Пальцевидные выросты, называемые ворсинками, выстилают пищеварительный тракт человека. Они покрыты микроорганизмами, которые помогают нам переваривать пищу. Их форма и особенности строения также идеально подходят для получения биоэнергии с помощью спорообразующих бактерий. Профессор Сокхын «Шон» Чой с факультета электротехники и вычислительной техники Колледжа инженерии и прикладных наук и его коллеги опубликовали свои результаты в журнале Small.
Будучи пионером в области папертроники, Чой больше всего заинтересован в использовании бумаги в качестве носителя. Одно из ограничений, которое он обнаружил практически во всех материалах, которые он пробовал, заключается в том, что двумерные конфигурации не обеспечивают достаточную площадь поверхности для размножения спорообразующих бактерий Bacillus subtilis. Пористая структура бумаги ограничивает возможности трехмерного использования, что может привести к проблемам с производительностью.
«Пористые структуры легко забиваются биопленкой, поэтому у нас было много проблем с доставкой питательных веществ, накоплением отходов или неравномерным ростом биопленки», — сказал Чой. «Нам нужен биоэлектрод, имитирующий живую ткань, чтобы обеспечить большую площадь поверхности и короткий путь диффузии, эффективный массоперенос и в то же время механическую гибкость, растяжимость и масштабируемость».
Для исследования команда из Бингемтонского университета изготовила структуры, напоминающие ворсинки, из неактивного, но гибкого полимерного гидрогеля, который обычно используется в биомедицине. Ученые поместили неактивные бактерии в ворсинки, которые служат анодом биобатареи. Для выработки небольшого количества электричества ворсинки отделены от модифицированного катода из углеродной ткани ионообменной мембраной.
При постоянной подаче питательной среды устройство с ворсинками вырабатывало стабильное напряжение около 0,75 вольт в течение как минимум 14 часов — этого достаточно, чтобы зажечь небольшие светодиоды или питать микродатчики. Одна из возможных сфер применения в будущем — автономная очистка сточных вод.
«Мы можем поместить биобатарею в канализационную трубу, потому что она легко интегрируется в окружающую среду», — сказал Чой. «Она может использовать отходы в воде в качестве питательного вещества и вырабатывать энергию, а также точно соответствовать форме и размеру трубопровода».
Команда из Бингемтона хочет усовершенствовать процесс производства биобатарей, вдохновленных ворсинками кишечника, разработав одноэтапный масштабируемый метод печати. Исследователи также хотели бы приблизиться к пониманию того, как устроены наши тела: бактерии в пищеварительном тракте в основном находятся у поверхности, в слизистом слое, покрывающем ворсинки.
«В этой работе мы попытались повторить архитектуру ворсинок, — заключил Чой. — Нам нужно воспроизвести их реальный физиологический и химический состав, чтобы по-настоящему понять, как эти бактериальные клетки сохраняют свою жизнеспособность».
