撰文丨王聰
編輯丨王多魚
排版丨水成文
可與細胞相互作用並刺激細胞的小型生物集成裝置，在治療中具有巨大潛力。
然而，這些設備都需要一個電源來運行。
到目前為止， 還沒有一種有效的方法在 微尺度上提供電力。
為了解決這個問題，牛津大學化學系的研究人員開發了一種微型電源，能夠改變培養的人類神經細胞的活動。
該裝置的靈感來自於電鰻發電的方式，它利用內部離子梯度來發電。
2023年8月30日，牛津大學Hagan Bayley教授、張瑜伽博士、周琳娜博士等人在Nature期刊發表了題為 ：A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity 的 研究論文。
研究團隊受電鰻放電方式的啟發，開發了一種微型電源，在實現微型生物集成設備上邁出重要一步， 該設備利用內部離子梯度發電，直接刺激細胞，改變培養的人類神經細胞的活動，
該研究開發的這種微型柔性電源是通過沉積5納升尺寸《1納升為1升的10億分之一》的導電水凝膠《含有大量吸收水的聚合物鏈的3D網絡》液滴來生產的。
每個液滴都有不同的組分，因此在整個鏈上形成了鹽濃度梯度。
脂質雙分子層將相鄰液滴分開並提供機械支持，同時阻止鹽離子在液滴之間流動 。
通過將結構冷卻到4°C並改變周圍的介質來打開電源： 這會破壞脂質雙分子層，使液滴之間形成連續的水凝膠。
從而使得鹽離子可以通過導電水凝膠，從兩端的高鹽離子濃度液滴移動到中間的低鹽離子濃度液滴。
通過將兩端液滴與電極連接，鹽離子梯度釋放的能量被轉化為電能，使水凝膠結構成為外部組件的電源 。
在這項最新研究中，研究團隊開發的激活的液滴電源產生了持續超過30分鐘的電流。
由50納升液滴組成的單元的最大輸出功率約為65納瓦。
該設備在儲存36小時後也會產生類似的電流 。
液滴電源的結構和輸出性能
接下來，研究團隊演示了如何將活細胞連接到電源設備上，從而通過離子電流調控細胞活動。
他們 將該裝置連接到含有人類神經祖細胞的液滴上，這些細胞已被熒光染料染色，以表明它們的活性。
當電源打開時，延時記錄顯示神經元中由局部離子電流誘導的細胞間鈣信號波 。
離子液滴裝置誘導的神經元調控
該論文的第一作者兼共同通訊作者張瑜伽博士表示， 這種小型化柔性電源代表著生物集成設備的突破。
通過利用離子梯度開發出的微型的、生物相容性系統，可以在微尺度上調控細胞和組織，這在生物學和醫學方面開辟了廣泛的應用前景。
研究團隊還表示，該設備的模塊化設計允許多個單元組合起來，以增加產生的電壓和/或電流。
通過將20個5液滴單元串聯起來，能夠照亮一個發光二極管。
液滴網絡的生成與輸出
研究團隊設想，通過使用液滴打印機等設備的自動化生產，可以產生由數千個單元組成的液滴網絡。
這可能為下一代可穿戴設備、生物混合接口、植入物、合成組織和微型機器人提供動力 。
張瑜伽博士
論文第一作者張瑜伽博士，現為牛津大學Hagan Bayley教授實驗室博士後。
2016年本科畢業於中國科學技術大學，此後在 中國科學院上海微系統與信息技術研究所碩博連讀，師從陶虎研究員，期間主要從事智能人機接口和柔性生物光電子器件相關領域的研究。
之 後在紐約州立大學石溪分校做了一年訪問學者，主要研究低溫近場光學檢測。
2021年，張瑜伽加入牛津大學Hagan Bayley教授實驗室從事博士後研究， 專註於生物醫學工程多功能智能液滴系統、柔性植入物和合成組織的開發。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06295-y