새로운 '물방울 배터리'로 소형 바이오 시대 개척 가능

Feb 12, 2024

옥스퍼드 대학교 연구진이 세포를 직접 자극할 수 있는 소형 생체 통합 장치를 실현하는 데 중요한 진전을 이루었습니다.작품이 공개되었습니다저널 네이처에서.

세포와 상호 작용하고 자극할 수 있는 소형 생체 통합 장치는 표적 약물 치료법 전달 및 상처 치유 가속화를 비롯한 중요한 치료 응용 분야를 가질 수 있습니다. 그러나 이러한 장치는 모두 작동하려면 전원이 필요합니다. 현재까지 마이크로스케일 수준에서 전력을 공급할 수 있는 효율적인 수단은 없었습니다.

이를 해결하기 위해 연구진은 옥스퍼드 대학교 화학과에서는 배양된 인간 신경 세포의 활동을 변경할 수 있는 소형 전원을 개발했습니다. 전기 뱀장어가 전기를 생성하는 방식에서 영감을 받은 이 장치는 내부 이온 구배를 사용하여 에너지를 생성합니다.

소형 소프트 전원은 전도성 하이드로겔(다량의 흡수된 물을 포함하는 폴리머 사슬의 3D 네트워크)의 5나노리터 크기 물방울 사슬을 증착하여 생산됩니다. 각 물방울은 서로 다른 구성을 가지므로 염분 농도 구배가 사슬 전체에 걸쳐 생성됩니다. 물방울은 지질 이중층에 의해 이웃과 분리되어 기계적 지지를 제공하는 동시에 이온이 물방울 사이로 흐르는 것을 방지합니다.

구조를 4°C로 냉각하고 주변 매체를 변경하여 전원을 켭니다. 이로 인해 지질 이중층이 파괴되고 물방울이 연속적인 하이드로겔을 형성하게 됩니다. 이를 통해 이온은 전도성 하이드로겔을 통해 두 끝의 고염 방울에서 중앙의 저염 방울로 이동할 수 있습니다. 끝 방울을 전극에 연결하면 이온 구배에서 방출되는 에너지가 전기로 변환되어 하이드로겔 구조가 외부 구성 요소의 전원 역할을 할 수 있습니다.

연구에서 활성화된 물방울 전원은 30분 이상 지속되는 전류를 생성했습니다. 50나노리터 물방울로 구성된 장치의 최대 출력 전력은 약 65나노와트(nW)였습니다. 이 장치는 36시간 동안 보관한 후에도 비슷한 양의 전류를 생성했습니다.

그런 다음 연구팀은 살아있는 세포를 장치의 한쪽 끝에 부착하여 세포의 활동이 이온 전류에 의해 직접 조절될 수 있는 방법을 시연했습니다. 연구팀은 인간의 신경 전구 세포가 들어 있는 물방울에 장치를 부착했는데, 이 세포는 활동을 나타내기 위해 형광 염료로 염색되었습니다. 전원을 켰을 때 저속 촬영 기록을 통해 국소 이온 전류에 의해 유도된 뉴런 내 세포간 칼슘 신호*의 파동이 나타났습니다.

이번 연구의 수석 연구원인 Yujia Zhang 박사(옥스퍼드 대학교 화학과)는 다음과 같이 말했습니다. “소형화된 소프트 전원은 생체 통합 장치의 획기적인 발전을 의미합니다. 이온 구배를 활용함으로써 우리는 미세한 규모로 세포와 조직을 조절하기 위한 소형의 생체 적합성 시스템을 개발했으며, 이는 생물학과 의학 분야에서 광범위한 잠재적 응용 가능성을 열어줍니다."

연구원들에 따르면, 장치의 모듈식 설계는 생성된 전압 및/또는 전류를 증가시키기 위해 여러 장치를 결합할 수 있게 해줄 것이라고 합니다. 이는 차세대 웨어러블 장치, 바이오 하이브리드 인터페이스, 임플란트, 합성 조직 및 마이크로 로봇을 구동할 수 있는 문을 열 수 있습니다. 20개의 5방울 장치를 직렬로 결합함으로써 약 2볼트가 필요한 발광 다이오드를 밝힐 수 있었습니다. 그들은 예를 들어 액적 프린터를 사용하여 장치 생산을 자동화하면 수천 개의 동력 장치로 구성된 액적 네트워크를 생성할 수 있다고 생각합니다.

연구 그룹 리더인 Hagan Bayley 교수(옥스퍼드 대학교 화학과)는 다음과 같이 말했습니다. “이 연구는 부드러운 생체 적합성 장치에서 생성된 자극이 어떻게 살아있는 세포와 결합될 수 있는지에 대한 중요한 질문을 다루고 있습니다. 바이오 하이브리드 인터페이스, 임플란트, 마이크로로봇을 포함한 장치에 대한 잠재적인 영향은 상당합니다.”