Сбор энергии из биоэлемента

Сбор энергии из биоэлемента
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285518309273

Аннотация
В данной работе экспериментально показано, как электрическая энергия может быть собрана непосредственно из мембранного потенциала клетки и использована для питания беспроводной связи. Эксперимент проводится с использованием мембранного потенциала ооцитов Xenopus, взятых у самок лягушек. Энергия электрического потенциала мембраны передается на конденсатор, подключенный к клетке через соответствующую электрическую цепь. Как только конденсатор набирает необходимое количество энергии, цепь отсоединяется от клетки, и накопленная энергия используется для питания радиочастотной связи, которая передает биодатчики на удаленную приемную цепь. Полученный нами результат показывает, что электрическая энергия может быть получена непосредственно из биологических клеток и использована для различных целей, включая беспроводную передачу измеренных биологических величин на удаленный приемный узел.

Графическая аннотация

Скачать Скачать изображение в высоком разрешении (205 КБ) Download : Download high-res image (205KB)
Скачать Скачать полноразмерное изображение Download : Download full-size image

Введение
В популярном фильме шестидесятых годов (Fantastic voyage, 20th Century Fox) миниатюрная подводная лодка подключается к легочным альвеолам человека, чтобы пополнить случайно опустевший резервуар с кислородом, тем самым продвигая идею о том, что микроустройства без привязи могут перемещаться внутри организма, забирая ресурсы из биологических компонентов.

В настоящее время считается, что микроробототехника может оказать потенциальное влияние на биоинженерию и здравоохранение. Однако существующие малогабаритные роботы все еще демонстрируют ограниченную мобильность и ограниченные коммуникационные возможности по ряду причин, главная из которых - сложность решения проблемы питания. Большинство медицинских имплантатов сантиметрового размера [1], предназначенных для зондирования и манипулирования одноклеточными [2], адресной доставки лекарств [3] и малоинвазивной хирургии [4], питаются от батарей [5], которые имеют ряд нежелательных характеристик, таких как ограниченный срок службы и энергоемкость, негативно влияющие на размер и токсичность для живого организма [6]. В случае микророботов (субсантиметрового размера), если исключить устройства с внешним приводом и управлением, самодвижущиеся устройства для биоинженерных применений были разработаны с использованием преимуществ локальных химических градиентов [7], паразитных транспортных технологий [8] или пузырьковых движений [9]. Благодаря использованию новейших технологий интегральных схем и оптимизации процессов сбора энергии [10], возможно, вскоре удастся снизить мощность, потребляемую этими имплантированными устройствами, до такой степени, что они смогут питаться исключительно энергией, получаемой из биологической среды [11]. Источники включают химическую энергию (генерируемую ферментативными реакциями), механическую энергию (вибрации, поток жидкости) и тепловую энергию (использование температурных градиентов). Однако энергия, полученная из этих источников, не сразу становится доступной для связи, и требуются механизмы преобразования ее в электрическую энергию для передачи радиосигнала. По этой причине интересным источником энергии, на который стоит обратить внимание, является электрический потенциал, существующий в живых организмах. Энергия электрического потенциала в высших организмах была недавно извлечена из улитки внутреннего уха морской свинки, используя 70-100 мВ, существующие через тонкую стенку между эндолимфой в улитковом канале и перилимфой [12]. Однако кохлеарный орган находится только во внутреннем ухе, поэтому для более общего подхода к питанию микроустройств из окружающей среды необходим более общедоступный источник энергии.

В данном случае мы предлагаем использовать источник энергии, повсеместно присутствующий в живом организме: разность потенциалов, существующую на плазменной мембране электрически поляризованных клеток. Каждая клетка живого организма окружена бислоем плазматической мембраны, избирательно проницаемым для ионов, благодаря наличию пассивных и активных транспортных белков для их прохождения. Некоторые из этих белков (насосы) перемещают ионы против их электрохимического градиента, используя АТФ (активный транспорт). Другие (каналы) позволяют ионам пассивно проходить через их центральную пору. Взаимодействие этих транспортов в конечном итоге приводит к возникновению электрического потенциала через мембрану, который в случае нейронов и скелетных мышечных волокон достигает диапазона 70-90 мВ, отрицательного внутри [13]. Мембрана фактически действует как биологическая батарея, электрический потенциал которой активно стабилизируется ионными каналами и Na/K-насосами.

Фрагменты разделов
Результаты
Здесь мы представляем результаты, полученные по следующей схеме: мы начинаем с оценки максимальной мощности, которую можно извлечь из одной клетки. Затем мы показываем, что электрическая энергия может быть получена из клетки и сохранена в соответствующем конденсаторе. Наконец, мы покажем, что энергия, полученная от клетки и сохраненная в конденсаторе, может быть использована для передачи радиосигнала на ближайший приемник.

Для того чтобы оценить максимальную электрическую мощность, которую можно извлечь из биологической клетки, мы...

Выводы
Мы считаем, что продемонстрированная возможность собирать электрическую энергию непосредственно из биологических клеток и использовать ее для питания беспроводных коммуникаций представляет собой новую технологию, которая будет способствовать разработке нового класса микроустройств, нацеленных на прямое взаимодействие с биологическими компонентами внутри живых организмов, с бесконечными возможностями для будущих биотехнологических приложений.

Электрофизиология
Ооциты Xenopus были подготовлены, как описано ранее [15], или приобретены Ecocyte Bioscience (Дортмунд, Германия). Двухэлектродные вольтажные клеммы (ДЭВК) регистрировали в ооцитах при температуре 22 °C, через 1-10 дней после выделения, используя усилитель GeneClamp 500 (Axon Instruments, Foster City, CA), подключенный к ПК с интерфейсом ITC-16 (Instrutech Corporation, Longmont, CO). Измерения мембранного потенциала проводили с помощью усилителя EPC-10 patch-clamp (HEKA Instruments, 

Благодарности
Авторы выражают благодарность за финансовую поддержку Европейской комиссии (H2020, грантовое соглашение № 611004, ICT- Energy) и гранту ONRG N00014-11-1-0695, а также доктору М.К. Д'Адамо за предоставление мРНК Kir4.1 человека.

Заявление о доступности данных
Данные, подтверждающие результаты этого исследования, можно получить у соответствующих авторов по запросу.

Заявление о конкурирующих финансовых интересах
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.