新しい「液滴電池」が小型バイオへの道を開く可能性

Feb 12, 2024

オックスフォード大学の研究者らは、細胞を直接刺激できる小型の生体統合デバイスの実現に向けて重要な一歩を踏み出した。作品が公開されましたNature誌に掲載されました。

細胞と相互作用して細胞を刺激できる小型の生体統合デバイスは、標的薬物療法の送達や創傷治癒の促進など、重要な治療用途に応用できる可能性があります。 ただし、このようなデバイスはすべて動作するために電源を必要とします。 現在まで、マイクロスケールレベルで電力を供給する効率的な手段はありませんでした。

これに対処するために、世界の研究者たちは、オックスフォード大学化学科は、培養された人間の神経細胞の活動を変化させることができる小型電源を開発した。 このデバイスはデンキウナギの発電方法からインスピレーションを得たもので、内部のイオン勾配を利用してエネルギーを生成します。

小型ソフトパワーソースは、導電性ヒドロゲル（大量の水を吸収したポリマー鎖の3Dネットワーク）の5ナノリットルサイズの液滴の連鎖を堆積させることによって生成されます。 各液滴は異なる組成を持っているため、連鎖全体に塩濃度勾配が生じます。 液滴は脂質二重層によって隣接する液滴から分離されており、脂質二重層は機械的なサポートを提供すると同時に、イオンが液滴間を流れるのを防ぎます。

構造を 4°C に冷却し、周囲の媒体を変更することによって電源がオンになります。これにより、脂質二重層が破壊され、液滴が連続的なヒドロゲルを形成します。 これにより、イオンが導電性ヒドロゲル中を、両端の高塩分液滴から中央の低塩分液滴まで移動できるようになります。 末端液滴を電極に接続すると、イオン勾配から放出されるエネルギーが電気に変換され、ヒドロゲル構造が外部コンポーネントの電源として機能できるようになります。

この研究では、活性化された液滴電源が 30 分間以上持続する電流を生成しました。 50 ナノリットルの液滴で構成されるユニットの最大出力は約 65 ナノワット (nW) でした。 これらのデバイスは、36 時間保管した後も同様の量の電流を生成しました。

研究チームはその後、生きた細胞を装置の一端にどのように付着させ、その活性をイオン電流によって直接制御できるかを実証した。 研究チームは、その活性を示すために蛍光色素で染色されたヒト神経前駆細胞を含む液滴にこの装置を取り付けた。 電源をオンにすると、微速度撮影により、局所的なイオン電流によって誘導されるニューロン内の細胞間カルシウムシグナル伝達*の波が実証されました。

この研究の主任研究者であるYujia Zhang博士(オックスフォード大学化学科)は次のように述べています。 イオン勾配を利用することで、細胞や組織をマイクロスケールで制御するための小型の生体適合性システムを開発しました。これにより、生物学や医学における幅広い応用の可能性が開かれます。」

研究者らによると、この装置のモジュール設計により、生成される電圧や電流を増加させるために複数のユニットを組み合わせることが可能になるという。 これにより、次世代ウェアラブル デバイス、バイオハイブリッド インターフェイス、インプラント、人工組織、マイクロロボットへの電力供給への扉が開かれる可能性があります。 20 個の 5 液滴ユニットを直列に組み合わせることで、約 2 ボルトを必要とする発光ダイオードを点灯することができました。 彼らは、たとえば液滴プリンタを使用してデバイスの製造を自動化することで、数千の電源ユニットで構成される液滴ネットワークを生成できる可能性があると想定しています。

この研究の研究グループリーダーであるヘイガン・ベイリー教授（オックスフォード大学化学科）は、次のように述べています。 バイオハイブリッドインターフェース、インプラント、マイクロロボットなどのデバイスに対する潜在的な影響は多大です。」