Wetenschap
Onderzoekers van de Universiteit van Oxford hebben een belangrijke stap gezet in de richting van het realiseren van miniatuur bio-geïntegreerde apparaten die cellen direct kunnen stimuleren. Hun werk is gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
Kleine bio-geïntegreerde apparaten die kunnen interageren met cellen en deze kunnen stimuleren, kunnen belangrijke therapeutische toepassingen hebben, waaronder de levering van gerichte medicijntherapieën en de versnelling van wondgenezing. Dergelijke apparaten hebben echter allemaal een stroombron nodig om te kunnen werken. Tot nu toe zijn er geen efficiënte manieren geweest om energie op microschaal te leveren.
Om dit aan te pakken hebben onderzoekers van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Oxford een miniatuurkrachtbron ontwikkeld die in staat is de activiteit van gekweekte menselijke zenuwcellen te veranderen. Geïnspireerd door de manier waarop elektrische palingen elektriciteit opwekken, gebruikt het apparaat interne ionengradiënten om energie op te wekken.
De geminiaturiseerde zachte krachtbron wordt geproduceerd door een keten van vijf nanoliter-druppeltjes van een geleidende hydrogel (een 3D-netwerk van polymeerketens die een grote hoeveelheid geabsorbeerd water bevatten) af te zetten. Elke druppel heeft een andere samenstelling waardoor er over de hele keten een zoutconcentratiegradiënt ontstaat. De druppels worden van hun buren gescheiden door lipidedubbellagen, die mechanische ondersteuning bieden en voorkomen dat ionen tussen de druppels stromen.
De krachtbron wordt ingeschakeld door de structuur af te koelen tot 4°C en het omringende medium te veranderen:dit verstoort de lipidedubbellagen en zorgt ervoor dat de druppeltjes een continue hydrogel vormen. Hierdoor kunnen de ionen door de geleidende hydrogel bewegen, van de zoutrijke druppels aan de twee uiteinden naar de zoutarme druppel in het midden.
Door de einddruppeltjes met elektroden te verbinden, wordt de energie die vrijkomt uit de ionengradiënten omgezet in elektriciteit, waardoor de hydrogelstructuur kan fungeren als krachtbron voor externe componenten.
In het onderzoek produceerde de geactiveerde druppelkrachtbron een stroom die meer dan 30 minuten aanhield. Het maximale uitgangsvermogen van een eenheid gemaakt van druppels van 50 nanoliter was ongeveer 65 nanowatt (nW). De apparaten produceerden een vergelijkbare hoeveelheid stroom nadat ze 36 uur waren opgeslagen.
Het onderzoeksteam demonstreerde vervolgens hoe levende cellen aan één uiteinde van het apparaat konden worden bevestigd, zodat hun activiteit direct kon worden geregeld door de ionenstroom. Het team bevestigde het apparaat aan druppeltjes met menselijke neurale voorlopercellen, die waren gekleurd met een fluorescerende kleurstof om hun activiteit aan te geven. Toen de stroombron werd ingeschakeld, toonden time-lapse-opnamen golven van intercellulaire calciumsignalering in de neuronen aan, geïnduceerd door de lokale ionenstroom.
Dr. Yujia Zhang (Departement Scheikunde, Universiteit van Oxford), de hoofdonderzoeker van het onderzoek, zei:"De geminiaturiseerde zachte krachtbron vertegenwoordigt een doorbraak in bio-geïntegreerde apparaten. Door gebruik te maken van ionengradiënten hebben we een miniatuur, biocompatibele energiebron ontwikkeld." systeem voor het reguleren van cellen en weefsels op microschaal, wat een breed scala aan potentiële toepassingen in de biologie en geneeskunde opent."
Volgens de onderzoekers zou het modulaire ontwerp van het apparaat het mogelijk maken om meerdere eenheden te combineren om de gegenereerde spanning en/of stroom te verhogen. Dit zou de deur kunnen openen voor het voeden van draagbare apparaten van de volgende generatie, biohybride interfaces, implantaten, synthetische weefsels en microrobots. Door twintig eenheden van vijf druppels in serie te combineren, konden ze een lichtgevende diode verlichten, waarvoor ongeveer twee volt nodig is. Ze denken dat het automatiseren van de productie van de apparaten, bijvoorbeeld door het gebruik van een druppelprinter, druppelnetwerken zou kunnen opleveren die uit duizenden energie-eenheden bestaan.
Professor Hagan Bayley (Departement Scheikunde, Universiteit van Oxford), de leider van de onderzoeksgroep voor het onderzoek, zei:“Dit werk richt zich op de belangrijke vraag hoe stimulatie geproduceerd door zachte, biocompatibele apparaten kan worden gekoppeld aan levende cellen. apparaten, waaronder biohybride interfaces, implantaten en microrobots, is aanzienlijk."
Meer informatie: Een zachte ionische krachtbron op microschaal moduleert de neuronale netwerkactiviteit, de natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06295 www.nature.com/articles/s41586-023-06295-y
Journaalinformatie: Natuur
Aangeboden door Universiteit van Oxford
Inhaleerbare moleculen neutraliseren SARS-CoV-2 bij muizen
Nanoplaten van metaalorganisch raamwerk gebruikt als ionendragers voor zelfgeoptimaliseerde zinkanode
Meer >
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com