《電子技術應用》
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直接把納米電子芯片插進你的細胞里

2015-12-14

  科學家首次研制成功了一種微型芯片,這種芯片能夠利用為細胞生存提供能量的燃料源進行供能。而這一突破性的進展將能夠使得未來的某一天,我們能夠向病人體內直接植入這種芯片,而無需考慮電池消耗的問題(電池哥你怕不怕)。

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  說道細胞的供能原理,我們不得不翻開高中生物課本,尋找有關ATP的章節。如果記得沒錯的話,我們的細胞存儲有一定量的ATP(三磷酸腺苷),它在轉化為ADP的時候會釋放能量,為細胞活動提供必要的需求。這種新型微芯片就能夠利用這種被稱為納-鉀ATP酶的酶功能。他們在接觸到ATP的時候,會初始ATP分解釋放能量,位于芯片中的酶能夠促使鉀離子和鈉離子(帶有正電荷)穿過特殊的膜,產生電勢能,形成電流,為芯片供電。

  “這種離子泵,就像是生命系統中的電子器件。”來自哥大的電氣工程師Ken Shepard這樣介紹到。他和同事們將最新的研究發布在12月7號的《Nature Communications》上。

  研究人員先從豬腦中提取了這種納-鉀ATP酶,然后將他們嵌入到人造脂肪膜上。最后的芯片能夠在一平方毫米的面積上獲得200萬分子所提供的能量,這一(細胞)密度只有普通哺乳動物神經纖維的5%。

  通過獲取ATP分解的能量,這種離子泵能夠產生78毫伏的電壓,兩塊這種大小的生物細胞芯片能夠為CMOS集成電路提供足夠的電壓。這種電化學能轉換的離子泵的轉化率在14.9%。

  通過離子泵,我們能夠建立一個可以驅動系統的電場。而ATP只存在細胞內,而不是血液中,所以這種新系統并不能像常規的醫療裝置那樣植入體內進行驅動。

  不過這種系統能夠被植入到細胞內部,目前已經有很多納米級的材料用來作為可植入設備的制造,不過他們都是被動驅動的。我們希望芯片能夠同伙生物材料獲得能量,完成一些計算和決策,然后執行一些特殊的功能。

  未來的研究可能會制作一些具有膜蛋白的電子產品,比如能夠形成嗅覺或者味覺功能的傳感器,我們的功能模塊能夠與不同的功能模塊進行組合,完成一些細胞級別的生物應用。


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