חוקרי אוניברסיטת אוקספורד עשו צעד משמעותי לקראת מימוש סוג של 'חשמל ביולוגי' שיכול לשמש במגוון של יישומים ביו-הנדסיים ויישומים ביו-רפואיים, כולל תקשורת עם תאים אנושיים חיים. העבודה פורסמה היום (28 בנובמבר) בכתב העת מַדָע.
התקני Iontronic הם אחד התחומים הצומחים והמרגשים ביותר בהנדסה ביוכימית. במקום להשתמש בחשמל, אלה מחקים את המוח האנושי על ידי העברת מידע באמצעות יונים (חלקיקים טעונים), כולל יוני נתרן, אשלגן וסידן. בסופו של דבר, התקני iontronic יכולים לאפשר מערכות איתות תואמות ביולוגיות, חסכוניות באנרגיה ומדויקות במיוחד, כולל עבור מתן תרופות.
עם זאת, עד כה, התקני iontronic ממוקמים בדרך כלל בתוך פיגומים מוצקים, מה שמפריע לשילובם עם רקמות רכות. במחקר חדש זה, חוקרים מאוניברסיטת אוקספורד הצליחו לפתח התקנים יוניטרוניים מיניאטוריים ורב-תכליתיים שנבנו מטיפות הידרוג'ל תואמות ביולוגיות. ההידרוג'לים מתפקדים כאנלוגים יוניים של מוליכים למחצה אלקטרוניים, ומאפשרים לשלוט בתנועת יונים בדומה לשליטה בתנועת האלקטרונים באלקטרוניקה. הטיפות הזעירות בקנה מידה מורכבות בעזרת חומרים פעילי שטח (מולקולות דמויות סבון) ומוליכות יונים לאחר שהאור מפעיל אותם להתחבר יחד (טכניקה שפותחה על ידי הקבוצה).
החוקרים קראו לאוסף המכשירים שלהם dropletronics, תרכובת של טיפות ו-iontronics. על ידי יצירת שילובים של טיפות הידרוג'ל ננוליטר בקנה מידה מיקרו, הצוות ייצר דיודות טיפותיות, טרנזיסטורים, שערים לוגיים והתקני זיכרון. מכשירי ה-Dropletronic מתפקדים טוב יותר מכל מכשיר iontronic רך שפותח עד כה, כולל יעילות גבוהה יותר וזמן תגובה מהיר יותר. הם אפילו ניתנים להשוואה למכשירי iontronic מוצקים, עם היתרון הנוסף בכך שהם אינם מוטבעים במטריצה קשיחה.
ד"ר יוג'יה ג'אנג, החוקרת הראשית של המחקר, המחלקה לכימיה, אוניברסיטת אוקספורד
בנוסף לשליטה בתנועות היונים, מכשירים טיפהטרוניים יכולים גם להתממשק לתאים ולהקליט מהם אותות ביולוגיים, שכן המכשירים והתאים מדברים באותה 'שפה יונית'. במחקר זה, צוות המחקר השתמש במכשירים כדי לייצר חיישנים תואמים ביו כדי להקליט אותות חשמליים מתאי לב אנושיים פועמים.
"זו הדוגמה הראשונה לחיישן ביולוגי שנבנה במעבדה שיכול לחוש ולהגיב לשינויים בתפקוד של תאי לב אנושיים בצלחת", אמר ד"ר כריסטופר טופר, פרופסור חבר למדעי הלב וכלי הדם במחלקה לרפואה של רדקליף באוניברסיטת אוקספורד. "ממצא זה הוא צעד מרגש לקראת ייצור של מכשירים ביולוגיים מורכבים יותר שיחושו מגוון חריגות באיבר ויגיבו על ידי אספקת תרופות בצורה חכמה בתוך הגוף."
החוקרים צופים שילוב של דרופטרוניקה עם חומר חי, אשר יספק גישה ביו-תואמת לתקשורת יונית ישירה, כולל אפשרות לזהות מינים רבים וחיוניים ליונים ומולקולריים, אשר יפתחו אפשרויות חדשות בתחומים שונים, בעיקר רפואה קלינית. מעגלים דרופטרוניים עשויים גם לספק מסלול לבניית מערכות לוגיות יוניות המחקות נוירונים לעיבוד מידע נוירומורפי וחישובים.
פרופסור האגן ביילי (המחלקה לכימיה, אוניברסיטת אוקספורד), ראש קבוצת המחקר של המחקר, אמר: "ד"ר. ג'אנג השתמש בגישה יצירתית, רב-תחומית ביותר, הכוללת היבטים של אלקטרוכימיה, כימיה של פולימרים, פיזיקה של פני השטח והנדסת מכשירים כדי לייצר את המכשירים הראשונים בקנה מידה "דרופלטרון". היכולות הפונקציונליות של מבנים אלה מוכיחות שהם עשויים להיות משוכללים בקרוב למכשירים מעשיים עם יישומים הן במדע הבסיסי והן ברפואה.'
