Investigadores de la Universidad de Oxford han dado un paso importante hacia la creación de dispositivos biointegrados en miniatura, capaces de estimular directamente las células. Su trabajo ha sido publicado en la revista Nature.
Los pequeños dispositivos biointegrados que pueden interactuar con las células y estimularlas podrían tener importantes aplicaciones terapéuticas, incluida la administración de terapias farmacológicas dirigidas y la aceleración de la cicatrización de heridas. Sin embargo, todos estos dispositivos necesitan una fuente de energía para funcionar. Hasta la fecha, no ha habido medios eficientes para proporcionar energía a nivel de microescala.
Para abordar esto, investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Oxford han desarrollado una fuente de energía en miniatura capaz de alterar la actividad de células nerviosas humanas cultivadas. Inspirado en cómo las anguilas eléctricas generan electricidad, el dispositivo utiliza gradientes de iones internos para generar energía.
La fuente de energía blanda miniaturizada se produce depositando una cadena de cinco gotas del tamaño de nanolitros de un hidrogel conductor (una red 3D de cadenas de polímeros que contiene una gran cantidad de agua absorbida). Cada gota tiene una composición diferente, por lo que se crea un gradiente de concentración de sal a lo largo de la cadena. Las gotas están separadas de sus vecinas por bicapas lipídicas, que proporcionan soporte mecánico al mismo tiempo que evitan que los iones fluyan entre las gotas.
La fuente de energía se enciende enfriando la estructura a 4°C y cambiando el medio circundante:esto altera las bicapas lipídicas y hace que las gotas formen un hidrogel continuo. Esto permite que los iones se muevan a través del hidrogel conductor, desde las gotitas con alto contenido de sal en los dos extremos hasta la gotita con bajo contenido de sal en el medio.
Al conectar las gotas de los extremos a los electrodos, la energía liberada por los gradientes de iones se transforma 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 energía de las gotas activadas produjo una corriente que persistió durante más de 30 minutos. La potencia máxima de salida de una unidad formada por gotas de 50 nanolitros era de unos 65 nanovatios (nW). Los dispositivos produjeron una cantidad similar de corriente después de estar almacenados durante 36 horas.
Luego, el equipo de investigación demostró cómo se podían unir células vivas a un extremo del dispositivo para que su actividad pudiera regularse directamente mediante la corriente iónica. El equipo conectó el dispositivo a gotitas que contenían células progenitoras neurales humanas, que habían sido teñidas con un tinte fluorescente para indicar su actividad. Cuando se encendió la fuente de energía, la grabación en intervalos de tiempo demostró ondas de señalización de calcio intercelular en las neuronas, inducidas por la corriente iónica local.
El Dr. Yujia Zhang (Departamento de Química de la Universidad de Oxford), investigador principal del estudio, dijo:"La fuente de energía blanda miniaturizada representa un gran avance en los dispositivos biointegrados. Aprovechando los gradientes de iones, hemos desarrollado una fuente de energía blanda en miniatura, biocompatible sistema para regular células y tejidos a microescala, lo que abre una amplia gama de aplicaciones potenciales en biología y medicina."
Según los investigadores, el diseño modular del dispositivo permitiría combinar múltiples unidades para aumentar el voltaje y/o la corriente generada. Esto podría abrir la puerta a alimentar dispositivos portátiles, interfaces biohíbridas, implantes, tejidos sintéticos y microrobots de próxima generación. Combinando 20 unidades de cinco gotas en serie, pudieron iluminar un diodo emisor de luz, que requiere aproximadamente dos voltios. Prevén que automatizar la producción de los dispositivos, por ejemplo mediante el uso de una impresora de gotas, podría producir redes de gotas compuestas por miles de unidades de energía.
El profesor Hagan Bayley (Departamento de Química de la Universidad de Oxford), líder del grupo de investigación del estudio, dijo:"Este trabajo aborda la importante cuestión de cómo la estimulación producida por dispositivos blandos y biocompatibles puede acoplarse con células vivas. El impacto potencial en dispositivos que incluyen interfaces biohíbridas, implantes y microrobots es sustancial."
Más información: Una fuente de energía iónica suave a microescala modula la actividad de la red neuronal, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06295 www.nature.com/articles/s41586-023-06295-y
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Oxford
