Las nuevas biobaterías se inspiran en el intestino delgado
Un equipo de la Universidad de Binghamton demuestra cómo las aguas residuales pueden alimentar pilas de combustible bacterianas
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Al intentar dar con un diseño mejor para una biobatería alimentada por bacterias, los investigadores de la Universidad de Binghamton encontraron inspiración en la naturaleza, concretamente en el interior de nuestro intestino delgado.
El equipo de la Universidad de Binghamton fabricó biobaterías inspiradas en las vellosidades de distintos tamaños para comprobar cuáles ofrecían una producción eléctrica óptima.
Ruohan Zhang, Botian Wang, Seokheun Choi, "Intestinal Villi-Inspired Living Biobatteries via Habitat-Engineered Conductive Hydrogel Architectures"
Unas protuberancias con forma de dedo, llamadas vellosidades, recubren el tracto digestivo y están cubiertas de microorganismos que nos ayudan a digerir los alimentos. Su forma y comportamiento también resultan ideales para generar bioenergía utilizando bacterias formadoras de esporas.
El profesor Seokheun «Sean» Choi y los estudiantes de doctorado Ruohan «Astrid» Zhang y Botian Wang, del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Thomas J. Watson, han publicado recientemente sus hallazgos en la revista Small.
En investigaciones anteriores, Choi ha explorado diversas configuraciones de biobaterías con papel, tejido, metal y polímeros, y está tratando de integrarlas en circuitos impresos en 3D. Incluso ha creado una biobatería ingerible que permanece inactiva hasta que se activa en el intestino delgado.
Como pionero de la «papertrónica», a Choi le interesa especialmente utilizar el papel como soporte. Una limitación que ha descubierto en casi todos los materiales que ha probado es que las configuraciones bidimensionales no ofrecen suficiente superficie para que prospere la bacteria Bacillus subtilis, que forma esporas. La naturaleza porosa del papel ofrece posibilidades tridimensionales limitadas, pero puede dar lugar a problemas de rendimiento.
«Las estructuras porosas pueden obstruirse fácilmente por la formación de biopelículas, por lo que tuvimos muchos problemas con el suministro de nutrientes, la acumulación de residuos o el crecimiento desigual de la biopelícula», explicó Choi, que dirige el Laboratorio de Bioelectrónica y Microsistemas. «Lo que necesitamos es un bioelectrodo que imite el tejido vivo, de modo que ofrezca una gran superficie y una distancia de difusión corta, un transporte de masa eficiente y, al mismo tiempo, sea mecánicamente flexible, elástico y escalable».
Para esta última investigación, el equipo de Binghamton fabricó las estructuras inspiradas en las vellosidades a partir de un hidrogel polimérico inactivo, pero flexible, que se utiliza habitualmente en aplicaciones biomédicas. Sembraron bacterias inactivas por toda la superficie de las vellosidades, que actúan como ánodo de la biobatería. Para generar pequeñas cantidades de electricidad, las vellosidades están separadas de un cátodo de tela de carbono modificada mediante una membrana de intercambio iónico.
Con un suministro constante de medio nutritivo, el dispositivo de vellosidades mantuvo una salida estable de unos 0,75 voltios durante al menos 14 horas, suficiente para encender pequeños LED o alimentar microsensores. Una posibilidad de uso futuro sería el tratamiento de aguas residuales con autoalimentación.
«Podemos colocar esta biobatería en una tubería de desagüe, ya que se integra fácilmente con su entorno», explicó Choi. «Puede utilizar los residuos del agua como nutrientes y generar energía, y se adapta perfectamente a la forma y el tamaño de la tubería».
Como ingeniera eléctrica, Zhang admitió que no estaba muy familiarizada con el sistema digestivo humano antes de esta investigación, pero tanto ella como Choi leyeron mucho antes de decidirse a diseñar y construir una biobatería inspirada en las vellosidades.
«Ahora sé cómo es la estructura y cómo actúan las bacterias en el intestino», afirmó. «También he estudiado mucho más sobre la estructura exacta de las vellosidades y cómo funcionan las diferentes capas de células, para poder integrarlas en nuestro trabajo».
El equipo de Binghamton quiere mejorar el proceso de fabricación de las biobaterías inspiradas en las vellosidades desarrollando un método de impresión escalable en un solo paso. A los investigadores también les gustaría acercarse más al funcionamiento de nuestro organismo, en el que las bacterias de nuestro tracto digestivo permanecen en su mayoría cerca de la superficie, en una capa mucosa que recubre las vellosidades.
«En este trabajo, hemos intentado imitar la estructura arquitectónica», explicó Choi. «Tenemos que imitar su composición fisiológica y química real para comprender verdaderamente cómo esas células bacterianas pueden mantener su viabilidad».
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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