Una innovadora “batería de gota” que permite alimentar dispositivos biointegrados en miniatura, lo cual facilita la interacción directa y estimulación de células vivas.
Nueva “batería de gota” podría allanar el camino para dispositivos biointegrados en miniatura
Investigadores de la Universidad de Oxford han dado un paso significativo hacia la creación de dispositivos biointegrados en miniatura, capaces de estimular directamente células vivas, un avance con aplicaciones terapéuticas como la entrega dirigida de medicamentos y la aceleración de la cicatrización de heridas. Este trabajo fue publicado en la revista Nature.
Dispositivos biointegrados y sus aplicaciones terapéuticas
Los dispositivos biointegrados en miniatura tienen el potencial de interactuar y estimular células directamente, lo que abre la puerta a aplicaciones terapéuticas innovadoras. Podrían usarse en terapias de precisión para administrar medicamentos en zonas específicas del cuerpo o acelerar la reparación de tejidos dañados, beneficiando el tratamiento de diversas enfermedades y la recuperación de heridas. No obstante, la operación de estos dispositivos requiere una fuente de energía en una escala muy pequeña, desafío que hasta ahora no había sido resuelto de manera eficiente.
Inspiración en las anguilas eléctricas para generar energía
Para superar este obstáculo, el equipo de investigación de la Universidad de Oxford desarrolló una fuente de energía inspirada en el mecanismo de generación eléctrica de las anguilas eléctricas. La nueva fuente utiliza gradientes de iones internos para generar energía, logrando activar la actividad de células nerviosas humanas cultivadas en laboratorio.
La estructura de esta fuente de energía se compone de una cadena de cinco gotas de hidrogel conductor, de aproximadamente 50 nanolitros (nL) cada una, donde cada gota presenta una composición de sales diferente. Esto genera un gradiente de concentración de sal a lo largo de la cadena de gotas. Las gotas están separadas por bicapas lipídicas que proporcionan soporte mecánico y evitan que los iones se desplacen entre ellas.
Activación de la fuente de energía y conversión en electricidad
La activación de esta batería de gota se consigue enfriando la estructura a 4 °C y cambiando el medio circundante, lo que altera las bicapas lipídicas y permite que las gotas formen un hidrogel continuo. Este hidrogel actúa como un canal conductor de iones, permitiendo que estos se muevan desde las gotas con alta concentración de sal hasta la gota de baja concentración en el centro. Al conectar electrodos a las gotas en los extremos, la energía liberada de este gradiente se convierte en electricidad, capaz de alimentar componentes externos.
En los experimentos, la fuente de energía producía una corriente que persistía durante más de 30 minutos. Una unidad con gotas de 50 nL alcanzó una potencia máxima de aproximadamente 65 nanovatios (nW). Este rendimiento se mantuvo casi igual luego de 36 horas de almacenamiento, indicando una alta estabilidad.
Regulación de la actividad celular mediante corriente iónica
El equipo demostró que células vivas podían ser acopladas al dispositivo y que su actividad se podía regular directamente a través de la corriente iónica generada. Para comprobarlo, un dispositivo fue acoplado a gotas con células progenitoras neuronales humanas. Estas células fueron teñidas con un colorante fluorescente para observar su actividad. Al activar la fuente de energía, se observaron ondas de señalización de calcio intercelular en las neuronas, generadas por la corriente iónica local.
La señalización de calcio es fundamental en la comunicación entre neuronas y en procesos biológicos como la liberación de neurotransmisores, el disparo neuronal y la transcripción genética. Esto subraya el potencial de los dispositivos biointegrados en la regulación y estimulación de funciones celulares de manera precisa y no invasiva.
Potencial de ampliación y aplicaciones futuras
El diseño modular de esta “batería de gota” permite que se combinen múltiples unidades para incrementar el voltaje o la corriente generada. Al unir 20 unidades de cinco gotas en serie, los investigadores lograron encender un diodo emisor de luz (LED), que requiere aproximadamente 2 voltios. Este avance sugiere que el dispositivo podría usarse para alimentar una nueva generación de dispositivos portátiles, interfaces bio-híbridas, implantes, tejidos sintéticos y microrobots.
La automatización en la producción de estos dispositivos, por ejemplo, mediante una impresora de gotas, permitiría crear redes con miles de unidades de energía, facilitando su escalabilidad para aplicaciones más complejas en biomedicina y tecnología sostenible.
La creación de esta batería de gota representa un avance significativo en el desarrollo de dispositivos biointegrados. Aprovechando gradientes de iones, esta tecnología proporciona una solución de energía miniaturizada y biocompatible para regular células y tejidos a nivel microscópico. Este logro, basado en técnicas de química biológica avanzada y biocompatibilidad, abre un vasto espectro de aplicaciones futuras en biología y medicina, con la posibilidad de desarrollar interfaces entre dispositivos y sistemas biológicos que podrían transformar la medicina regenerativa y las terapias de precisión.
Este descubrimiento no solo resuelve el desafío de energía a escala microscópica, sino que también promete reducir el impacto ambiental al proponer sistemas energéticos biodegradables y sostenibles, impulsando el uso de tecnologías verdes en la biomedicina y en el desarrollo de dispositivos que se integren con el cuerpo humano de manera natural y respetuosa con el medio ambiente.
Vía www.ox.ac.uk