I ricercatori hanno dimostrato, per la prima volta, un array di transistor a base di grafene compatibile con le cellule biologiche viventi e in grado di registrare i segnali elettrici che generano. Questa piattaforma di prova del concetto apre la strada a ulteriori indagini su un nuovo materiale promettente. La combinazione distintiva di caratteristiche del grafene lo rende uno dei principali contendenti per future applicazioni biomediche che richiedono un'interfaccia diretta tra dispositivi microelettronici e cellule nervose o altri tessuti viventi. Un team di scienziati della Technische Universitaet Muenchen e del Juelich Research Center ha pubblicato i risultati sulla rivista Materiale avanzato .

Oggi, se una persona ha un rapporto intimo e dipendente con un dispositivo elettronico, è molto probabile che sia uno smartphone; però, connessioni molto più strette potrebbero essere in serbo nel prossimo futuro. Per esempio, Sono state proposte applicazioni "bioelettroniche" che collocherebbero sensori e in alcuni casi attuatori all'interno del cervello di una persona, occhio, o orecchio per aiutare a compensare il danno neurale. La ricerca pionieristica in questa direzione è stata condotta utilizzando la tecnologia matura della microelettronica al silicio, ma in pratica questo approccio può essere un vicolo cieco:sia i substrati flessibili che gli ambienti biologici acquosi pongono seri problemi ai dispositivi al silicio; Inoltre, possono essere troppo "rumorosi" per una comunicazione affidabile con le singole cellule nervose.

Dei diversi sistemi materiali esplorati come alternative, il grafene - essenzialmente un foglio bidimensionale di atomi di carbonio collegati in un denso motivo a nido d'ape - sembra molto adatto alle applicazioni bioelettroniche:offre prestazioni elettroniche eccezionali, è chimicamente stabile e biologicamente inerte, possono essere facilmente lavorati su substrati flessibili, e dovrebbe prestarsi a su larga scala, fabbricazione a basso costo. Gli ultimi risultati del team TUM-Juelich confermano le caratteristiche chiave delle prestazioni e aprono la strada a ulteriori progressi verso la determinazione della fattibilità della bioelettronica a base di grafene.

Il setup sperimentale riportato in Materiale avanzato è iniziato con una serie di 16 transistor ad effetto di campo con soluzione di grafene (G-SGFET) fabbricati su lamina di rame mediante deposizione chimica da fase vapore e processi fotolitografici e di attacco standard. "Il meccanismo di rilevamento di questi dispositivi è piuttosto semplice, " dice il dottor Jose Antonio Garrido, un membro del Walter Schottky Institute presso TUM. "Le variazioni dell'ambiente elettrico e chimico nelle vicinanze della regione del gate FET saranno convertite in una variazione della corrente del transistor".

Direttamente sopra questo array, i ricercatori hanno sviluppato uno strato di cellule biologiche simile al muscolo cardiaco. Non solo i "potenziali d'azione" delle singole celle erano rilevabili al di sopra del rumore elettrico intrinseco dei transistor, ma questi segnali cellulari potrebbero essere registrati con un'elevata risoluzione spaziale e temporale. Per esempio, una serie di picchi separati da decine di millisecondi si muoveva attraverso l'array di transistor proprio nel modo in cui ci si poteva aspettare che i potenziali d'azione si propagassero attraverso lo strato di cella. Anche, quando lo strato cellulare è stato esposto a una maggiore concentrazione dell'ormone dello stress noradrenalina, è stato registrato un corrispondente aumento della frequenza dei picchi. Esperimenti separati per determinare il livello di rumore intrinseco dei G-SFET hanno dimostrato che è paragonabile a quello dei dispositivi al silicio a bassissimo rumore, che come sottolinea Garrido sono il risultato di decenni di sviluppo tecnologico.

"Gran parte della nostra ricerca in corso è focalizzata sull'ulteriore miglioramento delle prestazioni di rumore dei dispositivi al grafene, "Grida dice, "e sull'ottimizzazione del trasferimento di questa tecnologia a substrati flessibili come il parylene e il kapton, entrambi sono attualmente utilizzati per gli impianti in vivo. Stiamo anche lavorando per migliorare la risoluzione spaziale dei nostri dispositivi di registrazione." Nel frattempo, stanno lavorando con scienziati del Vision Institute di Parigi per studiare la biocompatibilità degli strati di grafene in colture di cellule neuronali retiniche, così come all'interno di un più ampio progetto europeo chiamato NEUROCARE, che mira a sviluppare impianti cerebrali basati su dispositivi flessibili in nanocarbonio.