Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Biokompatibel grafentransistorarray læser cellulære signaler

Denne kombination af optisk mikroskopi og fluorescensbilleddannelse viser et lag af biologiske celler, der dækker et grafenbaseret transistorarray. Den eksperimentelle enhed, skabt af forskere fra Technische Universitaet Muenchen og Juelich Research Center, er den første af sin slags, der har vist sig i stand til at optage signaler genereret af levende celler, med god rumlig og tidsmæssig opløsning. Med denne demonstration, forskerne har åbnet vejen for yderligere undersøgelse af gennemførligheden af ​​at bruge grafenbaseret bioelektronik til potentielle fremtidige anvendelser såsom neuroprotetiske implantater i hjernen, øjet, eller øret. Kredit:Copyright TU Muenchen

Forskere har påvist, for første gang, et grafenbaseret transistorarray, der er kompatibelt med levende biologiske celler og i stand til at optage de elektriske signaler, de genererer. Denne proof-of-concept platform åbner vejen for yderligere undersøgelse af et lovende nyt materiale. Graphene's karakteristiske kombination af egenskaber gør det til en førende udfordrer til fremtidige biomedicinske applikationer, der kræver en direkte grænseflade mellem mikroelektroniske enheder og nerveceller eller andet levende væv. Et hold af forskere fra Technische Universitaet Muenchen og Juelich Research Center offentliggjorde resultaterne i tidsskriftet Avancerede materialer .

I dag, hvis en person har et intimt og afhængigt forhold til en elektronisk enhed, det er højst sandsynligt en smartphone; imidlertid, meget tættere forbindelser kan være i vente i en overskuelig fremtid. For eksempel, "bioelektroniske" applikationer er blevet foreslået, der vil placere sensorer og i nogle tilfælde aktuatorer inde i en persons hjerne, øje, eller øre for at hjælpe med at kompensere for neurale skader. Banebrydende forskning i denne retning blev udført ved hjælp af den modne teknologi af silicium mikroelektronik, men i praksis kan den tilgang være en blindgyde:Både fleksible substrater og vandige biologiske miljøer udgør alvorlige problemer for siliciumenheder; ud over, de kan være for "støjende" til pålidelig kommunikation med individuelle nerveceller.

Af de mange materialesystemer, der undersøges som alternativer, grafen – i det væsentlige et todimensionelt ark af kulstofatomer forbundet i et tæt bikagemønster – virker meget velegnet til bioelektroniske applikationer:Det tilbyder enestående elektronisk ydeevne, er kemisk stabil og biologisk inert, kan let behandles på fleksible underlag, og burde egne sig til storstilet, lavpris fremstilling. De seneste resultater fra TUM-Juelich-teamet bekræfter nøglepræstationskarakteristika og åbner vejen for yderligere fremskridt i retning af at bestemme gennemførligheden af ​​grafen-baseret bioelektronik.

Den eksperimentelle opsætning rapporteret i Avancerede materialer begyndte med en række af 16 grafenopløsningsstyrede felteffekttransistorer (G-SGFET'er) fremstillet på kobberfolie ved kemisk dampaflejring og standard fotolitografiske og ætsningsprocesser. "Sansemekanismen for disse enheder er ret enkel, " siger Dr. Jose Antonio Garrido, medlem af Walter Schottky Institute på TUM. "Variationer af det elektriske og kemiske miljø i nærheden af ​​FET-gateområdet vil blive konverteret til en variation af transistorstrømmen."

Direkte oven på dette array, forskerne dyrkede et lag af biologiske celler, der ligner hjertemusklen. Ikke kun var "aktionspotentialerne" af individuelle celler detekterbare over transistorernes iboende elektriske støj, men disse cellulære signaler kunne optages med høj rumlig og tidsmæssig opløsning. For eksempel, en række spidser adskilt af titusinder af millisekunder bevægede sig hen over transistorarrayet på præcis den måde, aktionspotentialer kunne forventes at forplante sig over cellelaget. Også, når cellelaget blev udsat for en højere koncentration af stresshormonet noradrenalin, en tilsvarende stigning i frekvensen af ​​spidser blev registreret. Separate eksperimenter for at bestemme det iboende støjniveau for G-SFET'erne viste, at det var sammenligneligt med siliciumenheder med ultralav støj, som Garrido påpeger er resultatet af årtiers teknologisk udvikling.

"Meget af vores igangværende forskning er fokuseret på yderligere at forbedre støjydelsen af ​​grafenenheder, " siger Garrido, "og om at optimere overførslen af ​​denne teknologi til fleksible substrater som parylen og kapton, som begge i øjeblikket anvendes til in vivo implantater. Vi arbejder også på at forbedre den rumlige opløsning af vores optageenheder." I mellemtiden, de arbejder sammen med forskere ved det Paris-baserede Vision Institute for at undersøge biokompatibiliteten af ​​grafenlag i kulturer af retinale neuronceller, såvel som inden for et bredere europæisk projekt kaldet NEUROCARE, som har til formål at udvikle hjerneimplantater baseret på fleksible nanocarbon-enheder.


Varme artikler