La miniaturizzazione dei dispositivi bio-integrati, in grado di interagire e stimolare le cellule, potrebbe avere importanti applicazioni nel campo terapeutico. Questi dispositivi consentirebbero la somministrazione mirata di terapie farmacologiche e l’accelerazione del processo di guarigione delle ferite. Tuttavia, un ostacolo significativo per il funzionamento di tali dispositivi è la necessità di una fonte di alimentazione a livello microscopico, che finora non era stata risolta in modo efficiente.
Per affrontare questa sfida, i ricercatori del Dipartimento di Chimica dell’Università di Oxford hanno sviluppato una piccola fonte di energia in grado di influenzare l’attività delle cellule nervose umane coltivate in laboratorio. Ispirandosi al modo in cui le anguille generano elettricità, questo dispositivo sfrutta i gradienti ionici interni per produrre energia.
La fonte energetica in miniatura viene creata depositando una catena di cinque gocce di idrogel conduttivo. Questo idrogel è costituito da una rete tridimensionale di catene polimeriche contenenti una grande quantità di acqua assorbita. Ogni goccia ha una composizione diversa, creando così un gradiente di concentrazione di sale lungo la catena. Le gocce sono separate da doppie membrane lipidiche, che forniscono supporto meccanico e impediscono agli ioni di fluire tra le gocce.
Per attivare il dispositivo, la struttura viene raffreddata a 4°C e il mezzo circostante viene modificato. Questo provoca la rottura delle membrane lipidiche e la trasformazione delle gocce in un idrogel continuo. Ciò consente agli ioni di muoversi attraverso l’idrogel conduttivo, dalle gocce ad alto contenuto di sale alle due estremità, fino alla goccia a basso contenuto di sale al centro. Collegando le gocce terminali agli elettrodi, l’energia rilasciata dai gradienti ionici si trasforma in elettricità, consentendo al dispositivo di agire come una fonte di energia per componenti esterni.
Nello studio, è stata dimostrata l’efficacia della fonte di energia attivata, che ha prodotto una corrente continua per oltre 30 minuti. La potenza massima di uscita di un’unità composta da 50 gocce è stata di 65 nanowatt (nW). Inoltre, i dispositivi hanno mantenuto la capacità di produrre una quantità simile di corrente anche dopo essere stati conservati per 36 ore.
Successivamente, il team di ricerca ha mostrato come le cellule viventi possano essere collegate al dispositivo in modo che la loro attività possa essere regolata direttamente dalla corrente ionica. Nel caso specifico, sono state collegate gocce contenenti cellule neurali progenitrici umane precedentemente colorate con un colorante fluorescente per indicare la loro attività. Quando la fonte di energia è stata attivata, le registrazioni in time-lapse hanno mostrato onde di segnalazione di calcio intercellulare nelle cellule nervose, indotte dalla corrente ionica locale.
Secondo i ricercatori, il design modulare del dispositivo consentirebbe di combinare più unità per aumentare la tensione e/o la corrente generata. Questo potrebbe aprire la strada all’alimentazione di dispositivi indossabili di nuova generazione, interfacce bio-ibride, impianti, tessuti sintetici e microrobot. Ad esempio, combinando 20 unità di cinque gocce in serie, sono riusciti a illuminare un diodo emettitore di luce che richiedeva circa 2 Volt. Si prevede che l’automazione della produzione dei dispositivi, utilizzando ad esempio una stampante di gocce, potrebbe consentire la creazione di reti di gocce composte da migliaia di unità di alimentazione.
Il professor Hagan Bayley, leader del gruppo di ricerca, ha sottolineato l’importanza di questa scoperta per la stimolazione di dispositivi morbidi e biocompatibili con le cellule viventi. Questa innovazione ha un notevole potenziale per dispositivi come le interfacce bio-ibride, gli impianti e i microrobot.
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I ricercatori dell’Università di Oxford hanno sviluppato una fonte di energia miniaturizzata che può interagire con le cellule umane. Utilizzando una catena di cinque gocce di idrogel conduttivo, il dispositivo sfrutta i gradienti ionici interni per produrre energia. Raffreddando la struttura, il dispositivo si attiva e le gocce si trasformano in un idrogel continuo, permettendo agli ioni di muoversi e produrre elettricità. Questa fonte di energia è stata testata su cellule nervose umane, mostrando onde di segnalazione indotte dalla corrente ionica. Il dispositivo può essere combinato per aumentare la tensione e la corrente generata, aprendo la strada all’alimentazione di dispositivi indossabili, interfaccie bio-ibride, impianti, tessuti sintetici e microrobot. La produzione automatizzata di questi dispositivi potrebbe creare reti di gocce composte da migliaia di unità di alimentazione. Questa scoperta ha un grande potenziale per la stimolazione delle cellule viventi e per l’utilizzo di dispositivi morbidi e biocompatibili.
