Создана биобатарея, устроенная по подобию тонкого кишечника
В Бингемтонском университете разработали биобатарею, устроенную по подобию тонкого кишечника. Результаты исследования опубликованы в журнале Small.
Стенки пищеварительного тракта выстилают пальцевидные ворсинки. Их покрывают микроорганизмы, которые помогают нам переваривать пищу. Как выяснилось, форма и поведение ворсинок идеально подходят и для выработки биоэнергии с помощью спорообразующих бактерий.
Профессор Сокхон «Шон» Чхве, руководивший исследованием, изучал самые разные конфигурации биобатарей — на бумаге, ткани, металле и полимерах — и пытался встроить их в 3D-печатные схемы. Он даже создал проглатываемую биобатарею, которая остается инертной, пока не активируется в тонком кишечнике.
Как один из пионеров papertronics — «бумажной электроники», — Чхве больше всего интересуется именно бумагой как носителем. Но у почти всех испробованных материалов обнаружился один и тот же недостаток — площадь поверхности недостаточна для нормального развития сенной палочки Bacillus subtilis.
«Пористые структуры легко забиваются биопленкой, поэтому у нас было много проблем с доставкой питательных веществ, накоплением отходов и неравномерным ростом биопленки. Нужен биоэлектрод, который имитирует живую ткань: чтобы была большая площадь поверхности и короткое расстояние диффузии, эффективный массоперенос — и при этом механическая гибкость, растяжимость и масштабируемость», — объясняет ученый.
Взяв в качестве примера ворсинки, выстилающие изнутри кишечник, напечатали такие же из гибкого полимерного гидрогеля, который обычно применяется в биомедицине и находится в неактивном состоянии. По ворсинкам распределили неактивные бактерии — они служат анодом. Ворсинки отделены от модифицированного катода из углеродной ткани ионообменной мембраной.
При постоянной подаче питательной среды устройство с ворсинками держало стабильное напряжение около 0,75 В как минимум 14 часов — этого достаточно, чтобы зажечь небольшие светодиоды или питать микросенсоры.
Одно из возможных применений в будущем — самообеспечивающаяся очистка сточных вод. «Мы можем поместить такую биобатарею в сточную трубу, потому что она легко встраивается в окружающую среду. Она может использовать отходы из воды как питание и вырабатывать энергию, точно повторяя форму и размер трубопровода», — говорит профессор.
Инженерам-электротехникам пришлось углубиться в медицинскую литературу, признается ведущий автор Жуохань «Астрид» Чжан.
«Теперь я знаю, как выглядит эта структура и как работают бактерии в кишечнике. Я также подробнее изучила строение самих ворсинок и то, как функционируют разные слои клеток, чтобы учесть это в нашей работе», — поделилась она.
Разработчики рассчитывают усовершенствовать производство биобатарей-ворсинок, разработав одностадийный масштабируемый метод печати, а также усилить сходство с анатомией кишечника, где бактерии живут в основном у поверхности — в слое слизи, покрывающем ворсинки.
«В этой работе мы попытались воспроизвести архитектурную часть. Но нам нужно воспроизвести и реальный физиологический и химический состав, чтобы по-настоящему понять, как бактериальные клетки поддерживают свою жизнеспособность», — заключил Чхве.
