Une nouvelle « batterie à gouttelettes » pourrait ouvrir la voie à la bio miniature

Feb 12, 2024

Des chercheurs de l’Université d’Oxford ont franchi une étape importante vers la réalisation de dispositifs miniatures bio-intégrés, capables de stimuler directement les cellules.L'ouvrage a été publiédans la revue Nature.

Les petits dispositifs bio-intégrés capables d’interagir avec les cellules et de les stimuler pourraient avoir d’importantes applications thérapeutiques, notamment l’administration de thérapies médicamenteuses ciblées et l’accélération de la cicatrisation des plaies. Cependant, ces appareils nécessitent tous une source d’alimentation pour fonctionner. À ce jour, il n’existe aucun moyen efficace de fournir de l’énergie à l’échelle microscopique.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs de Le département de chimie de l'Université d'Oxford a développé une source d'énergie miniature capable de modifier l'activité des cellules nerveuses humaines en culture. Inspiré de la façon dont les anguilles électriques génèrent de l’électricité, l’appareil utilise des gradients d’ions internes pour générer de l’énergie.

La source d’énergie douce miniaturisée est produite en déposant une chaîne de cinq gouttelettes de la taille d’un nanolitre d’un hydrogel conducteur (un réseau 3D de chaînes polymères contenant une grande quantité d’eau absorbée). Chaque gouttelette a une composition différente, de sorte qu'un gradient de concentration en sel est créé tout au long de la chaîne. Les gouttelettes sont séparées de leurs voisines par des bicouches lipidiques, qui assurent un support mécanique tout en empêchant les ions de circuler entre les gouttelettes.

La source d’énergie est activée en refroidissant la structure à 4°C et en modifiant le milieu environnant : cela perturbe les bicouches lipidiques et amène les gouttelettes à former un hydrogel continu. Cela permet aux ions de se déplacer à travers l’hydrogel conducteur, depuis les gouttelettes à haute teneur en sel aux deux extrémités jusqu’à la gouttelette à faible teneur en sel au milieu. En connectant les gouttelettes finales aux électrodes, l’énergie libérée par les gradients ioniques est transformée en électricité, permettant à la structure de l’hydrogel d’agir comme une source d’énergie pour les composants externes.

Dans l’étude, la source d’énergie activée par les gouttelettes a produit un courant qui a persisté pendant plus de 30 minutes. La puissance de sortie maximale d’une unité composée de gouttelettes de 50 nanolitres était d’environ 65 nanowatts (nW). Les appareils ont produit une quantité similaire de courant après avoir été stockés pendant 36 heures.

L’équipe de recherche a ensuite démontré comment des cellules vivantes pouvaient être attachées à une extrémité du dispositif afin que leur activité puisse être directement régulée par le courant ionique. L’équipe a attaché l’appareil à des gouttelettes contenant des cellules progénitrices neurales humaines, qui avaient été colorées avec un colorant fluorescent pour indiquer leur activité. Lorsque la source d’alimentation était allumée, l’enregistrement accéléré démontrait des ondes de signalisation calcique intercellulaire* dans les neurones, induites par le courant ionique local.

Le Dr Yujia Zhang (Département de chimie, Université d'Oxford), chercheur principal de l'étude, a déclaré : « La source d'énergie douce miniaturisée représente une percée dans les dispositifs bio-intégrés. En exploitant les gradients ioniques, nous avons développé un système miniature et biocompatible pour réguler les cellules et les tissus à l’échelle microscopique, ce qui ouvre une large gamme d’applications potentielles en biologie et en médecine.

Selon les chercheurs, la conception modulaire de l'appareil permettrait de combiner plusieurs unités afin d'augmenter la tension et/ou le courant générés. Cela pourrait ouvrir la porte à l’alimentation d’appareils portables de nouvelle génération, d’interfaces bio-hybrides, d’implants, de tissus synthétiques et de microrobots. En combinant 20 unités de cinq gouttelettes en série, ils ont pu éclairer une diode électroluminescente, qui nécessite environ 2 volts. Ils envisagent que l’automatisation de la production des appareils, par exemple en utilisant une imprimante à gouttelettes, pourrait produire des réseaux de gouttelettes composés de milliers d’unités de puissance.

Le professeur Hagan Bayley (Département de chimie, Université d'Oxford), responsable du groupe de recherche pour l'étude, a déclaré : « Ce travail aborde la question importante de savoir comment la stimulation produite par des dispositifs souples et biocompatibles peut être couplée à des cellules vivantes. L’impact potentiel sur les dispositifs, notamment les interfaces bio-hybrides, les implants et les microrobots, est substantiel.