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

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。这项工作今天发表在《自然》杂志上。

能够与细胞相互作用并刺激细胞的小型生物集成设备可能具有重要的治疗应用，包括提供靶向药物治疗和加速伤口愈合。然而，此类设备都需要电源才能运行。迄今为止，还没有有效的方法在微尺度上提供电力。

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。该设备受到电鳗发电方式的启发，利用内部离子梯度来产生能量。

这种微型软电源是通过沉积五个纳升大小的导电水凝胶液滴链(包含大量吸收水的聚合物链的 3D 网络)而产生的。每个液滴都有不同的成分，因此在整个链条上形成盐浓度梯度。脂质双层将液滴与其相邻液滴分开，脂质双层提供机械支撑，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：这会破坏脂质双层并导致液滴形成连续的水凝胶。这使得离子可以穿过导​​电水凝胶，从两端的高盐液滴移动到中间的低盐液滴。通过将末端液滴连接到电极，离子梯度释放的能量转化为电能，使水凝胶结构能够充当外部组件的电源。

在研究中，激活的液滴电源产生持续超过 30 分钟的电流。由 50 纳升液滴组成的单元的最大输出功率约为 65 纳瓦 (nW)。这些设备在存放 36 小时后产生了相似的电流量。

研究小组随后演示了如何将活细胞附着在该装置的一端，以便它们的活动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，这些液滴已被荧光染料染色以表明其活性。当电源打开时，延时记录显示神经元中由局部离子电流诱导的细胞间钙信号*波。

该研究的首席研究员Yujia Zhu 博士(牛津大学化学系)表示：“微型化软电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生物相容性系统，用于在微观尺度上调节细胞和组织，这在生物学和医学领域开辟了广泛的潜在应用。

研究人员表示，该设备的模块化设计允许组合多个单元，以增加产生的电压和/或电流。这可能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提供动力打开大门。通过串联组合 20 个五滴单元，他们能够点亮发光二极管，这需要大约 2 伏特的电压。他们设想，通过使用液滴打印机等自动化设备生产，可以产生由数千个动力单元组成的液滴网络。

该研究的研究组组长哈根·贝利教授(牛津大学化学系)表示：“这项工作解决了如何将柔软的生物相容性设备产生的刺激与活细胞耦合的重要问题。对生物混合接口、植入物和微型机器人等设备的潜在影响是巨大的。

* 钙信号传导是神经元相互沟通以协调神经递质释放、神经元放电、突触可塑性和基因转录等生物活动的关键机制。