@ 2015.12.11 , 00:15

能够插入细胞进行供能的微型芯片

科学家首次研制成功了一种微型芯片,这种芯片能够利用为细胞生存提供能量的燃料源进行供能。而这一突破性的进展将能够使得未来的某一天,我们能够向病人体内直接植入这种芯片,而无需考虑电池消耗的问题(电池哥你怕不怕)。

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说道细胞的供能原理,我们不得不翻开高中生物课本,寻找有关ATP的章节。如果记得没错的话,我们的细胞存储有一定量的ATP(三磷酸腺苷),它在转化为ADP的时候会释放能量,为细胞活动提供必要的需求。这种新型微芯片就能够利用这种被称为纳-钾ATP酶的酶功能。他们在接触到ATP的时候,会初始ATP分解释放能量,位于芯片中的酶能够促使钾离子和钠离子(带有正电荷)穿过特殊的膜,产生电势能,形成电流,为芯片供电。

“这种离子泵,就像是生命系统中的电子器件。”来自哥大的电气工程师Ken Shepard这样介绍到。他和同事们将最新的研究发布在12月7号的《Nature Communications》上。

研究人员先从猪脑中提取了这种纳-钾ATP酶,然后将他们嵌入到人造脂肪膜上。最后的芯片能够在一平方毫米的面积上获得200万分子所提供的能量,这一(细胞)密度只有普通哺乳动物神经纤维的5%。

通过获取ATP分解的能量,这种离子泵能够产生78毫伏的电压,两块这种大小的生物细胞芯片能够为CMOS集成电路提供足够的电压。这种电化学能转换的离子泵的转化率在14.9%。

通过离子泵,我们能够建立一个可以驱动系统的电场。而ATP只存在细胞内,而不是血液中,所以这种新系统并不能像常规的医疗装置那样植入体内进行驱动。

不过这种系统能够被植入到细胞内部,目前已经有很多纳米级的材料用来作为可植入设备的制造,不过他们都是被动驱动的。我们希望芯片能够同伙生物材料获得能量,完成一些计算和决策,然后执行一些特殊的功能。

未来的研究可能会制作一些具有膜蛋白的电子产品,比如能够形成嗅觉或者味觉功能的传感器,我们的功能模块能够与不同的功能模块进行组合,完成一些细胞级别的生物应用。

本文译自 IEEE Spectrum,由译者 邻家乖蜀黍 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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