Allanando el camino para pequeños dispositivos incrustados en tejido humano: los científicos desarrollan una nueva batería de «gotas»

Los investigadores han desarrollado una fuente de energía biocompatible en miniatura inspirada en las anguilas eléctricas que puede estimular directamente las células nerviosas humanas. Esta innovación tiene aplicaciones potenciales en la administración de fármacos, la cicatrización de heridas y dispositivos biohíbridos.

Investigadores de la Universidad de Oxford han logrado un gran avance en la creación de dispositivos biointegrados en miniatura capaces de estimular directamente las células. Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Naturaleza.

Los pequeños dispositivos biointegrados que pueden interactuar con las células y estimularlas podrían tener importantes aplicaciones terapéuticas, como la administración dirigida de fármacos y la promoción de una curación más rápida de las heridas. Sin embargo, un obstáculo importante ha sido proporcionar una fuente de energía eficiente a microescala para estos dispositivos, un desafío que sigue sin resolver.

Para solucionar esto, investigadores del Universidad de OxfordEl Departamento de Química de Canadá ha desarrollado una fuente de energía en miniatura capaz de alterar la actividad de células nerviosas humanas cultivadas. Inspirado en la forma en que las anguilas eléctricas generan electricidad, el dispositivo utiliza gradientes iónicos internos para generar energía.

Izquierda: versión ampliada de la fuente de energía de las gotas, para visualización. Se encapsularon gotitas con un volumen de 500 nL en un organogel flexible y comprimible. Barra de escala: 10 mm. Derecha: vista ampliada de una fuente de energía de gotas de tamaño estándar hecha de gotas de 50 nL. Barra de escala: 500 μm. Crédito: Yujia Zhang

La fuente de energía blanda miniaturizada se produce depositando una cadena de cinco gotas del tamaño de nanolitros de un hidrogel conductor (una red 3D de cadenas de polímeros que contiene una gran cantidad de agua absorbida). Cada gota tiene una composición diferente, por lo que se crea un gradiente de concentración de sal a lo largo de la cadena. Las gotitas están separadas de sus vecinas por bicapas lipídicas, que proporcionan soporte mecánico al tiempo que evitan que los iones fluyan entre las gotitas.

La fuente de energía se enciende enfriando la estructura a 4°C y cambiando el medio circundante: esto rompe las bicapas lipídicas y hace que las gotas formen un hidrogel continuo. Esto permite que los iones se muevan a través del hidrogel conductor desde la gotita con alto contenido de sal en ambos extremos hasta la gotita con bajo contenido de sal en el medio. Al conectar las gotas finales a los electrodos, la energía liberada por los gradientes iónicos se transforma en electricidad, lo que permite que la estructura de hidrogel actúe como fuente de energía para componentes externos.

En el estudio, la fuente de energía de las gotas activadas produjo una corriente que persistió durante más de 30 minutos. La potencia máxima de salida de una unidad hecha de gotas de 50 nanómetros era de unos 65 nanovatios (nW). Los dispositivos produjeron una cantidad similar de corriente después de estar almacenados durante 36 horas.

El proceso de activación de la unidad de energía de las gotas de hidrogel. A la izquierda, antes de que se active la batería, un lípido aislante impide el flujo de iones entre las gotas. Derecha: La fuente de energía se activa mediante un proceso de gelificación térmica para alterar las bicapas lipídicas. Luego, los iones se mueven a través del hidrogel conductor, desde las gotitas con alto contenido de sal en cada extremo hasta la gotita con contenido medio bajo de sal. Se utilizaron electrodos de plata/cloruro de plata para medir la producción eléctrica. Crédito: Yujia Zhang.

A continuación, el equipo de investigación demostró cómo se podían unir células vivas a un extremo del dispositivo para que su actividad pudiera regularse directamente mediante la corriente iónica. El equipo conectó el dispositivo a gotitas que contenían células progenitoras neurales humanas, que se tiñeron con un tinte fluorescente para indicar su actividad. Cuando se encendió la fuente de energía, la grabación en intervalos de tiempo demostró ondas de señalización de calcio intercelular en las neuronas, inducidas por una corriente iónica local.

Yujia Zhang (Departamento de Química de la Universidad de Oxford), investigador principal del estudio, dijo: “La fuente de energía blanda miniaturizada representa un gran avance en los dispositivos biointegrados. Aprovechando los gradientes de iones, hemos desarrollado un sistema biocompatible en miniatura para regular células y tejidos a microescala, lo que abre una amplia gama de aplicaciones potenciales en biología y medicina.

Según los investigadores, el diseño modular del dispositivo permitiría combinar múltiples unidades para aumentar el voltaje y/o corriente generado. Esto podría abrir la puerta a alimentar dispositivos portátiles, interfaces biohíbridas, implantes, tejidos sintéticos y microrobots de próxima generación. Combinando 20 unidades de cinco gotas en serie, pudieron iluminar un diodo emisor de luz, que requiere aproximadamente 2 voltios. Predicen que automatizar la producción de los dispositivos, por ejemplo mediante el uso de una impresora de gotas, podría producir redes de gotas compuestas por miles de unidades de energía.

El profesor Hagan Bayley (Departamento de Química de la Universidad de Oxford), líder del grupo de investigación del estudio, dijo: «Este trabajo aborda la importante cuestión de cómo la estimulación producida por dispositivos biocompatibles puede acoplarse a las células vivas. El impacto potencial en dispositivos que incluyen interfaces biohíbridas, implantes y microrobots es sustancial.

Referencia: “Una fuente de energía iónica suave a microescala modula la actividad de la red neuronal” por Yujia Zhang, Jorin Riexinger, Xingyun Yang, Ellina Mikhailova, Yongcheng Jin, Linna Zhou y Hagan Bayley, 30 de agosto de 2023. Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06295-y