_ Pe bază de picături bio-inspirate sistemele anunță o nouă eră în dispozitivele biocompatibile

Cercetătorii de la Universitatea Oxford au făcut un pas semnificativ spre realizarea unei forme de „electricitate biologică” care ar putea fi utilizat într-o varietate de aplicații de bioinginerie și biomedicale, inclusiv comunicarea cu celulele umane vii. Lucrarea a fost publicată pe 28 noiembrie în revista Science.

Dispozitivele iontronice sunt unul dintre domeniile cu cea mai rapidă creștere și cele mai interesante din ingineria biochimică. În loc să folosească electricitate, acestea imită creierul uman prin transmiterea informațiilor prin ioni (particule încărcate), inclusiv ionii de sodiu, potasiu și calciu.

În cele din urmă, dispozitivele iontronice ar putea permite biocompatibile, eficiente energetic și extrem de eficiente. sisteme de semnalizare precise, inclusiv pentru livrarea medicamentelor.

Până acum, totuși, dispozitivele iontronice sunt de obicei amplasate în schele solide, ceea ce împiedică integrarea lor cu țesuturile moi. În acest nou studiu, cercetătorii de la Universitatea Oxford au reușit să dezvolte dispozitive iontronice miniaturale, multifuncționale, construite din picături de hidrogel biocompatibile.

Hidrogelurile funcționează ca analogi ionici ai semiconductorilor electronici, permițând controlul mișcării ionilor similar cu controlul mișcarea electronilor în electronică. Picăturile mici la scară mică sunt asamblate cu ajutorul agenților tensioactivi (molecule asemănătoare săpunului) și conduc ionii după ce au fost declanșați de lumină pentru a se lega împreună (o tehnică dezvoltată de grup).

Cercetătorii au numit colecția lor de dispozitive dropletronics, un compus de droplet și iontronica. Prin crearea de combinații de picături de hidrogel de nanolitri la scară mică, echipa a produs diode dropletronic, tranzistori, porți logice și dispozitive de memorie.

Dispozitivele dropletronic funcționează mai bine decât orice dispozitiv iontronic moale dezvoltat până în prezent, inclusiv o eficiență mai mare și timp de răspuns mai rapid. Sunt chiar comparabile cu dispozitivele iontronice solide, cu avantajul suplimentar de a nu fi încorporate într-o matrice rigidă.

Dr. Yujia Zhang (Departamentul de Chimie, Universitatea Oxford), cercetătorul principal al studiului, a spus: „Ionii au multe avantaje față de electroni: de exemplu, faptul că au dimensiuni și sarcini diferite înseamnă că ar putea fi utilizați pentru a realiza diferite funcții în paralel. .

„Prin încorporarea polimerilor ionici mari, am demonstrat un dispozitiv dropletronic cu stocare în memorie pe termen lung, care nu a fost realizat cu abordările ionronice anterioare și oferă un cale neconvențională către aplicații neuromorfe.”

Pe lângă controlul mișcărilor ionilor, dispozitivele dropletronic pot, de asemenea, să interfațeze cu celulele și să înregistreze semnale biologice de la acestea, deoarece dispozitivele și celulele vorbesc același „limbaj ionic”. studiu, echipa de cercetare a folosit dispozitivele pentru a produce senzori biocompatibili pentru a înregistra semnale electrice de la bataile celulelor cardiace umane.

„Acesta este primul exemplu de senzor biologic construit în laborator. care poate simți și răspunde la modificările funcției celulelor inimii umane dintr-un vas”, a spus dr. Christopher Toepfer, profesor asociat de Științe Cardiovasculare la Departamentul de Medicină Radcliffe al Universității Oxford.

„Această descoperire este o incitantă. pas spre fabricarea de dispozitive biologice mai complexe care vor simți o varietate de anomalii într-un organ și reacţionează prin administrarea inteligentă a medicamentelor în interiorul corpului.”

Cercetătorii au în vedere integrarea dropletronics cu materie vie, care ar oferi o abordare biocompatibilă a comunicării ionice directe, inclusiv posibilitatea identificării mai multor specii ionice și moleculare vitale, ceea ce va deschide noi posibilități în diverse domenii, în special în medicina clinică.

Dropletronic. circuitele pot oferi, de asemenea, o cale pentru a construi sisteme logice ionice care imită neuronii pentru procesarea și calculele informațiilor neuromorfe.

Profesorul Hagan Bayley (Departamentul de Chimie, Universitatea Oxford), liderul grupului de cercetare pentru studiu, a declarat: „Dr. Zhang a folosit o abordare creativă, extrem de multidisciplinară, incluzând aspecte de electrochimie, chimia polimerilor, suprafață. fizică și ingineria dispozitivelor pentru a produce primele dispozitive „droletronic” la microscală.

„Capacitățile funcționale ale acestor structuri demonstrează că ar putea fi elaborate în curând. în dispozitive practicabile cu aplicații atât în ​​știința fundamentală, cât și în medicină.”

(Fluierul)