Ny analyse finder vej til sikkert at lede varme fra grafen til biologiske væv

I fremtiden, vores helbred kan overvåges og vedligeholdes af små sensorer og medicindispensere, indsat i kroppen og lavet af grafen - en af ​​de stærkeste, letteste materialer i verden. Grafen er sammensat af et enkelt ark af kulstofatomer, knyttet sammen som knivtyndt kyllingetråd, og dens egenskaber kan indstilles på utallige måder, gør det til et alsidigt materiale til små, næste generations implantater.

Men grafen er utrolig stift, hvorimod biologisk væv er blødt. På grund af dette, enhver kraft, der anvendes til at betjene et grafenimplantat, kan brat varme op og stege omgivende celler.

Nu, ingeniører fra MIT og Tsinghua University i Beijing har præcist simuleret, hvordan elektrisk strøm kan generere varme mellem et enkelt lag grafen og en simpel cellemembran. Mens direkte kontakt mellem de to lag uundgåeligt overophedes og dræber cellen, forskerne fandt ud af, at de kunne forhindre denne effekt med en meget tynd, mellem lag vand.

Ved at justere tykkelsen af ​​dette mellemliggende vandlag, forskerne kunne nøje kontrollere mængden af ​​varme, der overføres mellem grafen og biologisk væv. De identificerede også den kritiske kraft til at anvende på grafenlaget, uden at stege cellemembranen. Resultaterne offentliggøres i dag i tidsskriftet Naturkommunikation .

Medforfatter Zhao Qin, en forsker i MIT's Department of Civil and Environmental Engineering (CEE), siger, at holdets simuleringer kan hjælpe med at guide udviklingen af ​​grafenimplantater og deres optimale strømkrav.

"Vi har givet en masse indsigt, som hvad er den kritiske kraft, vi kan acceptere, som ikke vil stege cellen, " siger Qin. "Men nogle gange vil vi måske med vilje øge temperaturen, fordi for nogle biomedicinske anvendelser, vi ønsker at dræbe celler som kræftceller. Dette arbejde kan også bruges som vejledning [for disse bestræbelser.]"

Qins medforfattere inkluderer Markus Buehler, leder af CEE og McAfee professor i ingeniørvidenskab, sammen med Yanlei Wang og Zhiping Xu fra Tsinghua University.

Sandwich model

Typisk, varme bevæger sig mellem to materialer via vibrationer i hvert materiales atomer. Disse atomer vibrerer altid, ved frekvenser, der afhænger af deres materialers egenskaber. Når en overflade opvarmes, dens atomer vibrerer endnu mere, forårsager kollisioner med andre atomer og overfører varme i processen.

Forskerne forsøgte præcist at karakterisere den måde, varme bevæger sig på, på niveau med individuelle atomer, mellem grafen og biologisk væv. At gøre dette, de betragtede den enkleste grænseflade, bestående af en lille, 500 nanometer kvadratisk ark grafen og en simpel cellemembran, adskilt af et tyndt lag vand.

"I kroppen, vand er overalt, og den ydre overflade af membraner vil altid gerne interagere med vand, så du kan ikke helt fjerne det, " siger Qin. "Så vi fandt på en sandwichmodel til grafen, vand, og membran, det er et krystalklart system til at se den termiske ledningsevne mellem disse to materialer."

Qins kolleger på Tsinghua University havde tidligere udviklet en model til præcist at simulere interaktionerne mellem atomer i grafen og vand, ved hjælp af tæthedsfunktionel teori - en beregningsmodelleringsteknik, der tager højde for strukturen af ​​et atoms elektroner ved at bestemme, hvordan det atom vil interagere med andre atomer.

Imidlertid, at anvende denne modelleringsteknik på gruppens sandwichmodel, som omfattede omkring en halv million atomer, ville have krævet en utrolig mængde regnekraft. I stedet, Qin og hans kolleger brugte klassisk molekylær dynamik - en matematisk teknik baseret på en "kraftfelt" potentiel funktion, eller en forenklet version af interaktionerne mellem atomer - der gjorde dem i stand til effektivt at beregne interaktioner inden for større atomsystemer.

Forskerne byggede derefter en sandwichmodel på atomniveau af grafen, vand, og en cellemembran, baseret på gruppens forenklede kraftfelt. De udførte simuleringer af molekylær dynamik, hvor de ændrede mængden af ​​kraft, der blev tilført til grafen, samt tykkelsen af ​​det mellemliggende vandlag, og observerede mængden af ​​varme, der blev overført fra grafen til cellemembranen.

Vandagtige krystaller

Fordi stivheden af ​​grafen og biologisk væv er så forskellig, Qin og hans kolleger forventede, at varme ville lede ret dårligt mellem de to materialer, opbygges stejlt i grafenet, før cellemembranen oversvømmes og overophedes. Imidlertid, det mellemliggende vandlag hjalp med at sprede denne varme, lette dens ledning og forhindre en temperaturstigning i cellemembranen.

Ser vi nærmere på interaktionerne i denne grænseflade, forskerne gjorde en overraskende opdagelse:Inden for sandwichmodellen, vandet, presset mod grafen's hønsetrådsmønster, omdannet til en lignende krystallignende struktur.

"Graphens gitter fungerer som en skabelon til at guide vandet til at danne netværksstrukturer, " Qin forklarer. "Vandet virker mere som et fast materiale og gør stivhedsovergangen fra grafen og membran mindre brat. Vi tror, ​​at dette hjælper varme til at lede fra grafen til membransiden."

Gruppen varierede tykkelsen af ​​det mellemliggende vandlag i simuleringer, og fandt ud af, at et 1 nanometer bredt lag vand var med til at sprede varmen meget effektivt. Med hensyn til den effekt, der påføres systemet, de beregnede, at omkring en megawatt strøm pr. kvadratmetre, påført i bittesmå, mikrosekund bursts, var den mest kraft, der kunne påføres grænsefladen uden at overophede cellemembranen.

Qin siger fremover, implantatdesignere kan bruge gruppens model og simuleringer til at bestemme de kritiske strømkrav til grafenenheder af forskellige dimensioner. Med hensyn til hvordan de praktisk kan kontrollere tykkelsen af ​​det mellemliggende vandlag, han siger, at grafens overflade kan modificeres for at tiltrække et bestemt antal vandmolekyler.

"Jeg tror, ​​at grafen er en meget lovende kandidat til implanterbare enheder, " siger Qin. "Vores beregninger kan give viden til at designe disse enheder i fremtiden, til specifikke applikationer, som sensorer, monitorer, og andre biomedicinske applikationer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.