牛津大学的研究人员在实现微型生物集成装置方面取得了重大进展，该装置能够直接刺激细胞。他们的研究成果最近发表在《自然》杂志上。能够与细胞相互作用并刺激细胞的小型生物集成装置具有重要的治疗用途，例如靶向给药和促进伤口快速恢复。然而，为这些装置提供高效的微米级电源一直是一大障碍，这一难题至今仍未解决。

为了解决这个问题，牛津大学化学系的研究人员开发出了一种微型电源，能够改变培养的人类神经细胞的活性。受电鳗发电方式的启发，该装置利用内部离子梯度产生能量。

这种微型软电源是通过沉积由五个纳升大小的导电水凝胶液滴（一种含有大量吸收水的聚合物链的三维网络）组成的链而产生的。每个液滴都有不同的成分，从而在整个链上形成盐浓度梯度。液滴与相邻液滴之间由脂质双分子层隔开，脂质双分子层提供机械支撑，同时防止离子在液滴之间流动。

通过将结构冷却到 4°C 并改变周围介质来开启电源：这会破坏脂质双分子层，使液滴形成连续的水凝胶。这样，离子就能通过导电水凝胶，从两端的高盐液滴移动到中间的低盐液滴。将末端液滴连接到电极上，离子梯度释放的能量就会转化为电能，从而使水凝胶结构成为外部元件的电源。

在研究中，活化液滴电源产生的电流可持续 30 分钟以上。由 50 纳升液滴组成的装置的最大输出功率约为 65 纳瓦（nW）。这些装置在储存 36 小时后仍能产生类似的电流。

左图：液滴动力源的放大版，用于可视化。500 nL 体积的液滴被封装在柔性可压缩有机凝胶中。比例尺： 10 毫米。右图： 由 50 nL 液滴组成的标准尺寸液滴动力源放大图。比例尺：500 μm 500 微米。图片来源：Yujia Zhang

水凝胶液滴动力装置的激活过程。左图：电池激活前，绝缘脂阻止液滴之间的离子流动。右图： 电源通过热凝胶化过程激活，使脂质双分子层破裂。离子随后通过导电水凝胶，从两端的高盐液滴移动到中间的低盐液滴。银/氯化银电极用于测量电输出。图片来源：Yujia Zhang。

研究小组随后演示了如何将活细胞附着在装置的一端，使其活动直接受离子电流调节。研究小组将该装置连接到含有人类神经祖细胞的液滴上，这些细胞已用荧光染料染色，以显示它们的活性。接通电源后，延时记录显示，在局部离子电流的诱导下，神经元中出现了细胞间钙信号波。

该研究的首席研究员张雨佳博士（牛津大学化学系）说："微型软电源代表了生物集成设备的一个突破。通过利用离子梯度，我们开发出了一种微型、生物兼容的系统，可在微观尺度上调节细胞和组织，这为生物和医学领域的应用开辟了广阔的前景。"

据研究人员称，该装置的模块化设计允许将多个单元组合在一起，以增加产生的电压和/或电流。这将为下一代可穿戴设备、生物混合界面、植入物、合成组织和微型机器人提供动力。通过将 20 个五液滴单元串联起来，他们能够照亮一个发光二极管，而这需要大约 2 伏特的电压。他们设想，通过使用液滴打印机等方式实现设备的自动化生产，可以生产出由数千个动力单元组成的液滴网络。

这项研究的小组负责人哈根-贝利教授（牛津大学化学系）说："这项工作解决了一个重要问题，即如何将软性生物兼容设备产生的刺激与活细胞结合起来。这对包括生物混合界面、植入物和微型机器人在内的设备具有重大潜在影响。"