Comencem l’any 2021 comentant un interessant article publicat a la revista Nature Communications, que mostra la recerca realitzada per part d’un grup d’investigadors de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2).
El grafè és un material de propietats increïbles que va ser descobert fa disset anys. Durant aquest temps, s’ha realitzat molta recerca dirigida a no només estudiar-ne les característiques fonamentals, sinó a pensar en com adaptar-lo a la nostra vida quotidiana com a solució de reptes d’àmbits com l’energia o la biomedicina. Justament en una aplicació biomèdica és en el que se centra l’article: els autors presenten els resultats d’utilitzar sensors de grafè per a què puguin funcionar com a implants cerebrals crònics, demostrant la seva biocompatibilitat i estabilitat amb el temps, a més del seu funcionament. D’aquesta manera, demostren que aquest material és un molt bon candidat per a tal fi.
El mapeig de l’activitat cerebral és una funció bàsica dels implants al cervell i pot ser clau en l’estudi, diagnòstic i tractament de malalties relacionades amb el funcionament neuronal (trastorns cerebrals i malalties neurodegeneratives). En aquest camp, el que es coneix com a ISA (per les seves sigles en anglès: infra-slow brain activity), ha guanyat interès ja que es tracta d’un estat relacionat amb estats de repòs cerebral.
Dit això, per a què un material pugui ser utilitzat com a implant cerebral, cal que disposi d’uns requisits fonamentals: biocompatibilitat, flexibilitat, perdurabilitat amb el temps, conductivitat, i baixa interferència en serien alguns de principals. El grafè, una capa de carboni de tan sols un àtom de gruix, compleix en molt bona mesura aquests requisits i ha demostrat, com assenyala l’article, que resulta prometedor per a l’estudi de l’ISA.
En l’estudi que ens ocupa, s’utilitzen transistors de grafè fabricat pel mètode CVD (en anglès, chemical vapor deposition). Aquest procediment ofereix el control i l’obtenció del material amb una qualitat òptima per a què sigui la base de dispositius electrònics com els transistors que s’esmenten. Actualment, és possible obtenir comercialment el que s’anomena grafè CVD d’alta qualitat en substrats diversos. Aquest, a més, es pot transferir al substrat desitjat, que contingui el disseny del dispositiu electrònic que s’empri. No obstant, el grafè CVD també es pot obtenir fàcilment al laboratori, si es disposa d’un reactor i les fonts de gasos necessaris: argó, hidrogen i metà.
Pel que fa la part electrònica, els transistors utilitzats han estat dissenyats tenint en compte que la seva configuració interfereixi el mínim possible en l’adquisició del senyal. A més, es detalla el sistema d’amplificació emprat, el qual tampoc indueix soroll de fons que n’impedeixi l’obtenció i anàlisi. De tota manera, els autors comenten els règims de freqüència que es troben més i menys afectats per la mesura i, en aquest sentit, conclouen que per a dispositius de dimensions petites (100 × 100 μm), no es perceben afectacions significatives.
Com s’ha esmentat anteriorment, l’estabilitat i biocompatibilitat d’un material és fonamental per a considerar-lo útil per a aplicacions biomèdiques. Per això, gran part de l’article, i on rau també el fet que resulti interessant, és dedicada a l’avaluació d’aquestes característiques. Actualment, la investigació en grafè es troba en un punt on són totalment necessaris aquests tipus d’estudis, més enllà dels dedicats a la funcionalitat dels dispositius, ja que sense aquests, no serà possible una implementació comercial del material. En canvi, s’ha demostrat a bastament el seu potencial.
Referint-nos a l’estabilitat, doncs, el grafè dels transistors pot patir alteracions químiques (de dopatge) amb el temps, degut a l’entorn on es troba, però també físiques (aparició de defectes), i altres, que poden alterar paràmetres com la transconductància i el “soroll” mesurats. L’article avalua aquests paràmetres, però esmenta que calen més estudis per tal d’incidir més detalladament en la naturalesa del motiu de la pèrdua de sensibilitat d’un dispositiu de grafè com el que es tracta a l’article.
D’altra banda, la biocompatibilitat del material es demostra en l’article a través del seguiment d’implants col·locats a animals amb el temps, tot comparant-los amb altres sense realitzar-los cap intervenció. Al cap de dotze setmanes, els autors no van detectar complicacions significatives que indiquessin falta de biocompatibilitat entre el material de l’implant i el medi biològic on es troba. Aquest fet, per tant, resulta esperançador.
La lectura d’aquest article és important per entendre el punt on es troba l’ús del grafè com a material base de dispositius electrònics per a monitorització de l’activitat cerebral tant per a aspectes de funcionalitat com d’estabilitat i biocompatibilitat. Tot això resulta clau per a l’escalabilitat industrial d’aquests dispositius i, en conseqüència, de la consolidació del grafè com a material clau en aplicacions biomèdiques que suposin un salt qualitatiu en detecció i tractament de malalties relacionades amb el cervell.
Figura: Imatge il·lustrativa del dispositiu que s’empra en l’estudi. Es representa com els senyals detectats pels sensors de grafè es transmeten sense necessitat de connexió per cables al receptor, connectat alhora amb l’ordinador, que els recull.
Per saber més sobre investigació duta a terme en aquest sentit, podeu fer un cop d’ull a la pàgina web del grup dels investigadors principals de l’article comentat: https://aemdgroup.eu, de l’ICN2.
‘Grafè per a aplicacions biomèdiques: un pas més cap a la industrialització’
Paraules Clau: Ciència de Materials, Grafè, Transistors
Marta Delgà, 3 de febrer de 2021
Font de l’article: doi.org/10.1038/s41467-020-20546-w
Comencem l’any 2021 comentant un interessant article publicat a la revista Nature Communications, que mostra la recerca realitzada per part d’un grup d’investigadors de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2).
El grafè és un material de propietats increïbles que va ser descobert fa disset anys. Durant aquest temps, s’ha realitzat molta recerca dirigida a no només estudiar-ne les característiques fonamentals, sinó a pensar en com adaptar-lo a la nostra vida quotidiana com a solució de reptes d’àmbits com l’energia o la biomedicina. Justament en una aplicació biomèdica és en el que se centra l’article: els autors presenten els resultats d’utilitzar sensors de grafè per a què puguin funcionar com a implants cerebrals crònics, demostrant la seva biocompatibilitat i estabilitat amb el temps, a més del seu funcionament. D’aquesta manera, demostren que aquest material és un molt bon candidat per a tal fi.
El mapeig de l’activitat cerebral és una funció bàsica dels implants al cervell i pot ser clau en l’estudi, diagnòstic i tractament de malalties relacionades amb el funcionament neuronal (trastorns cerebrals i malalties neurodegeneratives). En aquest camp, el que es coneix com a ISA (per les seves sigles en anglès: infra-slow brain activity), ha guanyat interès ja que es tracta d’un estat relacionat amb estats de repòs cerebral.
Dit això, per a què un material pugui ser utilitzat com a implant cerebral, cal que disposi d’uns requisits fonamentals: biocompatibilitat, flexibilitat, perdurabilitat amb el temps, conductivitat, i baixa interferència en serien alguns de principals. El grafè, una capa de carboni de tan sols un àtom de gruix, compleix en molt bona mesura aquests requisits i ha demostrat, com assenyala l’article, que resulta prometedor per a l’estudi de l’ISA.
En l’estudi que ens ocupa, s’utilitzen transistors de grafè fabricat pel mètode CVD (en anglès, chemical vapor deposition). Aquest procediment ofereix el control i l’obtenció del material amb una qualitat òptima per a què sigui la base de dispositius electrònics com els transistors que s’esmenten. Actualment, és possible obtenir comercialment el que s’anomena grafè CVD d’alta qualitat en substrats diversos. Aquest, a més, es pot transferir al substrat desitjat, que contingui el disseny del dispositiu electrònic que s’empri. No obstant, el grafè CVD també es pot obtenir fàcilment al laboratori, si es disposa d’un reactor i les fonts de gasos necessaris: argó, hidrogen i metà.
Pel que fa la part electrònica, els transistors utilitzats han estat dissenyats tenint en compte que la seva configuració interfereixi el mínim possible en l’adquisició del senyal. A més, es detalla el sistema d’amplificació emprat, el qual tampoc indueix soroll de fons que n’impedeixi l’obtenció i anàlisi. De tota manera, els autors comenten els règims de freqüència que es troben més i menys afectats per la mesura i, en aquest sentit, conclouen que per a dispositius de dimensions petites (100 × 100 μm), no es perceben afectacions significatives.
Com s’ha esmentat anteriorment, l’estabilitat i biocompatibilitat d’un material és fonamental per a considerar-lo útil per a aplicacions biomèdiques. Per això, gran part de l’article, i on rau també el fet que resulti interessant, és dedicada a l’avaluació d’aquestes característiques. Actualment, la investigació en grafè es troba en un punt on són totalment necessaris aquests tipus d’estudis, més enllà dels dedicats a la funcionalitat dels dispositius, ja que sense aquests, no serà possible una implementació comercial del material. En canvi, s’ha demostrat a bastament el seu potencial.
Referint-nos a l’estabilitat, doncs, el grafè dels transistors pot patir alteracions químiques (de dopatge) amb el temps, degut a l’entorn on es troba, però també físiques (aparició de defectes), i altres, que poden alterar paràmetres com la transconductància i el “soroll” mesurats. L’article avalua aquests paràmetres, però esmenta que calen més estudis per tal d’incidir més detalladament en la naturalesa del motiu de la pèrdua de sensibilitat d’un dispositiu de grafè com el que es tracta a l’article.
D’altra banda, la biocompatibilitat del material es demostra en l’article a través del seguiment d’implants col·locats a animals amb el temps, tot comparant-los amb altres sense realitzar-los cap intervenció. Al cap de dotze setmanes, els autors no van detectar complicacions significatives que indiquessin falta de biocompatibilitat entre el material de l’implant i el medi biològic on es troba. Aquest fet, per tant, resulta esperançador.
La lectura d’aquest article és important per entendre el punt on es troba l’ús del grafè com a material base de dispositius electrònics per a monitorització de l’activitat cerebral tant per a aspectes de funcionalitat com d’estabilitat i biocompatibilitat. Tot això resulta clau per a l’escalabilitat industrial d’aquests dispositius i, en conseqüència, de la consolidació del grafè com a material clau en aplicacions biomèdiques que suposin un salt qualitatiu en detecció i tractament de malalties relacionades amb el cervell.
Per saber més sobre investigació duta a terme en aquest sentit, podeu fer un cop d’ull a la pàgina web del grup dels investigadors principals de l’article comentat: https://aemdgroup.eu, de l’ICN2.
Categoria: Temes de Nanociència