Dispositivo de electrodos, dispositivo generador y procedimiento para la generación de corriente mediante derivación de potencial de membrana.

Dispositivo de electrodos (100), el cual está configurado para la derivación de potencial de membrana encélulas (1) con envolturas de membrana (2) comprendiendo:

a) un alojamiento de células (10) configurado para la fijación de las células, y

b) un soporte de electrodos (20), el cual presenta al menos dos electrodos (21) con una primerapolaridad,

c) estando configurados los electrodos (21) como resaltes que sobresalen de una superficie delsoporte de electrodos (20), y estando aislados de manera eléctrica relativamente respecto ala superficie del soporte de electrodos (20), y

d) estando dispuestos los electrodos (21) de tal manera que cuando el alojamiento de células(10) está provisto de células (1), los electrodos (21) están posicionados en las células (1),caracterizado porque

los electrodos (21) y el al menos un contraelectrodo (22) están configurados para su unión a un circuito deutilización (40) y/o a un dispositivo acumulador (50).

Dispositivo de electrodos, dispositivo generador y procedimiento para la generacion de corriente mediante derivacion de potencial de membrana La invencion se refiere a u n dispositivo de electrodos, el cual esta configurado para la derivacion de un potencial de membrana en al menos una celula envuelta por una membrana, en particular en una pluralidad de celulas. La invencion se refiere ademas a un dispositivo generador, el cual esta equipado con el dispositivo de electrodos y configurado para la generacion de corriente mediante derivacion de un potencial de membrana. Por ultimo, la invencion se refiere tambien a un procedimiento para la generacion de corriente mediante derivacion de un potencial de membrana en al menos una celula biologica o sintetica. La invencion se aplica en la generacion de corriente electrica para el funcionamiento de un aparato electrico y/o para la carga de un acumulador.

El suministro de energia electrica representa uno de los mayores retos del desarrollo tecnico actual. En el caso del desarrollo de generadores de corriente es de especial interes sustituir la conversion de energia convencional a partir de combustibles fosiles por fuentes de energia sostenibles y renovables. Entre las fuentes de e nergia renovables se encuentran tambien, ademas de las fuentes de energia basadas, por ejemplo, en la fuerza hidraulica o eolica, la energia solar o la energia geotermica, las fuentes de energia basadas en materiales biologicos.

El concepto principal para la conversion de energia mediante la utilizacion de materiales biologicos se basa en la generacion y la combustion de biogas (principalmente metano) o de hidrogeno (vease J. Niessen et. al. en "Letters in Applied Microbiology", tomo 41, 2005, pags. 286-290) . La conversion de energia a partir de biogas resulta desventajosa debido al dioxido de carbono generado durante la combustion y debido a la produccion de subproductos, tales como amoniaco y acido sulfhidrico, los cu ales requieren etapas de limpieza costosas. 0 tros conceptos se b asan en las llamadas celulas de biocombustible, las cuales funcionan sobre la base de la descomposicion enzimatica de macromoleculas, tales como, por ejemplo, el azucar (vease R. F. Service en "Science", tomo 296, 2002, pag. 1223) . Estos conceptos tampoco han encontrado una aplicacion rutinaria, ya que el rendimiento energetico, la estabilidad limitada de la conversion de energia y los altos costes han resultado ser desventajosos.

Por la biologia celular es conocido generalmente que las celulas biologicas eucariotas crean un potencial de membrana a traves de la membrana celular. Las membranas celulares contienen partes de membrana disenadas para un transporte de iones. Estas partes de membrana, que comprenden bombas de iones y canales de iones, se identifican de manera resumida a continuacion como bombas de iones. El transporte de iones genera a traves de la membrana celular un gradiente electroquimico, el cual crea el potencial de membrana. El potencial de membrana se puede medir con procedimientos electrofisiologicos (vease, por ejemplo, E. Neher en "Science", tomo 256, 1992, pags. 498-502; W. Baumgartner et. al. en "Biophysical Journal", tomo 77, 1999, pags. 1980-1991; patente DE 101 08 968 A1; o patente DE 198 27 957 A1) .

La medicion electrofisiologica convencional del potencial de membrana esta representada esquematicamente en la figura 8. Una celula biologica 1' se mantiene sujeta mediante una pipeta 10' en un medio de cultivo 3'. Un anodo 22' esta sumergido en el medio de cultivo 3' y un catodo 21' sobresale, de manera aislada, del medio de cultivo 3' hacia el interior de la celula 1'. El anodo 22' y el catodo 21' estan unidos a un amplificador 30', con el cual se amplifican y se preparan para el procesamiento ulterior las senales electricas que representan el potencial de membrana derivado. La pipeta 10' crea un alojamiento de celulas, el cual puede estar sustituido por un sustrato en el medio de cultivo 3', sobre el cual esta dispuesta la celula 1', como es conocido, por ejemplo, en la practica para la medicion en celulas adherentes.

La aplicacion del dispositivo de medicion convencional segun la figura 8 esta limitada a la medicion del potencial de membrana en celulas individuales. Dado que como catodo 21' se utilizan hasta el momento electrodos de vidrio o capilares de vidrio, llenos de metal, con diametros de punta superiores a 100 nm, se originan problemas debido a una pequena tolerancia de la celula 1' respecto al catodo 21' y una limitacion a resistencias de medicion altas. Asi, por ejemplo, los electrodos con diametros superiores a 10 !m pueden ser tolerados por la celula solo durante algunas horas. La resistencia de medicion se encuentra en el orden de magnitud de 100 Mn, lo cual limita las corrientes derivadas a cargas minimas.

Una medicion electrofisiologica del potencial de membrana con varios electrodos se describe en la patente DE 10 2005 030 859 A1. Una placa aislante se utiliza como soporte de una o varias celulas. Los electrodos con superficies conductoras de electricidad sobresalen a traves de la placa hacia el interior de al menos una celula. Resulta desventajoso que una elevada resistencia electrica de sellado se tenga que realizar mediante el contacto mecanico entre la al menos una celula y la placa. Esto da como resultado grandes distancias minimas de los electrodos y amplitudes de senal limitadas.

El objetivo de la invencion es proporcionar un dispositivo de electrodos mejorado, el cual es adecuado para la derivacion de potencial de membrana en celulas envueltas por una membrana y permite eliminar las desventajas de las tecnicas convencionales. La invencion presenta tambien el objetivo de proporcionar un dispositivo generador mejorado para la generacion de corriente electrica mediante la utilizacion de materiales biologicos, el cual elimina las limitaciones de los dispositivos generadores convencionales y se caracteriza en particular por una vida util elevada, una estabilidad operativa mejorada y costes reducidos. La invencion presenta tambien el objetivo de proporcionar un procedimiento

mejorado para la conversion de energia mediante el uso de materiales biologicos, en particular para la generacion de corriente, con el cual se evitan las desventajas de fuentes de energia renovables convencionales sobre la base de materiales biologicos.

Estos objetivos se consiguen mediante un dispositivo de electrodos, un dispositivo generador o mediante un procedimiento con las c aracteristicas d e l as reivi ndicaciones independientes. Ap licaciones y mo dos de rea lizacion ventajosos se desprenden de las reivindicaciones dependientes.

Segun u n primer asp ecto de l a i nvencion, el objetivo anteri or s e c onsigue med iante un dispositivo d e electrodos, el cual esta conf igurado para l a der ivacion de pote ncial d e membra na e n cel ulas envueltas por u na membrana y presenta un alojamiento de celulas para la fijacion adherente de las celulas y un soporte de electrodos con al menos dos electrodos de una primera polaridad, los cuales estan creados como resaltos sobre una superficie del soporte de el ectrodos y est an ais lados de maner a el ectrica relativ amente resp ecto a la su perficie de l sop orte d e electrodos. El soporte de electrodos esta creado segun la invencion de tal manera que cuando el alojamiento de celulas soporta las celulas, los electrodos penetran simultaneamente en las celulas.

Segun un segundo aspecto de la invencion, el objetivo se consigue mediante un dispositivo generador, el cual esta configurado para la generacion de corriente electrica mediante la derivacion de un potencial de membrana en celulas y presenta un dispositivo de electrodos segun el primer aspecto mencionado arriba, estando dispuesta sobre la superficie del alojamiento de celulas al menos una celula, preferiblemente una pluralidad de celulas.

Segun un tercer aspecto, el objetivo se consigue con un procedimiento para la generacion de corriente electrica mediante la derivacion de un potencial de membrana en celulas dispuestas en un estado adherente en el alojamiento de celulas d el dispositivo de electrodos s egun el primer aspecto a nteriormente me ncionado, deriv andose la corr iente electrica con los electrodos y el al menos un contraelectrodo, el cual esta en contacto electrico directo con las celulas o esta en contacto electrico indirecto, por ejemplo, mediante un medio conductor.

Mediante el soporte de electrodos con al menos dos electrodos se realiza ventajosamente una disposicion de electrodos, la cual presenta una estabilidad elevada de los electrodos y una construccion simplificada en comparacion con las tecnicas convencionales. En particular es posible la creacion de electrodos con un diametro de electrodo reducido en comparacion con las tecnicas convencionales, lo cual mejora la tolerancia... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de electrodos (100) , el cual esta configurado para la derivacion depotencial de membrana en celulas (1) con envolturas de membrana (2) comprendiendo:

a) un alojamiento de celulas (10) configurado para la fijacion de las celulas, y

b) un soporte de electrodos (20) , el cual presenta al menos dos electrodos (21) con una primera polaridad,

c) estando configurados los electrodos (21) como resaltes que sobresalen de una superficie del soporte de electrodos (20) , y estando aislados de manera electrica relativamente respecto a la superficie del soporte de electrodos (20) , y

d) estando dispuestos los electrodos (21) de tal manera que cuando el alojamiento de celulas (10) esta provisto de celulas (1) , los electrodos (21) estan posicionados en las celulas (1) ,

caracterizado porque los electrodos (21) yel al menos un contraelectrodo (22) estan configurados para su union a un circuito de utilizacion (40) y/o a un dispositivo acumulador (50) .

2. Dispositivo de electrodos segun la reivindicacion 1, en el cual

- los electrodos (21) estan creados como resaltes, aislados de manera electrica relativamente respecto a la superficie del alojamiento de celulas (10) , y/o

- cada uno de los electrodos (21) presenta un revestimiento aislante (26) , el cual envuelve el electrodo (21) , se extiende en direccion longitudinal del electrodo (21) y deja libre un extremo del electrodo (21) .

3. Dispositivo de electrodos segun una de las reivindicaciones anteriores, el cual comprende:

- al menos un contraelectrodo (22) de una segunda polaridad opuesta, el cual esta dispuesto sobre la superficie del soporte de electrodos (20) y/o en un soporte de contraelectrodos (30) , el cual presenta una distancia del soporte de los electrodos (20) .

4. Dispositivo de electrodos segun una de las reivindicaciones anteriores, en el cual

- el soporte de electrodos (20) presenta una construccion multicapas con una capa de electrodos (23) , una c apa aislante (2 4) y una ca pa d e c ontraelectrodos (25) , sobres aliendo los electrodos ( 21) , aislados electricamente, de la capa de electrodos (23) a traves de la capa aislante (24) y la capa de contraelectrodos (25) por encima de la superficie de la capa de contraelectrodos (25) ,

- los electrodos presentan un recubrimiento que activa la endocitosis, y/o

- el al menos un contraelectrodo soporta un recubrimiento que aumenta la adhesion y/o aumenta la conductividad.

5. Dispositivo de electrodos segun una delas reivindicaciones anteriores, en el cual los electrodos comprenden microelectrodos,

- cuyo diametro es menor que 10 !m,

- cuya punta presenta una distancia del soporte de electrodos (20) de al menos 10 nm, y/o

- los cuales estan constituidos a partir de carbono, un metal inerte o un semiconductor dopado.

6. Dispositivo de electrodos segun una de las reivindicaciones anteriores, en el cual

- estan previstos al menos diez, en particular al menos cien electrodos (21) unidos electricamente entre si.

7. Dispositivo de electrodos segun una de las reivindicaciones anteriores, estando constituido el alojamiento de celulas (10) por el soporte de electrodos (20) o el soporte de contraelectrodos (30) .

8. Dispositivo generador ( 200) , el c ual esta configurado para l a g eneracion de c orriente e lectrica mediante derivacion de potencial de membrana en celulas (1) con una envoltura de membrana (2) , comprendiendo:

a) un dispositivo de electrodos (100) segun una de las reivindicaciones anteriores, y b) las celulas (1) dispuestas en el alojamiento de celulas (10) del dispositivo de electrodos

(100) .

9. Dispositivo generador segun la reivindicacion 8, en el cual

- las celulas (1) comprenden celulas biologicas o vesiculas sinteticas.

10. Dispositivo generador segun una de las reivindicaciones 8 o 9, en el cual 5 -las celulas (1) en el alojamiento de celulas (10) conforman una capa celular cerrada, y/o

- las celulas (1) contienen al menos una sustancia de enlace ionico.

11. Dispositivo generador segun una de las reivindicaciones 8 a 10, comprendiendo:

- un dispositivo de cultivo, el cual esta configurado para alimentar un medio con contenido de iones a las celulas (1) ,

- un circuito de utilizacion (40) , al cual esta unido el dispositivo de electrodos (100) , y/o

-un dispositivo acumulador (50) , al cual esta unido el dispositivo de electrodos (100) .

12. Procedimiento para la generacion de corriente electrica mediante derivacion de un potencial de membrana en celulas (1) con envolturas de membrana (2) , comprendiendo las etapas:

a) preparacion de un dispositivo generador (200) segun una de las reivindicaciones 8 a 11, y 15 b) derivacion de una corriente electrica desde el dispositivo de electrodos (100) .

13. Procedimiento segun la reivindicacion 12, comprendiendo la etapa:

- alimentacion de un medio con contenido de iones hacia las celulas (1) , y/o

- cultivo de las celulas (1) en el alojamiento de celulas (10) .

14. Procedimiento segun la reivindicacion 12 o 13, en el cual

-las celulas (1) comprenden celulas biologicas o vesiculas sinteticas, las cuales entran en contacto independientemente con los electrodos por autointegracion.

15. Utilizacion de un d ispositivo de e lectrodos (100) o d e un d ispositivo gen erador (2 00) se gun un a de las reivindicaciones 1 a 7 para la generacion de corriente electrica para un circuito de utilizacion (40) y/o un dispositivo acumulador (50) .

DOCUMENTOS INDICADOS EN LA DESCRIPCIÓN

En la lista de documentos indicados por el solicitante se ha recogido exclusivamente para informacion del lector, y no es parte constituyente del documento de patente europeo. ºa sido recopilada con el may or cuidado; sin embargo, la EPA no asume ninguna responsabilidad por posibles errores u omisiones.

Documentos de patente indicados en la descripción

• DE 10108968 A1 [0004] • DE 102005030859 A1 [0007]

• DE 19827957 A1 [0004] • W0 2007096082 A1 [0062]

Literatura no especificada en la descripción de la patente