可与细胞相互作用并刺激细胞的小型生物集成装置，在治疗中具有巨大潜力。然而，这些设备都需要一个电源来运行。到目前为止，还没有一种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。该装置的灵感来自于电鳗发电的方式，它利用内部离子梯度来发电。
2023年8月30日，牛津大学 Hagan Bayley 教授、张瑜伽博士、周琳娜博士等人在 Nature 期刊发表了题为：A microscale soft ionic power source modulates neuronal network activity 的研究论文。
研究团队受电鳗放电方式的启发，开发了一种微型电源，在实现微型生物集成设备上迈出重要一步，该设备利用内部离子梯度发电，直接刺激细胞，改变培养的人类神经细胞的活动，
该研究开发的这种微型柔性电源是通过沉积5纳升尺寸（1纳升为1升的10亿分之一）的导电水凝胶（含有大量吸收水的聚合物链的3D网络）液滴来生产的。每个液滴都有不同的组分，因此在整个链上形成了盐浓度梯度。脂质双分子层将相邻液滴分开并提供机械支持，同时阻止盐离子在液滴之间流动。
通过将结构冷却到4°C并改变周围的介质来打开电源：这会破坏脂质双分子层，使液滴之间形成连续的水凝胶。从而使得盐离子可以通过导电水凝胶，从两端的高盐离子浓度液滴移动到中间的低盐离子浓度液滴。通过将两端液滴与电极连接，盐离子梯度释放的能量被转化为电能，使水凝胶结构成为外部组件的电源。
在这项最新研究中，研究团队开发的激活的液滴电源产生了持续超过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。该设备在储存36小时后也会产生类似的电流。
液滴电源的结构和输出性能
接下来，研究团队演示了如何将活细胞连接到电源设备上，从而通过离子电流调控细胞活动。他们将该装置连接到含有人类神经祖细胞的液滴上，这些细胞已被荧光染料染色，以表明它们的活性。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。
离子液滴装置诱导的神经元调控
该论文的第一作者兼共同通讯作者张瑜伽博士表示，这种小型化柔性电源代表着生物集成设备的突破。通过利用离子梯度开发出的微型的、生物相容性系统，可以在微尺度上调控细胞和组织，这在生物学和医学方面开辟了广泛的应用前景。
研究团队还表示，该设备的模块化设计允许多个单元组合起来，以增加产生的电压和/或电流。通过将20个5液滴单元串联起来，能够照亮一个发光二极管。
液滴网络的生成与输出
研究团队设想，通过使用液滴打印机等设备的自动化生产，可以产生由数千个单元组成的液滴网络。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。
论文第一作者张瑜伽博士，现为牛津大学 Hagan Bayley 教授实验室博士后。2016年本科毕业于中国科学技术大学，此后在中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕博连读，师从陶虎研究员，期间主要从事智能人机接口和柔性生物光电子器件相关领域的研究。之后在纽约州立大学石溪分校做了一年访问学者，主要研究低温近场光学检测。2021年，张瑜伽加入牛津大学 Hagan Bayley 教授实验室从事博士后研究，专注于生物医学工程多功能智能液滴系统、柔性植入物和合成组织的开发。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06295-y
