محققان دانشگاه آکسفورد گام مهمی در مسیر تحقق دستگاه‌های مینیاتوری زیستی یکپارچه برداشتند، دستگاه‌هایی که قادر به تحریک مستقیم سلول هستند. نتایج این کار در مجله Nature منتشر شده است.
ساخت دستگاه مینیاتوری برای تحریک سلول‌ها
دستگاه‌های کوچک یکپارچه‌ای که می‌توانند با سلول‌ها در تعامل بوده و آنها را تحریک می‌کنند، می‌توانند کاربردهای درمانی مهمی از جمله تحویل هدفمند دارو و تسریع بهبود زخم داشته باشند. با این حال، چنین دستگاه‌هایی برای کار به منبع تغذیه نیاز دارند. تا به امروز، هیچ وسیله کارآمدی برای تأمین انرژی برای آنها وجود نداشته است.
برای حل این مشکل، محققان گروه شیمی دانشگاه آکسفورد منبع تغذیه مینیاتوری را توسعه داده‌اند که قادر به تغییر فعالیت سلول‌های عصبی انسانی در محیط کشت شده است. این دستگاه با الهام از چگونگی تولید برق در مارماهی ساخته شده است و در آن از گرادیان یون‌ها برای تولید انرژی استفاده می‌شود.
این منبع تغذیه نرم مینیاتوری، با لایه‌نشانی یک زنجیره از پنج قطره در حجم نانولیتر از یک هیدروژل رسانا (یک شبکه سه‌بعدی از زنجیره‌های پلیمری حاوی مقدار زیادی آب جذب شده) تولید می‌شود. هر قطره ترکیب متفاوتی دارد به طوری که یک شیب غلظت نمک در سراسر زنجیره ایجاد می‌شود. این قطرات توسط لایه‌های لیپیدی از همسایگان خود جدا می‌شود، که ضمن جلوگیری از جریان یون‌ها بین قطرات، پشتیبانی مکانیکی از این ساختار را ارائه می‌دهند.
این منبع تغذیه، با خنک کردن ساختار به ۴ درجه سانتی‌گراد و تغییر محیط اطراف، روشن می‌شود. این کار باعث مختل شدن لایه‌های لیپیدی شده و موجب تشکیل قطرات هیدروژل می‌شود. با این کار یون‌ها از طریق هیدروژل رسانا حرکت می‌کنند و از قطرات با نمک بالا در دو انتها به قطرات کم نمک در وسط جابه‌جا می‌شوند.
با اتصال قطرات انتهایی به الکترودها، انرژی آزاد شده از گرادیان یون به برق تبدیل می‌شود و ساختار هیدروژل را قادر می‌سازد تا به‌عنوان منبع تغذیه برای اجزای خارجی عمل کند.
در این مطالعه، منبع تغذیه قطره‌ای، جریانی را تولید کرد که بیش از ۳۰ دقیقه ادامه داشت. حداکثر توان خروجی این واحد ساخته شده از ۵۰ قطره نانولیتری در حدود ۶۵ نانوات (NW) بود. این دستگاه‌ها پس از ذخیره‌سازی به مدت ۳۶ ساعت، مقدار مشابهی از جریان را تولید کردند.
این تیم تحقیق سپس نشان داد که چگونه سلول‌های زنده می‌توانند به یک انتهای دستگاه وصل شوند تا فعالیت آنها به‌طور مستقیم توسط جریان یونی تنظیم شود. این تیم دستگاه خود را به قطرات حاوی سلول‌های پیش‌ساز عصبی انسان متصل کرد که با رنگ فلورسنت رنگ‌آمیزی شده بود تا فعالیت آنها را نشان دهد. هنگامی که منبع تغذیه روشن شد، ضبط سیگنالینگ کلسیم بین سلولی در سلول‌های عصبی دیده شد.
