Onderzoekers van de Universiteit van Oxford hebben een belangrijke stap gezet in de richting van miniatuur bio-geïntegreerde apparaten, schrijft de universiteit in een persbericht. Deze apparaten zijn in staat om cellen direct te stimuleren. Het onderzoek werd vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
- Onderzoekers ontwikkelen een nieuwe “druppelbatterij” voor bio-geïntegreerde apparaten;
- Het batterijontwerp maakt gebruik van kleine waterdruppels en solide microsferen om elektriciteit te genereren;
- Mogelijke toepassingen zijn miniatuur medische en bio-monitoring apparaten vanwege de kleine omvang en biocompatibiliteit.
Miniatuurkrachtbron
Kleine bio-geïntegreerde apparaten die kunnen interageren met cellen en deze stimuleren, zouden belangrijke therapeutische toepassingen kunnen hebben, zoals het toedienen van gerichte geneesmiddelentherapieën en het versnellen van wondgenezing. Dergelijke apparaten hebben echter allemaal een stroombron nodig om te kunnen werken. Tot nu toe is er geen efficiënte manier om energie te leveren op microscopisch niveau.
Om hier iets aan te doen, hebben onderzoekers van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Oxford een miniatuurkrachtbron ontwikkeld die de activiteit van gekweekte menselijke zenuwcellen kan veranderen. Geïnspireerd door de manier waarop sidderalen elektriciteit opwekken, maakt het apparaat gebruik van interne ionengradiënten om energie op te wekken.
Een keten van druppeltjes
De miniatuur stroombron wordt gevormd door een keten van vijf druppeltjes ter grootte van een nanoliter van een geleidende hydrogel (een 3D-netwerk van polymeerketens dat een grote hoeveelheid geabsorbeerd water bevat) aan te brengen. Elke druppel heeft een andere samenstelling zodat er een zoutconcentratie over de keten van druppels ontstaat.
De stroombron wordt ingeschakeld door de structuur af te koelen tot 4°C en het omringende medium te veranderen: dit verstoort de lipide bilagen en zorgt ervoor dat de druppels een continue hydrogel vormen. Hierdoor kunnen de ionen door de geleidende hydrogel bewegen, van de druppels met een hoog zoutgehalte aan de twee uiteinden naar de druppel met een laag zoutgehalte in het midden. Door de einddruppels te verbinden met elektroden wordt de energie die vrijkomt uit de ionengradiënten omgezet in elektriciteit, waardoor de hydrogelstructuur fungeert als energiebron voor externe componenten.
De volgende generatie draagbare apparaten van stroom voorzien
In het onderzoek produceerde de geactiveerde druppelstroombron een stroom die meer dan dertig minuten aanhield. Het maximale uitgangsvermogen van een apparaat gemaakt van 50 nanoliter druppels was ongeveer 65 nanowatt (nW). De apparaten produceerden een vergelijkbare hoeveelheid stroom na 36 uur te zijn opgeslagen.
Volgens de onderzoekers zou het modulaire ontwerp van het apparaat het mogelijk maken om meerdere eenheden te combineren om de gegenereerde spanning en/of stroom te verhogen. Dit zou de deur kunnen openen voor het voeden van de volgende generatie draagbare apparaten, biohybride interfaces, implantaten, synthetische weefsels en microrobots. Door twintig vijfdruppel-eenheden in serie te combineren, konden ze een lichtgevende diode verlichten, waarvoor ongeveer twee volt nodig is. Ze denken dat het automatiseren van de productie van de apparaten, bijvoorbeeld door gebruik te maken van een druppelprinter, druppelnetwerken zou kunnen produceren die bestaan uit duizenden voedingseenheden.
Professor Hagan Bayley (Departement Chemie, Universiteit van Oxford), de groepsleider van het onderzoek: “Dit werk behandelt de belangrijke vraag hoe stimulatie geproduceerd door zachte, biocompatibele apparaten kan worden gekoppeld aan levende cellen. De potentiële impact op apparaten zoals biohybride interfaces, implantaten en microrobots is aanzienlijk.”
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
