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Bateria de gotículas aciona aparelhos biointegrados e até células individuais

Esquerda: Versão ampliada da bateria líquida, formada por gotículas com volume de 500 nL encapsuladas em um organogel flexível e compressível. Direita: Ampliação de uma bateria de tamanho padrão, composta por cinco gotículas.[Imagem: Yujia Zhang]

Inspirando-se no modo como as enguias elétricas geram eletricidade, pesquisadores criaram uma "bateria de gotas" que abre caminho para o desenvolvimento de pequenos dispositivos biointegrados, com uma ampla gama de aplicações em biologia e medicina.

A bateria usa um gradiente iônico através de uma cadeia de gotículas, em uma dimensão tão minúscula que é capaz até mesmo de regular a atividade biológica dos neurônios.

Pequenos dispositivos biointegrados que possam interagir e estimular células individuais 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 e, até o momento, não havia meios eficientes de fornecer energia em nível de microescala.

"A fonte de energia macia e miniaturizada representa um avanço nos dispositivos biointegrados. Ao tirar proveito dos gradientes iônicos, 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," disse Yujia Zhang, da Universidade de Oxford, no Reino Unido.

À esquerda, antes da bateria ser ativada, um lipídio isolante impede o fluxo de íons entre as gotículas. À direita, a fonte de energia é ativada por um processo de gelificação térmica para romper as bicamadas lipídicas. Os íons então se movem através do hidrogel condutor, das gotículas com alto teor de sal nas duas extremidades, até a gotícula intermediária com baixo teor de sal.
[Imagem: Yujia Zhang]

A pequena fonte de energia é construída depositando uma cadeia de cinco gotículas de um hidrogel condutor, criando uma rede 3D de cadeias poliméricas contendo uma grande quantidade de água absorvida.

Cada gota, com um volume na casa dos nanolitros, tem uma composição diferente, de modo a criar um gradiente de concentração de sal ao longo da cadeia. As gotículas são separadas de suas vizinhas por bicamadas lipídicas, que fornecem suporte mecânico e evitam que os íons fluam entre as gotículas.

O gerador é ativado quando é resfriado a 4 °C ou mudando o meio circundante: Isso rompe as bicamadas lipídicas e faz com que as gotículas formem um hidrogel contínuo, permitindo 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.

Com as gotículas nas duas extremidades devidamente conectadas a eletrodos, a energia liberada pelos gradientes iônicos é transformada em eletricidade, permitindo que a estrutura funcione como uma fonte de energia para componentes externos.

A potência máxima de saída de uma unidade feita de gotículas de 50 nanolitros foi de cerca de 65 nanowatts (nW). Esse rendimento foi obtido mesmo depois que as baterias foram construídas, armazenados por 36 horas, e só então ativadas. Em funcionamento, a bateria de gotículas produziu uma corrente que persistiu por mais de 30 minutos.

E, assim como colocar várias pilhas em um aparelho aumenta a energia disponível, é possível combinar vários nanogeradores de gotas. Por exemplo, enfileirando 20 unidades de cinco gotas em série, foi possível acender um LED que requer cerca de 2 Volts. A equipe não vê limites na quantidade máxima de baterias que possam ser enfileiradas.

Exemplos de montagem de várias baterias, em série ou em paralelo.
[Imagem: Yujia Zhang et al. - 10.1038/s41586-023-06295]

A equipe demonstrou o uso prático da bateria fixando células vivas em uma das suas extremidades, permitindo que a atividade dessas células pudesse ser regulada diretamente pela corrente iônica.

O dispositivo também foi conectado 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.

A sinalização de cálcio é um mecanismo chave através do qual os neurônios comunicam-se uns com os outros para coordenar atividades biológicas, como liberação de neurotransmissores, disparo neuronal, plasticidade sináptica e transcrição genética.

Segundo os pesquisadores, o design modular do dispositivo permitirá combinar múltiplas unidades para aumentar a tensão e/ou a corrente gerada, permitindo alimentar dispositivos vestíveis, interfaces bio-híbridas, implantes, tecidos sintéticos e microrrobôs.

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Bateria líquida aciona aparelhos biointegrados e até células individuais