Nueva 'batería de gotas' podría alimentar implantes y dispositivos portátiles de próxima generación

Los pequeños dispositivos biointegrados con la capacidad de interactuar con las células y estimularlas tienen potenciales aplicaciones terapéuticas, incluida la administración dirigida de fármacos y la curación más rápida de heridas. Sin embargo, estos dispositivos requieren una fuente de energía para funcionar. Hasta ahora, encontrar un método eficiente para proporcionar energía a microescala ha sido un desafío. Los científicos han desarrollado ahora una fuente de energía en miniatura que puede alterar la actividad de células nerviosas humanas cultivadas. Inspirándose en cómo las anguilas eléctricas generan electricidad, este dispositivo emplea gradientes de iones internos para generar energía.

Investigadores de la Universidad de Oxford (Oxford, Reino Unido) han creado una fuente de energía blanda miniaturizada que funciona depositando una secuencia de cinco gotas del tamaño de un nanolitro de un hidrogel conductor (una red 3D de cadenas de polímeros infundidas con una cantidad significativa de agua). Cada gota posee una composición distinta, lo que genera un gradiente de concentración de sal a lo largo de la cadena. Estas gotitas están separadas por bicapas lipídicas, que proporcionan soporte estructural al tiempo que evitan que los iones se muevan entre las gotitas. La fuente de energía se activa cuando la estructura se enfría a 4°C y se cambia el medio circundante. Esto altera las bicapas lipídicas y hace que las gotas se fusionen en un hidrogel continuo. Esto permite que los iones viajen a través del hidrogel conductor, desde las gotitas con alto contenido de sal en los extremos hasta la gotita bajas en sal en el centro. Al conectar las gotas de los extremos a los electrodos, se convierte la energía liberada por los gradientes de iones en electricidad, lo que permite que la estructura del hidrogel sirva como fuente de energía para los componentes externos.

Imagen: Versión ampliada de la fuente de energía de gotas (Fotografía cortesía de la Universidad de Oxford)

En el estudio, la fuente de energía de las gotas activadas produjo una corriente sostenida durante más de 30 minutos. Una unidad compuesta por gotas de 50 nanolitros produjo una potencia de salida máxima de alrededor de 65 nanovatios (nW). Los dispositivos mantuvieron niveles de corriente similares incluso después de 36 horas de almacenamiento. Luego, el equipo de investigación demostró cómo se podían unir células vivas al dispositivo, permitiendo que su actividad fuera regulada directamente por la corriente iónica. Se conectaron al dispositivo células progenitoras neurales humanas teñidas con tinta  fluorescente. Cuando se activó la fuente de energía, la grabación a intervalos mostró ondas de señalización de calcio intercelular en las neuronas, inducidas por la corriente iónica local. Según los investigadores, el diseño modular del dispositivo podría facilitar la combinación de múltiples unidades para mejorar el voltaje y/o la corriente generada. Este avance potencial podría allanar el camino para impulsar dispositivos portátiles, interfaces biohíbridas, implantes, tejidos sintéticos y microrobots de próxima generación. Al conectar en serie 20 conjuntos de unidades de cinco gotas, los investigadores pudieron iluminar un diodo emisor de luz que requería aproximadamente 2 voltios. Imaginan que la automatización de la producción de dispositivos, como el uso de una impresora de gotas, podría dar como resultado redes de gotas compuestas por miles de unidades de energía.

“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”, dijo el profesor Hagan Bayley del Departamento de Química de la Universidad de Oxford, quien fue el líder del grupo de investigación del estudio.

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Universidad de Oxford