Onderzoekers hebben aangetoond, Voor de eerste keer, een op grafeen gebaseerde transistorarray die compatibel is met levende biologische cellen en in staat is om de elektrische signalen die ze genereren op te nemen. Dit proof-of-concept platform opent de weg voor verder onderzoek naar een veelbelovend nieuw materiaal. De onderscheidende combinatie van eigenschappen van Graphene maakt het een toonaangevende concurrent voor toekomstige biomedische toepassingen die een directe interface tussen micro-elektronische apparaten en zenuwcellen of ander levend weefsel vereisen. Een team van wetenschappers van de Technische Universitaet Muenchen en het Juelich Research Center publiceerde de resultaten in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Vandaag, als een persoon een intieme en afhankelijke relatie heeft met een elektronisch apparaat, het is hoogstwaarschijnlijk een smartphone; echter, in de nabije toekomst kunnen veel nauwere verbindingen in het verschiet liggen. Bijvoorbeeld, Er zijn "bio-elektronische" toepassingen voorgesteld die sensoren en in sommige gevallen actuatoren in de hersenen van een persoon zouden plaatsen, oog, of oor om neurale schade te helpen compenseren. Baanbrekend onderzoek in deze richting werd gedaan met behulp van de volwassen technologie van siliciummicro-elektronica, maar in de praktijk kan die benadering een doodlopende weg zijn:zowel flexibele substraten als waterige biologische omgevingen vormen ernstige problemen voor siliciumapparaten; in aanvulling op, ze kunnen te "luidruchtig" zijn voor betrouwbare communicatie met individuele zenuwcellen.

Van de verschillende materiële systemen die als alternatief worden onderzocht, grafeen - in wezen een tweedimensionale laag koolstofatomen die in een dicht honingraatpatroon zijn verbonden - lijkt zeer geschikt voor bio-elektronische toepassingen:het biedt uitstekende elektronische prestaties, is chemisch stabiel en biologisch inert, goed verwerkbaar op flexibele ondergronden, en moet zich lenen voor grootschalige, goedkope fabricage. De laatste resultaten van het TUM-Juelich-team bevestigen de belangrijkste prestatiekenmerken en maken de weg vrij voor verdere vooruitgang bij het bepalen van de haalbaarheid van op grafeen gebaseerde bio-elektronica.

De experimentele opstelling gerapporteerd in Geavanceerde materialen begon met een reeks van 16 grafeen-oplossingsgestuurde veldeffecttransistoren (G-SGFET's) vervaardigd op koperfolie door chemische dampafzetting en standaard fotolithografische en etsprocessen. "Het detectiemechanisme van deze apparaten is vrij eenvoudig, " zegt Dr. Jose Antonio Garrido, een lid van het Walter Schottky Instituut aan de TUM. "Variaties van de elektrische en chemische omgeving in de buurt van het FET-poortgebied zullen worden omgezet in een variatie van de transistorstroom."

Direct bovenop deze array, de onderzoekers groeiden een laag biologische cellen die lijkt op de hartspier. Niet alleen waren de "actiepotentialen" van individuele cellen detecteerbaar boven de intrinsieke elektrische ruis van de transistors, maar deze cellulaire signalen zouden kunnen worden opgenomen met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie. Bijvoorbeeld, een reeks van door tientallen milliseconden gescheiden pieken bewoog zich over de transistorreeks op precies de manier waarop actiepotentialen zich door de cellaag zouden voortplanten. Ook, wanneer de cellaag werd blootgesteld aan een hogere concentratie van het stresshormoon noradrenaline, een overeenkomstige toename van de frequentie van pieken werd geregistreerd. Afzonderlijke experimenten om het inherente ruisniveau van de G-SFET's te bepalen, toonden aan dat het vergelijkbaar was met dat van ultrageluidsarme siliciumapparaten, die, zoals Garrido opmerkt, het resultaat zijn van tientallen jaren van technologische ontwikkeling.

"Veel van ons lopende onderzoek is gericht op het verder verbeteren van de ruisprestaties van grafeenapparaten, " zegt Garrido, "en over het optimaliseren van de overdracht van deze technologie naar flexibele substraten zoals paryleen en kapton, beide worden momenteel gebruikt voor in vivo implantaten. We werken ook aan het verbeteren van de ruimtelijke resolutie van onze opnameapparatuur." ze werken samen met wetenschappers van het in Parijs gevestigde Vision Institute om de biocompatibiliteit van grafeenlagen in culturen van retinale neuroncellen te onderzoeken, evenals binnen een breder Europees project genaamd NEUROCARE, dat gericht is op het ontwikkelen van hersenimplantaten op basis van flexibele nanokoolstofapparaten.