Los investigadores diseñan un biogenerador en miniatura inspirado en la anguila

Los investigadores han dado un paso importante hacia la miniaturización de dispositivos biointegrados que pueden estimular directamente las células. Su trabajo, publicado en la revista Nature, allana el camino para nuevas aplicaciones terapéuticas prometedoras.

Pequeña fuente de energía inspirada en las anguilas eléctricas

Los dispositivos pequeños y biointegrados que interactúan con las células podrían tener importantes aplicaciones terapéuticas, como la administración dirigida de fármacos o la aceleración de la cicatrización de heridas. Sin embargo, estos dispositivos necesitan una fuente de energía para funcionar. Hasta ahora, no ha habido una forma eficiente de suministrar energía a esta escala microscópica.

Para solucionar este problema, investigadores del Departamento de Química de la Universidad deUniversidad de Oxford ha sido desarrollado Una pequeña fuente de energía capaz de modular la actividad de neuronas humanas trasplantadas. Inspirada en la forma en que las anguilas eléctricas generan electricidad, esta fuente utiliza gradientes iónicos internos para producir energía.

Esta pequeña fuente de energía se produce depositando una serie de cinco gotas de hidrogel conductor, cada una de las cuales contiene unos pocos nanolitros. Cada gota tiene una composición diferente, lo que crea un gradiente en la concentración de sal. Las gotitas están separadas por bicapas lipídicas, que proporcionan soporte mecánico al tiempo que evitan que los iones pasen de una gotita a la siguiente.

La fuente de alimentación se activa enfriando la estructura a 4 °C y cambiando el medio circundante. : Esto altera las bicapas lipídicas y transforma las gotas en un hidrogel conductor continuo. Esto permite que los iones se muevan a través del hidrogel desde las gotitas con una mayor concentración de sal en los extremos hasta la gotita con una menor concentración de sal en el centro. Al conectar las gotas a los electrodos, la energía liberada por los gradientes iónicos se convierte en electricidad, lo que permite que la estructura de hidrogel actúe como fuente de energía para los componentes externos.

En el estudio, la fuente de alimentación de gotas activadas produjo corriente continua durante más de 30 minutos. La potencia máxima de una unidad formada por gotas de 50 nanolitros era de unos 65 nW. Los dispositivos produjeron una cantidad similar de corriente incluso después de 36 horas de almacenamiento.

Estimular la actividad neuronal

A continuación, el equipo de investigación demostró cómo se podían vincular células vivas al dispositivo para que su actividad estuviera directamente regulada por la corriente iónica. Conectaron el dispositivo a gotas que contenían células madre neurales humanas, que fueron marcadas con un tinte fluorescente para indicar su actividad. Cuando se activó la fuente de energía, las grabaciones de lapso de tiempo mostraron ondas de señales de calcio intercelular en las neuronas, provocadas por la corriente iónica local.

El Dr. Yujia Zhang, investigador principal del estudio, dijo: Estoy extremadamente agradecido por el tremendo apoyo y los abundantes recursos proporcionados por el Grupo Bayley y el Departamento de Química de la Universidad de Oxford, que me han permitido traspasar los límites de lo que creíamos posible. Las impresoras de gotas 3D, las impresoras de microfluidos y muchas otras técnicas de biología química me han permitido desarrollar tejidos sintéticos con capacidades únicas. Creemos que esto abrirá la puerta a interesantes avances en el campo de los tejidos sintéticos. »

Aplicaciones con gran potencial

Según los investigadores, el diseño modular del dispositivo permitiría combinar múltiples módulos para aumentar el voltaje y/o la corriente generada. Esto podría allanar el camino para Impulsando futuros dispositivos portátiles, biointerfaces híbridas, implantes, tejidos sintéticos y microrobots.

Combinando 20 unidades de cinco gotas en una serie, Pudieron alimentar un LED, que requirió alrededor de 2 voltios.. Imaginan que los dispositivos de producción automatizados, que utilizan, por ejemplo, una impresora de gotas, podrían producir conjuntos de gotas que constan de miles de alimentaciones.

El profesor Hagan Bailey, jefe del grupo de investigación, dijo: Este trabajo aborda la importante cuestión de cómo la estimulación producida por dispositivos blandos biocompatibles puede vincularse a las células vivas. El impacto potencial en dispositivos como biointerfaces híbridas, implantes y microrobots es significativo. »

* La señalización del calcio es un mecanismo clave mediante el cual las neuronas se comunican entre sí para coordinar actividades biológicas como la liberación de neurotransmisores, la liberación de potenciales de acción, la plasticidad sináptica y la transcripción de genes.

sintético

Este estudio realizado por investigadores de la Universidad de Oxford describe el desarrollo de una pequeña fuente de energía biointegrada inspirada en la acción de las anguilas eléctricas. Esta fuente, que consta de gotas de hidrogel conductor separadas por membranas, aprovecha los gradientes iónicos internos para producir electricidad de forma sostenible. Los científicos han demostrado su capacidad para estimular la actividad de las células nerviosas humanas. Este dispositivo modular y miniaturizado abre el camino a nuevas aplicaciones terapéuticas como interfaces neuronales o microrobots implantables.

Para una mejor comprensión

¿Por qué desarrollar mini fuentes integradas de bioenergía?

Operar pequeños dispositivos terapéuticos capaces de interactuar con las células, como sistemas de administración de fármacos dirigidos o implantes neuronales.

Aprovecha los gradientes de concentración de iones entre gotas de hidrogel conductor para generar corriente eléctrica continuamente.

¿Cuánta energía puede proporcionar esta fuente?

Hasta 65nW integrando 50 gotas, suficiente para estimular las células.

Demostrando la capacidad del dispositivo para modular la actividad de las neuronas humanas en el laboratorio.

¿Cuáles son las posibles aplicaciones?

Interfaces cerebro-máquina, robots micromédicos, implantes neuronales, órganos artificiales…

¿Cuáles son las ventajas de esta tecnología?

Miniaturización, biocompatibilidad, producción de energía sostenible, modularidad.

Leyenda de la ilustración principal: una versión ampliada de la fuente de energía de las gotas, para fines de visualización. Las gotitas de 500 nL se encapsularon en un gel orgánico suave y exprimible. Fuente de la imagen: Yujia Zhang

El estudio fue publicado y titulado «La fuente de energía microscópica de iones blandos regula la actividad de la red neuronal». naturaleza

[ Rédaction ]