Le nuove biobatterie traggono ispirazione dall'intestino tenue
Un team dell’Università di Binghamton dimostra come le acque reflue possano alimentare le celle a combustibile batteriche
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Nel tentativo di ideare un design migliore per una biobatteria alimentata da batteri, i ricercatori dell’Università di Binghamton hanno tratto ispirazione dalla natura — in particolare, dall’interno del nostro intestino tenue.
Il team dell'Università di Binghamton ha realizzato biobatterie di varie dimensioni ispirate ai villi per verificare quali garantissero una resa elettrica ottimale.
Ruohan Zhang, Botian Wang, Seokheun Choi, "Intestinal Villi-Inspired Living Biobatteries via Habitat-Engineered Conductive Hydrogel Architectures"
Protuberanze simili a dita, chiamate villi, rivestono il tratto digestivo e sono ricoperte da microrganismi che ci aiutano a digerire il cibo. La loro forma e il loro comportamento si rivelano ideali anche per generare bioenergia utilizzando batteri sporigeni.
Il professor Seokheun “Sean” Choi e i dottorandi Ruohan “Astrid” Zhang e Botian Wang del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica del Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science hanno recentemente pubblicato i loro risultati sulla rivista Small.
Le precedenti ricerche di Choi hanno esplorato una varietà di configurazioni di biobatterie con carta, tessuto, metallo e polimeri, e sta cercando di integrarle in circuiti stampati in 3D. Ha persino creato una biobatteria ingeribile che rimane inerte fino a quando non si attiva nell’intestino tenue.
In qualità di pioniere della “papertronica”, Choi è particolarmente interessato all’uso della carta come supporto. Un limite che ha riscontrato in quasi tutti i materiali che ha sperimentato è che le configurazioni bidimensionali non offrono una superficie sufficiente per consentire la proliferazione del batterio Bacillus subtilis, che forma spore. La natura porosa della carta offre possibilità tridimensionali limitate, ma può causare problemi di prestazione.
«Le strutture porose possono essere facilmente ostruite dalla formazione di biofilm, quindi abbiamo avuto molti problemi con l’apporto di nutrienti, l’accumulo di scarti o la crescita irregolare del biofilm», ha affermato Choi, che dirige il Laboratorio di Bioelettronica e Microsistemi. «Ciò di cui abbiamo bisogno è un bioelettrodo che imiti il tessuto vivente, in modo da garantire un’ampia superficie e una breve distanza di diffusione, un trasporto di massa efficiente e, allo stesso tempo, flessibilità meccanica, estensibilità e scalabilità».
Per questa ultima ricerca, il team di Binghamton ha realizzato le strutture ispirate ai villi utilizzando un idrogel polimerico inattivo ma flessibile, comunemente impiegato nelle applicazioni biomediche. Ha poi disseminato batteri inattivi all’interno dei villi, che fungono da anodo della biobatteria. Per generare piccole quantità di elettricità, i villi sono separati da un catodo in tessuto di carbonio modificato tramite una membrana a scambio ionico.
Grazie a un apporto costante di terreno di coltura, il dispositivo a villi ha mantenuto una produzione stabile di circa 0,75 volt per almeno 14 ore — sufficiente per accendere piccoli LED o alimentare microsensori. Una possibilità di impiego futuro potrebbe essere il trattamento delle acque reflue con alimentazione autonoma.
«Possiamo inserire questa biobatteria in un tubo di scarico, poiché può integrarsi facilmente con l’ambiente circostante», ha affermato Choi. «Può utilizzare i rifiuti presenti nell’acqua come nutrienti e generare energia, e può adattarsi perfettamente alla forma e alle dimensioni della tubatura».
In qualità di ingegnere elettrico, Zhang ha ammesso di non avere una grande familiarità con il sistema digestivo umano prima di questa ricerca, ma lei e Choi hanno approfondito molto l’argomento prima di decidere di progettare e costruire una biobatteria ispirata ai villi.
«Ora so com’è fatta la struttura e come agiscono i batteri nell’intestino», ha affermato. «Ho anche studiato molto di più la struttura esatta dei villi e il funzionamento dei diversi strati cellulari, in modo da poterli integrare nel nostro lavoro».
Il team di Binghamton intende migliorare il processo di produzione delle biobatterie ispirate ai villi sviluppando un metodo di stampa scalabile in un unico passaggio. I ricercatori vorrebbero inoltre avvicinarsi maggiormente al funzionamento del nostro organismo, in cui i batteri presenti nel tratto digestivo rimangono per lo più vicino alla superficie, all’interno di uno strato mucoso che riveste i villi.
“In questo lavoro abbiamo cercato di imitare l’aspetto architettonico”, ha affermato Choi. “Dobbiamo riprodurne l’effettiva composizione fisiologica e chimica per comprendere appieno come quelle cellule batteriche riescano a mantenere la loro vitalità.”
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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