As novas biobaterias são inspiradas no seu intestino delgado
Equipa da Universidade de Binghamton demonstra como as águas residuais podem alimentar células de combustível bacterianas
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Ao tentarem conceber um melhor design para uma biobateria alimentada por bactérias, os investigadores da Universidade de Binghamton encontraram inspiração na natureza — mais concretamente, no interior do nosso intestino delgado.
A equipa da Universidade de Binghamton fabricou biobaterias inspiradas nas vilosidades, em vários tamanhos, para verificar quais proporcionavam a melhor produção de energia elétrica.
Ruohan Zhang, Botian Wang, Seokheun Choi, "Intestinal Villi-Inspired Living Biobatteries via Habitat-Engineered Conductive Hydrogel Architectures"
Protuberâncias semelhantes a dedos, chamadas vilosidades, revestem o trato digestivo e estão cobertas de microrganismos que nos ajudam a digerir os alimentos. A sua forma e comportamento revelam-se também ideais para gerar bioenergia utilizando bactérias formadoras de esporos.
O professor Seokheun «Sean» Choi e os doutorandos Ruohan «Astrid» Zhang e Botian Wang, do Departamento de Engenharia Elétrica e Informática da Faculdade de Engenharia e Ciências Aplicadas Thomas J. Watson, publicaram recentemente as suas descobertas na revista «Small».
A investigação anterior de Choi explorou uma variedade de configurações de biobaterias com papel, tecido, metal e polímeros, e ele está a tentar integrá-las em circuitos impressos em 3D. Chegou mesmo a criar uma biobateria ingerível que permanece inerte até ser ativada no intestino delgado.
Como pioneiro da «papertrónica», Choi está particularmente interessado na utilização do papel como suporte. Uma limitação que descobriu em quase todos os materiais que experimentou: as configurações bidimensionais não oferecem área de superfície suficiente para que a bactéria Bacillus subtilis, formadora de esporos, prospere. A natureza porosa do papel oferece possibilidades tridimensionais limitadas, mas pode levar a problemas de desempenho.
«As estruturas porosas podem ficar facilmente obstruídas pela formação de biofilme, pelo que tivemos muitos problemas com o fornecimento de nutrientes, a acumulação de resíduos ou o crescimento irregular do biofilme», afirmou Choi, que lidera o Laboratório de Bioeletrónica e Microssistemas. «O que precisamos é de um bioeletrodo que imite o tecido vivo, de modo a proporcionar uma grande área de superfície e uma distância de difusão curta, um transporte de massa eficiente e, ao mesmo tempo, que seja mecanicamente flexível, elástico e escalável.»
Para esta investigação mais recente, a equipa de Binghamton fabricou as estruturas inspiradas nas vilosidades a partir de um hidrogel polimérico inativo, mas flexível, comumente utilizado em aplicações biomédicas. Semearam bactérias inativas por toda a extensão das vilosidades, que atuam como o ânodo da biobateria. Para gerar pequenas quantidades de eletricidade, as vilosidades estão separadas de um cátodo de tecido de carbono modificado por uma membrana de troca iônica.
Com um fornecimento constante de meio nutritivo, o dispositivo de vilosidades manteve uma produção estável de cerca de 0,75 volts durante pelo menos 14 horas — o suficiente para acender pequenos LEDs ou alimentar microsensores. Uma possibilidade de utilização futura seria o tratamento de águas residuais com alimentação autónoma.
«Podemos colocar esta biobateria num cano de esgoto, porque se integra facilmente no ambiente circundante», afirmou Choi. «Pode utilizar os resíduos presentes na água como nutrientes e gerar energia, e adapta-se perfeitamente à forma e ao tamanho da conduta.»
Como engenheira elétrica, Zhang admitiu que não estava muito familiarizada com o sistema digestivo humano antes desta investigação, mas ela e Choi leram bastante antes de decidirem conceber e construir uma biobateria inspirada nas vilosidades.
«Agora sei como é a estrutura e como funcionam as bactérias no intestino», afirmou ela. «Também estudei muito mais sobre a estrutura exata das vilosidades e como funcionam as diferentes camadas de células, para poder integrá-las no nosso trabalho.»
A equipa de Binghamton pretende melhorar o processo de fabrico das biobaterias inspiradas nas vilosidades, desenvolvendo um método de impressão escalável e de etapa única. Os investigadores também gostariam de se aproximar mais do funcionamento do nosso corpo, em que as bactérias no nosso trato digestivo permanecem principalmente perto da superfície, numa camada mucosa que reveste as vilosidades.
«Neste trabalho, tentámos imitar a parte arquitetónica», afirmou Choi. «Precisamos de imitar a sua composição fisiológica e química real para compreender verdadeiramente como essas células bacterianas conseguem manter a sua viabilidade.»
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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