Forskare har visat, för första gången, en grafenbaserad transistormatris som är kompatibel med levande biologiska celler och som kan registrera de elektriska signaler de genererar. Denna proof-of-concept-plattform öppnar vägen för vidare undersökning av ett lovande nytt material. Grafens distinkta kombination av egenskaper gör det till en ledande utmanare för framtida biomedicinska tillämpningar som kräver ett direkt gränssnitt mellan mikroelektroniska enheter och nervceller eller annan levande vävnad. Ett team av forskare från Technische Universitaet Muenchen och Juelich Research Center publicerade resultaten i tidskriften Avancerade material .

I dag, om en person har ett intimt och beroende förhållande till en elektronisk enhet, det är med största sannolikhet en smart telefon; dock, mycket närmare förbindelser kan finnas i beredskap inom överskådlig framtid. Till exempel, "bioelektroniska" tillämpningar har föreslagits som skulle placera sensorer och i vissa fall ställdon inuti en persons hjärna, öga, eller öra för att kompensera för neurala skador. Banbrytande forskning i denna riktning gjordes med hjälp av den mogna tekniken för kiselmikroelektronik, men i praktiken kan det tillvägagångssättet vara en återvändsgränd:både flexibla substrat och vattenhaltiga biologiska miljöer utgör allvarliga problem för kiselenheter; dessutom, de kan vara för "bullriga" för pålitlig kommunikation med individuella nervceller.

Av de flera materialsystem som utforskas som alternativ, grafen – i huvudsak ett tvådimensionellt ark av kolatomer kopplade i ett tätt bikakemönster – verkar mycket väl lämpat för bioelektroniska applikationer:Det erbjuder enastående elektronisk prestanda, är kemiskt stabil och biologiskt inert, kan enkelt bearbetas på flexibla underlag, och borde lämpa sig för storskalighet, lågkostnadstillverkning. De senaste resultaten från TUM-Juelich-teamet bekräftar nyckelprestandaegenskaper och öppnar vägen för ytterligare framsteg mot att fastställa genomförbarheten av grafenbaserad bioelektronik.

Den experimentella uppställningen rapporterades i Avancerade material började med en uppsättning av 16 grafenlösningsstyrda fälteffekttransistorer (G-SGFETs) tillverkade på kopparfolie genom kemisk ångavsättning och standardfotolitografiska och etsningsprocesser. "Avkänningsmekanismen för dessa enheter är ganska enkel, " säger Dr Jose Antonio Garrido, en medlem av Walter Schottky Institute vid TUM. "Variationer av den elektriska och kemiska miljön i närheten av FET-gateområdet kommer att omvandlas till en variation av transistorströmmen."

Direkt ovanpå denna array, forskarna odlade ett lager av biologiska celler som liknar hjärtmuskeln. Inte bara var "aktionspotentialerna" för enskilda celler detekterbara över transistorernas inneboende elektriska brus, men dessa cellulära signaler kunde spelas in med hög rumslig och tidsmässig upplösning. Till exempel, en serie spikar separerade med tiotals millisekunder som rör sig över transistoruppsättningen på precis det sätt som man kan förvänta sig att åtgärdspotentialer sprider sig över cellskiktet. Också, när cellskiktet exponerades för en högre koncentration av stresshormonet noradrenalin, en motsvarande ökning av frekvensen av toppar registrerades. Separata experiment för att bestämma den inneboende brusnivån för G-SFET:erna visade att den var jämförbar med den för enheter med ultralågt brus, som Garrido påpekar är resultatet av årtionden av teknisk utveckling.

"Mycket av vår pågående forskning är fokuserad på att ytterligare förbättra brusprestandan hos grafenenheter, " Garrido säger, "och om att optimera överföringen av denna teknik till flexibla substrat som parylen och kapton, båda används för närvarande för in vivo-implantat. Vi arbetar också med att förbättra den rumsliga upplösningen för våra inspelningsenheter." de arbetar med forskare vid det Paris-baserade Vision Institute för att undersöka biokompatibiliteten hos grafenlager i kulturer av retinala neuronceller, såväl som inom ett bredare europeiskt projekt som heter NEUROCARE, som syftar till att utveckla hjärnimplantat baserade på flexibla nanokolenheter.