뱀장어

Oct 24, 2023

겨울/iStock

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8월 30일 네이처(Nature)에 발표된 최근 연구에 따르면 옥스퍼드 대학교 연구원들은 세포를 직접 자극할 수 있는 '물방울 배터리'를 만들었다. 연구진은 뱀장어가 전기를 생성하는 방식에서 영감을 받아 전류를 생성하기 위해 이온 구배를 사용했다.

수년 동안 연구자들은 우리 몸의 세포와 직접 통합되는 소형 장치를 설계하려고 노력해 왔습니다. 그렇게 할 수 있는 능력은 약물을 세포에 직접 전달하는 등 치료에 새로운 길을 열어줍니다. 그러나 이 분야의 개발은 적절한 전력원이 부족하여 방해를 받았습니다.

기존 배터리 기술은 마이크로 수준에서 작동하도록 설계할 수 없지만 옥스퍼드 화학과 연구진은 이제 물방울 배터리라고 부르는 소형 전원을 개발했습니다.

연구팀은 생물학적 동물이 내부 이온 구배의 도움으로 전기를 생성할 수 있기 때문에 뱀장어에서 영감을 얻었습니다.

자체 배터리 설계에서 팀은 전도성 하이드로겔의 나노리터 크기 방울 5개 체인을 사용했습니다. 하이드로겔은 다량의 물을 흡수하고 보유할 수 있는 폴리머 사슬의 3D 네트워크입니다. 이 물방울 각각에는 서로 다른 구성이 포함되어 있어 사슬을 따라 염분 구배가 생성될 수 있습니다.

액적은 액적 사이의 이온 흐름을 방지할 뿐만 아니라 기계적 지지도 제공하는 지질 이중층을 사용하여 서로 분리되었습니다.

배터리를 시동하기 위해 구조를 화씨 39도(섭씨 4도)까지 냉각하고 주변 매체를 바꿨습니다. 이로 인해 지질 이중층이 파괴되고 연속적인 하이드로겔이 형성됩니다.

높은 소금 방울은 양쪽 끝에 있고 낮은 소금 방울은 중앙에 있습니다. 전극이 물방울의 양쪽 끝에 연결되면 연구진은 이온 구배를 사용하여 전기를 생성하는 데 성공했습니다.

50나노리터 물방울을 사용했을 때 연구원들은 30분 남짓 지속되는 65나노와트(nW)의 최대 전력 출력을 생성할 수 있었습니다. 흥미롭게도 이 장치는 36시간 동안 보관해도 비슷한 양의 전류를 생성할 수 있습니다.

물방울 배터리가 인간 세포에 사용될 수 있음을 입증하기 위해 연구자들은 이를 염료로 염색된 인간 전구 세포에 부착했습니다. 배터리가 켜지면 세포는 세포간 신호를 표시했습니다.

이번 연구의 수석 연구원인 Yujia Zhang은 보도 자료에서 “소형화된 소프트 전원은 생체 통합 장치의 획기적인 발전을 의미합니다.”라고 말했습니다. "이온 구배를 활용하여 우리는 미세한 규모로 세포와 조직을 조절하기 위한 소형의 생체 적합성 시스템을 개발했으며, 이는 생물학과 의학 분야에서 광범위한 응용 가능성을 열어줍니다."

팀은 배터리 설계가 모듈식이며 액적 프린터를 사용하여 생성된 여러 장치를 함께 결합하여 전압 또는 전류 출력을 높일 수 있다고 덧붙였습니다. 5개의 액적 배터리 시스템으로 구성된 20개 유닛은 발광 다이오드에 전력을 공급할 수 있는 2V의 출력을 생성하기에 충분했습니다. 수천 개의 동력 장치를 포함하는 시스템도 멀지 않았습니다.

이 연구는 오늘 8월 30일 네이처(Nature) 저널에 게재되었습니다.

연구 개요:

생체 통합 장치가 작동하려면 전원이 필요합니다. 배터리의 유선 에너지 공급 또는 무선 에너지 변환3과 같이 대규모 대상에 전력을 공급할 수 있는 널리 사용되는 기술에도 불구하고 미세 규모에서 세포와 조직을 효율적으로 자극해야 할 필요성은 여전히 ​​시급합니다. 이상적인 소형화된 전원은 기존 전자 장치에서와 같이 전자 흐름을 사용하는 대신 생체 적합하고 기계적으로 유연하며 생물학적 자극을 위한 이온 전류를 생성할 수 있어야 합니다4-6. 한 가지 접근 방식은 전기 뱀장어7,8에서 영감을 받은 소프트 전원을 사용하는 것입니다. 그러나 필요한 기능을 결합한 전원은 아직 생산되지 않았습니다. 사용하기 전에 포함된 에너지를 보존하고 쉽게 에너지 출력을 생성하도록 트리거되는 소형화된 장치를 얻는 것이 어렵기 때문입니다. 여기서 우리는 에너지를 생성하기 위해 내부 이온 구배를 사용하는 나노리터 하이드로겔 액적의 지질 지원 네트워크를 증착하여 소형화된 소프트 전원을 개발합니다. 장어에서 영감을 받은 원래 디자인7과 비교하여 우리의 접근 방식은 전원 장치의 부피를 105배 이상 줄일 수 있으며 24시간 이상 에너지를 저장할 수 있어 680배 더 높은 전력 밀도로 주문형 작동이 가능합니다. 약 1,300Wm−3. 우리의 액적 장치는 3차원 신경 미세 조직 및 생체 외 마우스 뇌 조각에서 신경 네트워크 활동을 조절하는 생체 적합성 및 생물학적 이온 전류 소스 역할을 할 수 있습니다. 궁극적으로 우리의 연성 마이크로 스케일 이온성 장치는 살아있는 유기체에 통합될 수 있습니다.