La nuova "batteria a goccia" potrebbe aprire la strada alla biografia in miniatura

Feb 12, 2024

I ricercatori dell'Università di Oxford hanno fatto un passo significativo verso la realizzazione di dispositivi biointegrati in miniatura, capaci di stimolare direttamente le cellule.L'opera è stata pubblicatasulla rivista Natura.

Piccoli dispositivi biointegrati in grado di interagire e stimolare le cellule potrebbero avere importanti applicazioni terapeutiche, tra cui la somministrazione di terapie farmacologiche mirate e l’accelerazione della guarigione delle ferite. Tuttavia, tutti questi dispositivi necessitano di una fonte di alimentazione per funzionare. Ad oggi, non esistono mezzi efficienti per fornire energia a livello di microscala.

Per risolvere questo problema, i ricercatori di il Dipartimento di Chimica dell'Università di Oxford ha sviluppato una fonte di energia in miniatura in grado di alterare l'attività delle cellule nervose umane in coltura. Ispirato al modo in cui le anguille elettriche generano elettricità, il dispositivo utilizza gradienti ionici interni per generare energia.

La fonte di soft power miniaturizzata viene prodotta depositando una catena di cinque goccioline di dimensioni nanolitri di un idrogel conduttivo (una rete 3D di catene polimeriche contenente una grande quantità di acqua assorbita). Ciascuna gocciolina ha una composizione diversa in modo che si crei un gradiente di concentrazione di sale attraverso la catena. Le goccioline sono separate dalle vicine da doppi strati lipidici, che forniscono supporto meccanico impedendo al contempo agli ioni di fluire tra le goccioline.

La fonte di energia viene attivata raffreddando la struttura a 4°C e cambiando il mezzo circostante: questo distrugge i doppi strati lipidici e fa sì che le goccioline formino un idrogel continuo. Ciò consente agli ioni di muoversi attraverso l'idrogel conduttivo, dalle goccioline ad alto contenuto di sale alle due estremità alla gocciolina a basso contenuto di sale nel mezzo. Collegando le goccioline finali agli elettrodi, l'energia rilasciata dai gradienti ionici viene trasformata in elettricità, consentendo alla struttura dell'idrogel di fungere da fonte di energia per i componenti esterni.

Nello studio, la fonte di energia a goccioline attivata ha prodotto una corrente che è persistita per oltre 30 minuti. La potenza di uscita massima di un’unità composta da goccioline da 50 nanolitri era di circa 65 nanowatt (nW). I dispositivi hanno prodotto una quantità simile di corrente dopo essere stati conservati per 36 ore.

Il gruppo di ricerca ha poi dimostrato come le cellule viventi potrebbero essere attaccate a un'estremità del dispositivo in modo che la loro attività potesse essere regolata direttamente dalla corrente ionica. Il team ha collegato il dispositivo a goccioline contenenti cellule progenitrici neurali umane, che erano state colorate con un colorante fluorescente per indicarne l'attività. Quando la fonte di alimentazione era accesa, la registrazione time-lapse mostrava onde di segnalazione del calcio intercellulare* nei neuroni, indotte dalla corrente ionica locale.

Il dottor Yujia Zhang (Dipartimento di Chimica, Università di Oxford), ricercatore principale dello studio, ha dichiarato: “La fonte di energia morbida miniaturizzata rappresenta una svolta nei dispositivi biointegrati. 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”.

Secondo i ricercatori, il design modulare del dispositivo consentirebbe di combinare più unità per aumentare la tensione e/o la corrente generata. Ciò potrebbe aprire la strada all’alimentazione di dispositivi indossabili di prossima generazione, interfacce bioibride, impianti, tessuti sintetici e microrobot. Combinando 20 unità a cinque goccioline in serie, sono stati in grado di illuminare un diodo emettitore di luce, che richiede circa 2 Volt. Prevedono che automatizzando la produzione dei dispositivi, ad esempio utilizzando una stampante a goccioline, si potrebbero produrre reti di goccioline composte da migliaia di unità di potenza.

Il professor Hagan Bayley (Dipartimento di Chimica, Università di Oxford), leader del gruppo di ricerca per lo studio, ha dichiarato: “Questo lavoro affronta l’importante questione di come la stimolazione prodotta da dispositivi morbidi e biocompatibili possa essere accoppiata con le cellule viventi. Il potenziale impatto sui dispositivi, tra cui interfacce bioibride, impianti e microrobot, è sostanziale”.