Forscher der Universität Oxford haben eine Miniaturstromquelle für bio-integrierte Geräte entwickelt, die direkt Zellen stimulieren kann. Die Stromquelle ist inspiriert von der Art und Weise, wie elektrische Aale Elektrizität erzeugen, und verwendet interne Ionengradienten, um Energie zu erzeugen. Sie besteht aus fünf nanolitergroßen Tröpfchen eines leitfähigen Hydrogels mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, die einen Salzkonzentrationsgradienten erzeugen. Lipid-Doppelschichten trennen die Tröpfchen und bieten Unterstützung, während sie den Ionenfluss verhindern. Durch Kühlung der Struktur und Veränderung des umgebenden Mediums bilden sich die Tröpfchen zu einem kontinuierlichen Hydrogel, das Ionen bewegt und Elektrizität erzeugt. Die Stromquelle erzeugte einen Strom, der über 30 Minuten lang anhielt, mit einer maximalen Ausgangsleistung von 65 Nanowatt. Lebende Zellen, die an das Gerät angeschlossen waren, zeigten aufgrund des ionischen Stroms regulierte Aktivität. Das modulare Design ermöglicht die Kombination mehrerer Einheiten, um Spannung und Stromstärke zu erhöhen. Die Forscher sehen Anwendungsmöglichkeiten in tragbaren Geräten, Implantaten, synthetischem Gewebe und Mikrorobotern. Durch den Einsatz von Tropfendruckern könnten Netzwerke mit Tausenden von Stromeinheiten hergestellt werden. Die Forschungen haben Potenzial für Bereiche wie bio-hybride Schnittstellen und Implantate.
Einführung
Das Departement für Chemie der Universität Oxford hat Fortschritte bei der Entwicklung einer Miniaturstromquelle für bio-integrierte Geräte erzielt. Diese Stromquelle ist von der Art und Weise inspiriert, wie elektrische Aale Elektrizität erzeugen, und nutzt interne Ionengradienten zur Energieerzeugung. Indem sie Erkenntnisse aus der Natur ziehen, haben die Forscher einen einzigartigen und effizienten Weg gefunden, Zellen direkt zu stimulieren.
Design und Zusammensetzung der Stromquelle
Die Stromquelle besteht aus fünf nanolitergroßen Tropfen leitfähigen Hydrogels, die jeweils eine unterschiedliche Zusammensetzung haben. Diese Tropfen erzeugen einen Salzkonzentrationsgradienten, der für die Energieerzeugung entscheidend ist. Um den Ionenfluss zu verhindern und Stabilität zu gewährleisten, trennen Lipidbilayer die einzelnen Tropfen. Die Struktur kann gekühlt werden, um ein kontinuierliches Hydrogel zu bilden, das den Ionen ermöglicht, sich zu bewegen und Strom zu erzeugen.
Erzeugung des Salzkonzentrationsgradienten
Das Design der Stromquelle beruht auf der Erzeugung eines Salzkonzentrationsgradienten mithilfe der unterschiedlichen Zusammensetzungen der nanolitergroßen Tropfen. Dieser Gradient ist entscheidend für die Energieerzeugung und die Erzeugung eines internen Stroms.
Unterstützung und Verhinderung des Ionenflusses
Zur Verhinderung des Ionenflusses und zur Stabilisierung der Tropfen werden Lipidbilayer verwendet. Diese Bilayer trennen die einzelnen Tropfen und helfen dabei, die Struktur der Stromquelle aufrechtzuerhalten.
Funktionsweise der Stromquelle
Die Miniaturstromquelle kann Strom erzeugen, indem sie den Ionenfluss mithilfe des Salzkonzentrationsgradienten nutzt. Durch die Veränderung des umgebenden Mediums und das Abkühlen der Struktur bilden die Tropfen ein kontinuierliches Hydrogel. Dies ermöglicht die Bewegung von Ionen und erzeugt einen kontinuierlichen ionischen Strom.
Kontinuität des ionischen Stroms
Durch das Abkühlen der Struktur und die Veränderung des umgebenden Mediums bilden die Tropfen ein kontinuierliches Hydrogel. Dadurch können Ionen bewegt und ein kontinuierlicher ionischer Strom erzeugt werden.
Leistung und Anwendungen
Die entwickelte Miniaturstromquelle zeigte beeindruckende Leistung und bietet vielversprechende Anwendungen in verschiedenen Bereichen.
Stromausgabe und Dauer
Die Stromquelle erzeugte einen Strom, der über 30 Minuten lang anhielt, was auf ihre Stabilität und Effizienz hinweist. Mit einer maximalen Leistungsabgabe von 65 Nanowatt bietet sie eine zuverlässige Energiequelle für bio-integrierte Geräte.
Regulierung der Aktivität lebender Zellen
Lebende Zellen, die an das Gerät angeschlossen waren, zeigten durch den von der Stromquelle erzeugten ionischen Strom eine regulierte Aktivität. Dies deutet darauf hin, dass die Stromquelle Zellen effektiv stimulieren und möglicherweise eine Rolle in bio-integrierten Geräten spielen kann.
Potentielle Anwendungen
Die Forscher sehen ein breites Anwendungsspektrum für die Miniaturstromquelle. Dies umfasst tragbare Geräte, Implantate, synthetische Gewebe und Mikroroboter. Das modulare Design ermöglicht auch die Kombination mehrerer Stromeinheiten, um Spannung und Stromstärke zu erhöhen.
Automatisierung und Skalierbarkeit
Durch den Einsatz von Tropfendruckern für die Automatisierung können Netzwerke aus Tausenden von Stromeinheiten hergestellt werden. Diese Skalierbarkeit ebnet den Weg für zukünftige Fortschritte bei biohybriden Schnittstellen und Implantaten.
Schlussfolgerung
Die Entwicklung einer Miniaturstromquelle, die von elektrischen Aalen inspiriert ist und Ionengradienten nutzt, eröffnet aufregende Möglichkeiten für bio-integrierte Geräte. Die effiziente Stromerzeugung und die Fähigkeit, lebende Zellen zu stimulieren, machen diese Stromquelle zu einem potenziellen Game Changer in verschiedenen Bereichen. Weiterführende Forschungen und die Erkundung ihrer Anwendungen sind der Schlüssel, um ihr volles Potenzial zu entfalten.
