Anguila

Oct 24, 2023

invierno/iStock

Al suscribirte, aceptas nuestros Términos de uso y políticas. Puedes cancelar la suscripción en cualquier momento.

Investigadores de la Universidad de Oxford han creado una "batería de gotas" que es capaz de estimular las células directamente, según un estudio reciente publicado en Nature el 30 de agosto. Inspirándose en cómo las anguilas generan electricidad, los investigadores recurrieron a gradientes de iones para generar corriente.

Durante años, los investigadores han intentado diseñar pequeños dispositivos que se integren directamente con las células de nuestro cuerpo. La capacidad de hacerlo abre nuevas vías de tratamiento, como la administración de fármacos directamente a las células. Sin embargo, los avances en este ámbito se han visto obstaculizados por la falta de una fuente de energía adecuada.

La tecnología de baterías convencionales no puede diseñarse para funcionar a nivel de microescala, pero investigadores del Departamento de Química de Oxford han desarrollado una fuente de energía en miniatura a la que se refieren como batería de gotas.

El equipo recurrió a las anguilas en busca de inspiración, ya que el animal biológico es capaz de generar electricidad con la ayuda de gradientes de iones internos.

En el diseño de su propia batería, el equipo utilizó una cadena de cinco gotas de un hidrogel conductor del tamaño de cinco nanolitros. Un hidrogel es una red tridimensional de cadenas de polímeros que pueden absorber y retener grandes cantidades de agua. Cada una de estas gotas contenía una composición diferente para poder crear un gradiente de sal a lo largo de la cadena.

Las gotitas se separaron entre sí mediante bicapas lipídicas que no sólo impedían el flujo de iones entre ellas sino que también proporcionaban soporte mecánico.

Para encender la batería, la estructura se enfrió a una temperatura tan baja como 39 Fahrenheit (cuatro grados Celsius) y se cambió el medio circundante. Esto conduce a la rotura de las bicapas lipídicas y a la formación de un hidrogel continuo.

Las gotas con alto contenido de sal están en cada extremo, mientras que la gota con bajo contenido de sal se encuentra en el medio. Si se conectan electrodos a cada extremo de las gotas, los investigadores lograron utilizar el gradiente iónico para generar electricidad.

Al utilizar gotas de 50 nanolitros, los investigadores pudieron generar una potencia máxima de 65 nanovatios (nW), que duró poco más de 30 minutos. Curiosamente, el dispositivo también podría almacenarse durante un período de 36 horas y seguir generando una cantidad similar de corriente.

Para demostrar que la batería de gotas podría usarse con células humanas, los investigadores las unieron a células progenitoras humanas que se tiñeron con un tinte. Cuando se encendía la batería, las celdas mostraban señalización intercelular.

"La fuente de energía blanda miniaturizada representa un gran avance en los dispositivos biointegrados", afirmó Yujia Zhang, investigador principal del trabajo, en un comunicado de prensa. "Al aprovechar los gradientes de iones, hemos desarrollado un sistema biocompatible en miniatura para regular células y tejidos a microescala, lo que abre una amplia gama de aplicaciones potenciales en biología y medicina".

El equipo añadió que el diseño de su batería era modular y que se podían combinar varias unidades creadas con una impresora de gotas para aumentar el voltaje o la salida de corriente. 20 unidades de cinco sistemas de baterías de gotas fueron suficientes para generar una potencia de dos voltios, que podría alimentar un diodo emisor de luz. Incluso un sistema que contenía miles de unidades de energía no estaba lejos.

La investigación fue publicada hoy en la revista Nature el 30 de agosto.

Resumen del estudio:

Los dispositivos biointegrados necesitan fuentes de energía para funcionar. A pesar de las tecnologías ampliamente utilizadas que pueden proporcionar energía a objetivos a gran escala, como el suministro de energía por cable a partir de baterías o la transducción de energía inalámbrica3, sigue siendo apremiante la necesidad de estimular eficientemente células y tejidos a microescala. La fuente de energía miniaturizada ideal debería ser biocompatible, mecánicamente flexible y capaz de generar una corriente iónica para estimulación biológica, en lugar de utilizar el flujo de electrones como en los dispositivos electrónicos convencionales4–6. Un enfoque consiste en utilizar fuentes de energía blanda inspiradas en la anguila eléctrica7,8; sin embargo, aún no se han producido fuentes de energía que combinen las capacidades requeridas, porque es un desafío obtener unidades miniaturizadas que conserven la energía contenida antes de su uso y que se activen fácilmente para producir energía. Aquí desarrollamos una fuente de energía blanda miniaturizada mediante el depósito de redes de gotitas de hidrogel de nanolitros soportadas por lípidos que utilizan gradientes de iones internos para generar energía. En comparación con el diseño original inspirado en la anguila7, nuestro enfoque puede reducir el volumen de una unidad de energía en más de 105 veces y puede almacenar energía durante más de 24 h, lo que permite la operación bajo demanda con una densidad de potencia de 680 veces mayor. unos 1.300 W m-3. Nuestro dispositivo de gotitas puede servir como una fuente de corriente iónica biológica y biocompatible para modular la actividad de la red neuronal en microtejidos neuronales tridimensionales y en cortes de cerebro de ratón ex vivo. En última instancia, nuestro dispositivo ionotrópico blando a microescala podría integrarse en organismos vivos.