牛津大学的研究人员在实现能够直接刺激细胞的微型生物集成设备方面迈出了重要一步。他们的研究成果发表在《自然》杂志上。
可以与细胞相互作用和刺激细胞的小型生物集成设备可能具有重要的治疗应用，包括靶向药物治疗的传递和伤口愈合的加速。然而，这些设备都需要一个电源来运行。到目前为止，还没有有效的方法来提供微尺度的电力。
为了解决这个问题，牛津大学化学系的研究人员开发了一种微型电源，能够改变培养的人类神经细胞的活动。受电鳗发电原理的启发，该装置利用内部离子梯度产生能量。
这种微型软实力源是通过沉积一条由5个纳米升大小的导电水凝胶液滴组成的链而产生的(一种含有大量吸水的聚合物链的3D网络)。每个液滴都有不同的组成，因此在整个链上产生了盐浓度梯度。脂质双分子层将液滴与邻近的液滴分开，提供机械支持，同时防止离子在液滴之间流动。
通过将结构冷却至4°C并改变周围介质来打开电源:这破坏了脂质双分子层，使液滴形成连续的水凝胶。这使得离子可以通过导电水凝胶，从两端的高盐液滴移动到中间的低盐液滴。
由有限公司将末端液滴连接到电极上，离子梯度释放的能量转化为电能，使水凝胶结构能够作为外部组件的电源。
在这项研究中，激活的液滴电源产生的电流持续了30多分钟。由50纳升液滴组成的装置的最大输出功率约为65纳瓦(nW)。这些装置在储存36小时后也产生了类似的电流。
研究小组随后演示了如何将活细胞连接到设备的一端，这样它们的活性就可以直接受到离子电流的调节。研究小组将该装置附着在含有人类神经祖细胞的液滴上，并用荧光染料对其进行染色以显示其活性。当电源打开时，延时记录显示神经元中由局部离子电流引起的细胞间钙信号波。
该研究的首席研究员张玉佳博士(牛津大学化学系)说:“小型化的软实力源代表了生物集成设备的突破。通过利用离子梯度，我们开发了一种微型的、生物相容性的系统，用于在微观尺度上调节细胞和组织，这在生物学和医学上开辟了广泛的潜在应用。”
根据研究人员的说法，该设备的模块化设计将允许多个单元组合在一起，以增加产生的电压和/或电流。这将为下一代可穿戴设备、生物混合接口、植入物、合成组织和微型机器人打开大门。通过将20个五液滴单元串联起来，他们能够照亮一个发光二极管，这需要大约2伏的电压。他们设想自动化设备的生产，例如使用液滴打印机，可以产生由数千个动力单元组成的液滴网络。
Hagan Bayley教授(牛津大学化学系)是这项研究的研究小组负责人，他说:“这项工作解决了一个重要的问题，即由柔软的、生物相容性的设备产生的刺激如何与活细胞相结合。对生物混合界面、植入物和微型机器人等设备的潜在影响是巨大的。”
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