Jako levný jednovrstvý archetypální člen rodiny uhlíku kdysi grafen vyvolal zlatou horečku v nanotechnologii. Umožnil dosáhnout jedinečných vlastností, které nebyly dostupné u mnoha tradičních materiálů. Díky těmto jedinečným vlastnostem nacházejí grafenové materiály stále nové aplikace v nanomedicíně a syntetické biologii, kromě jejich rozmanitých aplikací v elektronice, optoelektronice, fotonice a sanaci životního prostředí.
Zvýšená produkce grafenových nanostruktur a zvýšená pravděpodobnost expozice těmto látkám v životním prostředí a na pracovišti vyvolaly obavy z nepříznivých účinků na zdraví. Vědci mluví zejména o posouzení biologických účinků těchto materiálů, aby pochopili, jak vyvinout grafen udržitelně bez zdravotních rizik a pro široké použití.
Vědci nedávno poprvé studovali in vitro a in vivo interakce relativně nového derivátu grafenu v savčích systémech, grafenových nanopórů. Studie byla nezbytná k systematickému objasnění možného mechanismu jejich toxicity v čase. V důsledku práce prováděné pomocí molekulárně biologických zařízení vědci zjistili, že grafenové nanopóry o průměru menším než 100 nm mohou pronikat do buněk, zatímco nanočástice o průměru menším než 40 nm mohou dosáhnout buněčných jader. Částice o průměru menším než 35 nm jsou schopny proniknout do mozku průchodem hematoencefalickou bariérou, zatímco větší nanočástice toho nejsou schopny, což zase snižuje dodávku teranostických nanočástic do požadovaných míst.
Preklinická rizika, nepříznivé účinky expozice grafenovým nanopórům a přístupy k minimalizaci jejich zdravotních rizik zůstávají stále nejisté. Předpokládá se však, že vdechování grafenových struktur je rizikovým faktorem pro kardiorespirační onemocnění. Vdechované nanopóry grafenu mohou být transportovány hluboko do distálních oblastí plic a způsobit chronický zánět v dýchacích cestách. Předpokládá se, že placenta, plíce, gastrointestinální trakt a kůže působí jako hlavní překážky pronikání mnoha nanostruktur do živých organismů. Nedávná studie na myších však zjistila, že intraperitoneálně podaný několikavrstvý grafen byl z velké části zadržen v plicích, přičemž 47 % látky stále zůstávalo v těle 4 týdny po podání, což vedlo k akutnímu poškození plic a plicnímu edému závislému na dávce. . In vitro studie účinků grafenu a oxidu grafenu na keratinocyty lidské kůže, prováděná v digestoři s laminárním prouděním, ukázala, že oxidovaný grafen je nejvíce cytotoxický, způsobuje poškození mitochondrií a plazmatických membrán a naznačuje nízké cytotoxické účinky na úrovni kůže.
Výsledky studie by měly být posuzovány v kontextu rozšířeného nedostatku znalostí o biologické dostupnosti, osudu a chování tohoto typu nové porézní grafenové struktury v přírodních systémech. Proto, aby bylo možné plně určit transportní schopnosti grafenových nanopórů v živých systémech, je vyžadován režim dlouhodobé expozice, který je více konzistentní s reálnými environmentálními důsledky.
Vědci zjistili, že jak kvazi-obalené, tak neobalené HEV mohou podobně procházet hematoencefalickou bariérou.
Nedávno vědci zaznamenali pozoruhodný případ, kdy vousy pomohly savcům hledat potravu v extrémních podmořských prostředích: v hlubokém, temném oceánu.
fNIRS pokročil od relativně jednoduchých měření změn krevního kyslíku k sofistikované metodě pro záznam mozkových reakcí v reálném čase spojené s širokou škálou aktivit a kognitivních úkolů.
Vzhledem k tomu, že bakteriální imunoterapie byla použita v léčbě některých malignit, vědci vyhodnotili oslabený kmen Salmonella jako imunoterapii pro benigní myší schwannom.
Dobíjecí zinková kovová baterie je nyní považována za důležitou technologii, která dokáže eliminovat dodavatelský řetězec a ekonomickou krizi způsobenou chemií na bázi lithia.
V projektu „Svět věcí. Z čeho se skládá budoucnost“, spolu s Nadací pro infrastrukturu a vzdělávací programy (FIEP) hovoříme o nejnovějších objevech a slibných úspěších v materiálové vědě.
V roce 2010 obdrželi Andre Geim a Konstantin Novoselov Nobelovu cenu za své „průkopnické experimenty s dvourozměrným materiálem grafenem“. Od té doby začali fyzici a chemici po celém světě zkoumat vlastnosti nového materiálu a nacházet pro něj nové praktické aplikace. Grafen se používá k výrobě elektronických čipů, plynových senzorů a membrán pro čištění vody. S příchodem grafenu začala nová etapa ve vývoji lékařských technologií a bioelektroniky.
Vlastnosti grafenu
Grafen je dvourozměrný materiál, alotrop uhlíku. V případě grafenu jsou atomy uhlíku uspořádány do šestiúhelníkové struktury a tvoří vrstvu o tloušťce jednoho atomu – jedná se o grafen. Tuto strukturu získává díky skutečnosti, že vnější obal atomu uhlíku obsahuje čtyři elektrony: tři z nich vstupují do kontaktu se sousedními atomy a čtvrtý je ve stavu, který tvoří energetické pásy. Proto má grafen jedinečné elektrické vlastnosti a je vynikajícím vodičem elektrického proudu. Grafen má také působivé mechanické vlastnosti: je pružný, tenký a z 97 % průhledný.
Teoretické práce dokazují, že grafen je velmi tvrdý a odolný vůči mechanickému namáhání. Přitom pokud ho položíte na podklad z měkkého materiálu, převezme své vlastnosti. Tyto vlastnosti jsou užitečné v bioelektronice, ve které vědci vyvíjejí zařízení pro použití v živých organismech. V této oblasti jsou upřednostňovány měkké materiály, které jsou více kompatibilní s tělesnými tkáněmi. K tomu nejsou vhodné křemík a tvrdé kovy, které se používají v běžné elektronice. Od roku 2008 se objevují práce na grafenových neurozařízeních a biosenzorech: vědci zkoumají možnosti nového materiálu a v této oblasti již dosahují hmatatelných výsledků [1] [2].
Neurodevices: čtení neuronové aktivity
Na základě unikátních vlastností grafenu je možné vyrobit neurozařízení, která čtou aktivitu neuronů. Základním prvkem takových zařízení je grafenový (ambipolární, field-effect) tranzistor, kterým protéká proud při přivedení napětí. Vývojáři v oblasti bioelektroniky vyrábějí čipy, které umísťují grafenové tranzistory na flexibilní substráty. Na tomto čipu rostou neuronové buňky. Zhruba po třech týdnech, kdy buňky dostatečně vyrostly, na sebe vzájemně působí a spontánně se vzrušují, čímž vytvářejí impuls. Náboj na povrchu buňky se mění rychle a nepatrně, o desítky milivoltů. Tento povrchový náboj ovlivňuje vodivost grafenu vlivem pole, to znamená, že neuronální impuls mění proud v tranzistoru. Vědci to čtou a vidí tak aktivitu neuronů. S neurodevicemi se zachází v Centrum pro výzkum mikroelektroniky na Texaské univerzitě v Austinu a na Ústav bioelektroniky ve výzkumném centru Jülich v Německu. Technologie funguje v laboratorních podmínkách, nyní na jejím základě vědci z Texaské univerzity vyrábějí zařízení, která lze implantovat do mozku. Několik takových zařízení již bylo vytvořeno jinými výzkumnými skupinami, mohli je otestovat in vivo na myších a krysách [3].
V budoucnu může být tato technologie použita pro lidi. Neurodevice mohou usnadnit život lidem s Parkinsonovou chorobou, kteří často zažívají třes, mimovolní svalové kontrakce. K regulaci záchvatů jsou pacientům implantována multielektrodová pole, která hluboce stimulují mozek elektrickými impulsy. Když dojde k záchvatu, pacient stiskne tlačítko na minipřístroji a přes elektrodu se odešle několik signálů do části mozku, která je za nemoc zodpovědná.
Problém standardních multielektrodových polí je v tom, že jsou vyrobeny z pevného křemíku. Implantovat křemíkové zařízení do mozku je jako snažit se zasadit hřebík do měkkého bonbónu. Tělo reaguje na křemíkovou elektroniku, jako by to bylo cizí těleso. Kolem takových zařízení se tvoří gliové buňky, s jejichž pomocí se mozek snaží chránit neurony a vytlačit cizí předmět. Proto se stimulanty mění každých 2–5 let. Na základě grafenu můžete vyvíjet úplně jiná zařízení – flexibilní, tenká a měkká. Buňky takové zařízení testují, ochranná reakce se nespustí. Zařízení pak lze měnit mnohem méně často – jednou za několik desetiletí.
Zmírnění Parkinsonovy choroby není zdaleka jedinou oblastí použití grafenových neurozařízení. Budou užitečné pro výzkumníky pracující s jakýmikoli neurodegenerativními chorobami. Většina z nich je stále špatně pochopena: vědcům chybí údaje o tom, jak funguje lidský mozek. Nyní se pro taková pozorování používají i křemíková zařízení, takže je ve výzkumných úkolech nahradí účinnější grafenová zařízení.
Senzory: stanovení biomarkerů
Další oblastí použití grafenu je vytvoření senzorů, které detekují biomarkery. Tímto způsobem lze měřit neuronální bioreceptory, DNA, imunoglobulin, biomarkery spojené s rakovinou nebo kardiovaskulárním onemocněním. Lékařům to dává nové možnosti diagnostiky nemocí.
Zařízení pro biosenzory fungují i na grafenových tranzistorech, ale jsou složitější. Grafen je uhlíková mřížka v jedné rovině. K vytvoření biosenzoru musí molekula interagovat s grafenem. Chcete-li to provést, musíte vytvořit jeho dvou- nebo tříúrovňovou funkcionalizaci – připojení několika chemických skupin ke grafenu. Pro začátek je grafen funkcionalizován pyrenem, chemickou sloučeninou se vzorcem C16H10, (cyklický polyaromatický uhlovodík). Tuto molekulu lze již funkcionalizovat s jinými: například k ní přidat glukózooxidázu a výsledkem je biosenzor glukózy. Když se glukóza dostane do blízkosti glukózooxidázy, budou tyto dvě reagovat chemicky. Vyvolá to změnu proudu v grafenovém tranzistoru, kterou vědci mohou pozorovat a vyvozovat závěry o úrovni biomarkeru v těle. Skupina korejských vědců zabudovala do multifunkčních kontaktních čoček glukózový senzor – určují hladinu glukózy na základě složení slz. V roce 2017 byla tato technologie testována na králících. Nedávno ruská skupina vytvořila biosenzory na bázi grafenu, které dokážou měřit toxiny, zejména ochratoxin A, považovaný za jeden z nejnebezpečnějších. Všechny tyto technologie v budoucnu umožní přesnější diagnostiku nemocí a sledování jejich průběhu.
Mýtus o toxicitě grafenu
Na každé konferenci se nevyhnutelně objeví otázka potenciální toxicity grafenu. Vědci musí pokaždé vysvětlovat, že to není tak úplně pravda. Grafen lze vyrobit několika způsoby. Jedním z nich je pouhé rozmíchání grafitu nebo uhlíku ve vodě, jehož výsledkem jsou malé částice s bočními rozměry grafenu menšími než sto nanometrů. Tento druh grafenu je pro buňky opravdu nebezpečný: v průběhu let výzkumníci Akhavan a Ghaderi publikovali práci, která prokázala, že malé částice procházejí buněčnou membránou a zabíjejí buňku.
Moderní bioelektronika využívá vysoce kvalitní grafen vypěstovaný chemickou depozicí par. Jde o homogenní vrstvu atomů na velmi velké ploše – až 100 na 100 milimetrů. Poté jej vývojáři zmenší na asi 100 x 100 mikrometrů a připevní k substrátu. V tomto případě nemůže vykazovat toxicitu, protože neplave mezi buňkami. Kromě toho existuje několik studií, ve kterých vědci pěstovali buňky na grafenu na substrátu a na obyčejném skle a porovnávali výsledky. Ukázalo se, že buňky rostou mnohem aktivněji na grafenu. Grafen je biokompatibilní materiál, protože je to obyčejný uhlík.
Předzesilování signálu: problém přenosu dat na dálku
Jednou z nevýhod grafenu pro elektroniku je absence zakázaného pásma – rozsah hodnot, které elektrony v látce nemohou mít. V grafenu mají elektrony libovolnou energii. Příliš dobře vede proud, takže z něj nelze vyrobit klasický tranzistor s pozicemi 1 a 0, přítomnost a nepřítomnost proudu. Grafenový tranzistor se nikdy nevypne: jednoduše vede proud buď dobře, nebo špatně. Neprovádí však logické operace, které zvládají klasické křemíkové tranzistory. To je významný problém pro moderní grafenovou elektroniku.
Bioelektrické potenciály vytvářené neuronovými buňkami kolem membrány jsou poměrně slabé: od deseti do dvou set mikrovoltů, v závislosti na buňce, šířce mezery mezi ní a grafenem a dalších faktorech. Je téměř nemožné přenášet je na vzdálenost několika metrů beze ztrát: elektromagnetické vlny z jiných zařízení přehluší slabý signál. Je nemožné postavit tranzistory založené na grafenu, které budou provádět logické operace pro zesílení signálu. Optimálním řešením by bylo použít pro měření grafen a vytvořit další tranzistory z jiných tranzistorů.Umožní předzesílení signálu z 10 mikrovoltů na 10 milivoltů, které lze bez ztrát přenést přes 10 kilometrů. To je důležitý úkol jak pro konvenční elektroniku, tak pro lékařské přístroje. Předzesilování signálu zajistí, že všechny technologie budou bezdrátové a budou interagovat se zařízeními prostřednictvím tranzistorových systémů.
Perspektivy praktické aplikace grafenu
Těžko říci, kdy se grafenová bioelektronika široce uplatní v praxi. Vědci testují neurozařízení, biosenzory a další výzkumné projekty v laboratorních podmínkách. Abychom je dostali na úroveň lékařského využití, je nutné rozvíjet průmysl na výrobu grafenových zařízení. Pro výzkum se obvykle vyrábí 10 až 100 zařízení. Lékařská praxe vyžaduje mnohem větší rozsah: jsou zapotřebí tisíce a miliony takových zařízení. Nyní se zdá, že perspektiva praktického uplatnění je ještě daleko za horizontem, ale za 5-10 let bude možné říci něco určitějšího. Výzkumné skupiny experimentují s grafenem v různých směrech a používají jej k řešení mnoha problémů. Stále je obtížné jasně identifikovat slibné přístupy, což vyžaduje čas a investice, které pomohou rozvíjet stávající výzkum.
