizzato una catena di cinque goccioline di un idrogel conduttivo delle dimensioni di un nanolitro. Un idrogel è una rete 3D di catene polimeriche in grado di assorbire e trattenere grandi quantità di acqua. Ciascuna di queste goccioline conteneva una composizione diversa in modo che si potesse creare un gradiente salino lungo la catena.

Le goccioline sono state separate le une dalle altre utilizzando doppi strati lipidici che non solo hanno impedito il flusso di ioni tra loro, ma hanno anche fornito un supporto meccanico.

Per avviare la batteria, la struttura è stata raffreddata a una temperatura pari a 39 Fahrenheit (quattro gradi Celsius) e il mezzo circostante è stato modificato. Ciò porta alla rottura del doppio strato lipidico e alla formazione di un idrogel continuo.

Le goccioline di sale alte si trovano alle due estremità, mentre le goccioline di sale basse si trovano al centro. Se gli elettrodi sono collegati a una delle estremità delle goccioline, i ricercatori sono riusciti a utilizzare il gradiente ionico per generare elettricità.

Utilizzando goccioline da 50 nanolitri, i ricercatori sono stati in grado di generare una potenza massima di 65 nanowatt (nW), che è durata poco più di 30 minuti. È interessante notare che il dispositivo potrebbe anche essere conservato per un periodo di 36 ore e generare comunque una quantità simile di corrente.

Per dimostrare che la batteria di goccioline potrebbe essere utilizzata con cellule umane, i ricercatori le hanno attaccate a cellule progenitrici umane che sono state colorate con un colorante. Quando la batteria era accesa, le cellule mostravano la segnalazione intercellulare.

"La fonte di energia morbida miniaturizzata rappresenta una svolta nei dispositivi biointegrati", ha affermato Yujia Zhang, il ricercatore principale del lavoro, in un comunicato stampa. “Sfruttando i gradienti ionici, abbiamo sviluppato un sistema in miniatura e biocompatibile per la regolazione di cellule e tessuti su microscala, che apre un’ampia gamma di potenziali applicazioni in biologia e medicina”.

Il team ha aggiunto che il design della batteria era modulare e che più unità create utilizzando una stampante a gocce potevano essere combinate insieme per aumentare la tensione o la corrente in uscita. 20 unità di cinque sistemi di batterie a goccia erano sufficienti per generare un'uscita di due volt, che potrebbe alimentare un diodo emettitore di luce. Anche un sistema contenente migliaia di unità di potenza non era lontano.

La ricerca è stata pubblicata oggi sulla rivista Nature il 30 agosto.

Estratto dello studio:

I dispositivi biointegrati necessitano di fonti di energia per funzionare. Nonostante le tecnologie ampiamente utilizzate in grado di fornire energia a obiettivi su larga scala, come le forniture di energia cablate da batterie o la trasduzione di energia wireless3, la necessità di stimolare in modo efficiente cellule e tessuti su microscala è ancora pressante. La fonte di energia miniaturizzata ideale dovrebbe essere biocompatibile, meccanicamente flessibile e in grado di generare una corrente ionica per la stimolazione biologica, invece di utilizzare il flusso di elettroni come nei dispositivi elettronici convenzionali4-6. Un approccio consiste nell’utilizzare fonti di soft power ispirate all’anguilla elettrica7,8; tuttavia, le fonti di energia che combinano le capacità richieste non sono ancora state prodotte, perché è difficile ottenere unità miniaturizzate che conservino energia contenuta prima dell’uso e siano facilmente attivate per produrre una produzione di energia. Qui sviluppiamo una fonte di soft power miniaturizzata depositando reti supportate da lipidi di goccioline di idrogel di nanolitri che utilizzano gradienti ionici interni per generare energia. Rispetto al design originale ispirato all'anguilla7, il nostro approccio può ridurre il volume di un'unità di potenza di oltre 105 volte e può immagazzinare energia per più di 24 ore, consentendo il funzionamento on-demand con una densità di potenza 680 volte maggiore di circa 1.300 W m−3. Il nostro dispositivo a goccioline può fungere da fonte di corrente ionica biocompatibile e biologica per modulare l'attività della rete neuronale in microtessuti neurali tridimensionali e in fette di cervello di topo ex vivo. In definitiva, il nostro dispositivo ionotropico su microscala morbida potrebbe essere integrato negli organismi viventi