Nova 'bateria de gotas' pode abrir caminho para biologia em miniatura

Feb 12, 2024

Pesquisadores da Universidade de Oxford deram um passo significativo na criação de dispositivos biointegrados em miniatura, capazes de estimular células diretamente.A obra foi publicadana revista Natureza.

Pequenos dispositivos biointegrados que podem interagir e estimular células podem ter importantes aplicações terapêuticas, incluindo a administração de terapias medicamentosas direcionadas e a aceleração da cicatrização de feridas. No entanto, todos esses dispositivos precisam de uma fonte de energia para funcionar. Até o momento, não houve meios eficientes de fornecer energia em nível microescala.

Para resolver isso, pesquisadores de o Departamento de Química da Universidade de Oxford desenvolveu uma fonte de energia em miniatura capaz de alterar a atividade de células nervosas humanas cultivadas. Inspirado na forma como as enguias elétricas geram eletricidade, o dispositivo usa gradientes iônicos internos para gerar energia.

A fonte de energia suave miniaturizada é produzida depositando uma cadeia de cinco gotículas do tamanho de nanolitros de um hidrogel condutor (uma rede 3D de cadeias poliméricas contendo uma grande quantidade de água absorvida). Cada gota tem uma composição diferente, de modo que um gradiente de concentração de sal é criado ao longo da cadeia. As gotículas são separadas de suas vizinhas por bicamadas lipídicas, que fornecem suporte mecânico enquanto evitam que os íons fluam entre as gotículas.

A fonte de energia é ligada resfriando a estrutura a 4°C e mudando o meio circundante: isso rompe as bicamadas lipídicas e faz com que as gotículas formem um hidrogel contínuo. Isso permite que os íons se movam através do hidrogel condutor, desde as gotículas com alto teor de sal nas duas extremidades até a gotícula com baixo teor de sal no meio. Ao conectar as gotículas finais aos eletrodos, a energia liberada pelos gradientes iônicos é transformada em eletricidade, permitindo que a estrutura do hidrogel atue como fonte de energia para componentes externos.

No estudo, a fonte de energia de gotículas ativada produziu uma corrente que persistiu por mais de 30 minutos. A potência máxima de saída de uma unidade feita de gotículas de 50 nanolitros foi de cerca de 65 nanowatts (nW). Os dispositivos produziram uma quantidade semelhante de corrente após serem armazenados por 36 horas.

A equipe de pesquisa demonstrou então como as células vivas poderiam ser fixadas em uma extremidade do dispositivo para que sua atividade pudesse ser regulada diretamente pela corrente iônica. A equipe conectou o dispositivo a gotículas contendo células progenitoras neurais humanas, que foram coradas com um corante fluorescente para indicar sua atividade. Quando a fonte de energia foi ligada, a gravação em lapso de tempo demonstrou ondas de sinalização de cálcio intercelular* nos neurônios, induzidas pela corrente iônica local.

Yujia Zhang (Departamento de Química da Universidade de Oxford), pesquisador principal do estudo, disse: “A fonte de energia suave miniaturizada representa um avanço em dispositivos biointegrados. Ao aproveitar gradientes de íons, desenvolvemos um sistema biocompatível em miniatura para regular células e tecidos em microescala, o que abre uma ampla gama de aplicações potenciais em biologia e medicina.”

Segundo os pesquisadores, o design modular do dispositivo permitiria combinar múltiplas unidades para aumentar a tensão e/ou corrente gerada. Isso poderia abrir a porta para alimentar dispositivos vestíveis de próxima geração, interfaces bio-híbridas, implantes, tecidos sintéticos e microrobôs. Ao combinar 20 unidades de cinco gotas em série, eles conseguiram iluminar um diodo emissor de luz, que requer cerca de 2 Volts. Eles prevêem que a automatização da produção dos dispositivos, por exemplo, através da utilização de uma impressora de gotas, poderia produzir redes de gotas compostas por milhares de unidades de energia.

O professor Hagan Bayley (Departamento de Química da Universidade de Oxford), líder do grupo de pesquisa do estudo, disse: “Este trabalho aborda a importante questão de como a estimulação produzida por dispositivos flexíveis e biocompatíveis pode ser acoplada a células vivas. O impacto potencial em dispositivos, incluindo interfaces bio-híbridas, implantes e microrrobôs, é substancial.”