Flinterdun netwerk haalt stroom uit kloppende menselijke hartcellen
Onderzoekers in de VS lieten kloppend menselijk hartweefsel groeien rond een flinterdun netwerk dat bij elke hartslag een beetje stroom opwekt. Het werk is nu nog in het lab gedaan. Het doel: implantaten zoals pacemakers die geen batterij meer nodig hebben.
Pacemakers en hersenstimulatoren werken op een batterij die in het lichaam zit. Is die leeg, dan is een nieuwe operatie nodig om hem te vervangen. Een kleinere batterij helpt maar deels, want die bevat ook minder energie.
Onderzoekers van de University of Massachusetts Amherst en de University of Connecticut zoeken daarom een andere stroombron: het lichaam zelf. Ze bouwden een flinterdun, buigzaam netwerk waar menselijke hartcellen in en omheen groeien. Elke keer dat de cellen samentrekken, wekt het netwerk een klein stroompje op. Promovendus Siqi Wang leidde het onderzoek, met universitair hoofddocent Jun Yao als eindverantwoordelijke. Het verscheen begin oktober in het vakblad Science Advances.
Stroom uit beweging
Het netwerk is ongeveer 7 bij 8 millimeter, kleiner dan een vingernagel. Er zitten 64 smalle strookjes in van een keramisch materiaal dat elektrische spanning geeft als je het buigt of uitrekt. Dat heet piëzo-elektrisch: hetzelfde principe zit in de klikker van een gasaansteker. Telkens vier strookjes samen vormen één kleine generator. Een dun laagje plastic schermt de strookjes af van het natte weefsel eromheen. Ongeveer 78 procent van het netwerk is open ruimte, zodat cellen er goed doorheen kunnen groeien.
Het team maakte uit menselijke stamcellen hartspiercellen en bracht die aan op het netwerk. Binnen een paar dagen groeiden de cellen uit tot een aaneengesloten laagje dat vanzelf begon te kloppen, ongeveer eens per twee tot drie seconden. Bij elke samentrekking zagen de onderzoekers een bijpassend stroompje. Ze controleerden dat dit echt uit de beweging kwam, en niet uit de eigen elektrische signalen van de cellen of uit de vloeistof eromheen. Omdat elk stroompje precies bij een hartslag hoort, kan het netwerk volgens de onderzoekers ook dienen als sensor die de hartslag bijhoudt, zonder eigen batterij.
Nieuw is dat de stroom op veel plekken tegelijk wordt opgewekt, net zoals in je lichaam elke cel zijn eigen energie maakt. Bestaande stroomoogsters zitten in een lapje dat op een orgaan wordt vastgenaaid, of in een apart omhulsel. Dat omhulsel neemt ruimte in zonder zelf stroom te maken. Volgens de onderzoekers haalt hun netwerk daardoor per formaat meer dan tien keer zoveel energie op.
Van eerste meting naar betere versie
De eerste versie gaf ongeveer 9 millivolt per hartslag per generator. Het kloppende weefsel bleek de strookjes zo'n honderd keer minder te vervormen dan de testopstelling. Met een dikkere laag van het keramiek en een dikkere coating rond de strookjes steeg de geschatte opbrengst naar 450 tot 750 millivolt per slag. De energie per hartslag is nog heel klein: ongeveer 7 biljoenste joule.
Het onderzoek is nu nog gedaan met een dun laagje gekweekt weefsel in een schaaltje. De volgende stappen zijn testen in een levend lichaam en er echt een apparaat mee van stroom voorzien. Ook moet vervolgonderzoek laten zien hoe lang het netwerk meegaat. Het keramiek bevat lood en moet dus goed afgeschermd blijven. De plastic laag hield in het lab meer dan twee maanden stand, en de cellen op het netwerk bleven in leven.
De verbeterde versie bleef nog wat achter bij de berekeningen van het team, waarschijnlijk omdat het dunne laagje cellen de strookjes niet stevig genoeg vasthield. Dikker weefsel en meerdere netwerken op elkaar gestapeld moeten meer stroom opleveren. Volgens Yao stoot het lichaam apparaten met een grote batterij liever af, terwijl een apparaat ter grootte van cellen veel beter wordt verdragen.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Dit onderzoek brengt mens en machine een stukje dichter bij elkaar. Een implantaat dat zijn stroom uit het eigen lichaam haalt en meegroeit met levend weefsel, heeft geen grote, stijve batterij meer nodig en hoeft niet steeds vervangen te worden. Dat maakt het makkelijker om elektronica blijvend in het lichaam te dragen, van pacemakers tot toekomstige koppelingen tussen zenuwen en computers. Samen met steeds zuinigere hersenimplantaten komt zo een implantaat dichterbij dat jarenlang meegaat zonder operatie. De opbrengst moet nog flink omhoog, en daarvoor hebben de onderzoekers al een plan: lagen stapelen en dikker weefsel gebruiken.
