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Neuroni organici artificiali

16.01.2023

I ricercatori dell'Università di Linköping (LiU), in Svezia, hanno creato un neurone organico artificiale che imita da vicino le caratteristiche delle cellule nervose biologiche. Questo neurone artificiale può stimolare i nervi naturali, rendendolo una tecnologia promettente per varie procedure mediche in futuro.

Al LOE Organic Electronics Laboratory, continua il lavoro per sviluppare cellule nervose artificiali sempre più funzionali. Nel 2022, un team di scienziati guidato dall'assistente professore Simona Fabiano ha dimostrato come un neurone organico artificiale può essere integrato in una pianta carnivora vivente per controllare l'apertura e la chiusura della sua bocca. Questa cellula nervosa sintetica corrispondeva a 2 delle 20 caratteristiche che la distinguono da una cellula nervosa biologica.

I ricercatori di LiU hanno sviluppato una nuova cellula nervosa artificiale chiamata neurone elettrochimico organico basato sulla conduzione, o c-OECN, che imita accuratamente 15 dei neuroni. 20 caratteristiche neurali che caratterizzano le cellule nervose biologiche, facendole funzionare in modo molto simile alle cellule nervose naturali.

Una delle sfide principali nella creazione di neuroni artificiali che imitano efficacemente i veri neuroni biologici è la capacità di attivare la modulazione ionica. I tradizionali neuroni artificiali fatti di silicio possono emulare molte funzioni neurali ma non possono comunicare tramite ioni. Al contrario, i c-OECN utilizzano gli ioni per dimostrare diverse caratteristiche chiave dei neuroni biologici reali", afferma Simone Fabiano, ricercatore principale del gruppo di nanoelettronica organica presso LOE.

Nel 2018, un gruppo di ricerca dell'Università di Linköping è stato uno dei primi a sviluppare transistor elettrochimici organici basati su polimeri di piombo di tipo n, che sono materiali in grado di produrre cariche negative. Ciò ha permesso di creare circuiti elettrochimici organici complementari per la stampa. Da allora, il gruppo ha lavorato all'ottimizzazione di questi transistor in modo che possano essere stampati su una macchina da stampa su un sottile foglio di plastica. Di conseguenza, è ora possibile stampare migliaia di transistor su un substrato flessibile e utilizzarli per progettare cellule nervose artificiali.

In un neurone artificiale di nuova concezione, gli ioni vengono utilizzati per controllare il flusso della corrente elettronica attraverso un polimero di piombo di tipo n, provocando picchi di tensione nel dispositivo. Questo processo è simile a quello che accade nelle cellule nervose biologiche. Il materiale unico nella cellula nervosa artificiale consente inoltre alla corrente di aumentare e diminuire in una curva a campana quasi perfetta, che ricorda l'attivazione e l'inattivazione dei canali ionici del sodio presenti in biologia.

In esperimenti condotti in collaborazione con il Karolinska Institute (KI), nuovi neuroni c-OECN sono stati collegati al nervo vago dei topi. I risultati mostrano che il neurone artificiale può stimolare i nervi dei topi, provocando una variazione del 4,5% della frequenza cardiaca.

Il fatto che un neurone artificiale possa stimolare lo stesso nervo vago potrebbe aprire la strada a importanti applicazioni in varie forme di trattamento a lungo termine. In generale, i semiconduttori organici hanno il vantaggio di essere biocompatibili, morbidi e duttili, mentre il nervo vago svolge un ruolo chiave, ad esempio, nel sistema immunitario e nel metabolismo del corpo.

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Batteria per fotosintesi 25.01.2023

Le piante sono spesso considerate fonti di cibo, ossigeno e decorazioni, ma non una fonte di elettricità. Tuttavia, gli scienziati hanno scoperto che utilizzando il trasporto naturale di elettroni nelle cellule vegetali, è possibile produrre elettricità come parte di una cella solare ecologica biologica.

Gli scienziati hanno utilizzato per la prima volta una pianta succulenta per creare una "batteria bio-solare" vivente alimentata dalla fotosintesi.

Gli elettroni vengono trasportati naturalmente come parte dei processi biologici in tutte le cellule viventi, dai microbi e funghi alle piante e agli animali. Attraverso l'introduzione di elettrodi, le celle possono essere utilizzate per generare elettricità che può essere utilizzata all'esterno. La ricerca precedente ha creato celle a combustibile utilizzando batteri, ma hanno bisogno di una fornitura costante di cibo. Questo nuovo approccio utilizza la fotosintesi, il processo mediante il quale le piante convertono l'energia luminosa in energia chimica, per generare elettricità.

Durante questo processo, la luce innesca il flusso di elettroni dall'acqua, che porta alla formazione di ossigeno e zucchero. Ciò significa che le cellule fotosintetiche viventi producono costantemente un flusso di elettroni che possono essere estratti come fotografie e utilizzati per alimentare un circuito esterno, come una cella solare.

Alcune piante, come le piante grasse in ambienti secchi, hanno spesse cuticole che trattengono acqua e sostanze nutritive nelle foglie. Janov Schlosberg, Gadi Schuster e Adir hanno voluto testare per la prima volta se la fotosintesi nelle piante grasse potesse creare energia per celle solari viventi utilizzando la loro acqua interna e le sostanze nutritive come una soluzione elettrolitica della cella elettrochimica.

I ricercatori hanno creato un pannello solare vivente utilizzando la succulenta Corpuscularia lehmannii, nota anche come "pianta del ghiaccio". Hanno inserito un anodo di ferro e un catodo di platino in una delle foglie della pianta e hanno scoperto che la sua tensione era di 0,28 V. Quando collegata a un circuito, produceva una densità di fotocorrente fino a 20 μA/cm 2 sotto l'azione della luce e poteva continuare a produrre corrente per più di un giorno. Sebbene questi numeri siano inferiori a quelli di una batteria alcalina tradizionale, mostrano solo un'aletta.

Precedenti ricerche su dispositivi organici simili suggeriscono che il collegamento a margherita di più volantini può aumentare la tensione. Il team ha progettato specificamente la cella solare vivente in modo che i protoni nella soluzione fogliare interna potessero combinarsi per formare idrogeno gassoso al catodo e che l'idrogeno potesse essere raccolto e utilizzato per altri scopi.

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