牛津大學的研究人員在實現微型生物集成裝置方面取得了重大進展，該裝置能夠直接刺激細胞。他們的研究成果最近發表在《自然》雜誌上。能夠與細胞相互作用並刺激細胞的小型生物集成裝置具有重要的治療用途，例如靶向給藥和促進傷口快速恢復。然而，為這些裝置提供高效的微米級電源一直是一大障礙，這一難題至今仍未解決。

為了解決這個問題，牛津大學化學系的研究人員開發出了一種微型電源，能夠改變培養的人類神經細胞的活性。受電鰻發電方式的啟發，該裝置利用內部離子梯度產生能量。

這種微型軟電源是通過沉積由五個納升大小的導電水凝膠液滴（一種含有大量吸收水的聚合物鏈的三維網絡）組成的鏈而產生的。每個液滴都有不同的成分，從而在整個鏈上形成鹽濃度梯度。液滴與相鄰液滴之間由脂質雙分子層隔開，脂質雙分子層提供機械支撐，同時防止離子在液滴之間流動。

通過將結構冷卻到4°C 並改變周圍介質來開啟電源：這會破壞脂質雙分子層，使液滴形成連續的水凝膠。這樣，離子就能通過導電水凝膠，從兩端的高鹽液滴移動到中間的低鹽液滴。將末端液滴連接到電極上，離子梯度釋放的能量就會轉化為電能，從而使水凝膠結構成為外部元件的電源。

在研究中，活化液滴電源產生的電流可持續30 分鐘以上。由50 納升液滴組成的裝置的最大輸出功率約為65 納瓦（nW）。這些裝置在儲存36 小時後仍能產生類似的電流。

左圖：液滴動力源的放大版，用於可視化。500 nL 體積的液滴被封裝在柔性可壓縮有機凝膠中。比例尺： 10 毫米。右圖： 由50 nL 液滴組成的標準尺寸液滴動力源放大圖。比例尺：500 μm 500 微米。圖片來源：Yujia Zhang

水凝膠液滴動力裝置的激活過程。左圖：電池激活前，絕緣脂阻止液滴之間的離子流動。右圖： 電源通過熱凝膠化過程激活，使脂質雙分子層破裂。離子隨後通過導電水凝膠，從兩端的高鹽液滴移動到中間的低鹽液滴。銀/氯化銀電極用於測量電輸出。圖片來源：Yujia Zhang。

研究小組隨後演示瞭如何將活細胞附著在裝置的一端，使其活動直接受離子電流調節。研究小組將該裝置連接到含有人類神經祖細胞的液滴上，這些細胞已用熒光染料染色，以顯示它們的活性。接通電源後，延時記錄顯示，在局部離子電流的誘導下，神經元中出現了細胞間鈣信號波。

該研究的首席研究員張雨佳博士（牛津大學化學系）說：”微型軟電源代表了生物集成設備的一個突破。通過利用離子梯度，我們開發出了一種微型、生物兼容的系統，可在微觀尺度上調節細胞和組織，這為生物和醫學領域的應用開闢了廣闊的前景。”

據研究人員稱，該裝置的模塊化設計允許將多個單元組合在一起，以增加產生的電壓和/或電流。這將為下一代可穿戴設備、生物混合界面、植入物、合成組織和微型機器人提供動力。通過將20 個五液滴單元串聯起來，他們能夠照亮一個發光二極管，而這需要大約2 伏特的電壓。他們設想，通過使用液滴打印機等方式實現設備的自動化生產，可以生產出由數千個動力單元組成的液滴網絡。

這項研究的小組負責人哈根-貝利教授（牛津大學化學系）說：”這項工作解決了一個重要問題，即如何將軟性生物兼容設備產生的刺激與活細胞結合起來。這對包括生物混合界面、植入物和微型機器人在內的設備具有重大潛在影響。”