Ещё одно применение графена прозрачные онтогенетические имплантаты мозга
Прозрачность является ключевой для многих технологий. Тонкие проводящие пленки, вроде изделий из ITO (оксид индия-олова), могут проводить ток или создавать электрические поля, критические для дисплеев или солнечных батарей, не блокируя прохождение света. Наиболее мощные создаваемые сегодня имплантаты мозга имеют такое же требование. Они должны записывать быстрые электрические сигналы проводящими массивами, разрешая свету проходить через них для получения изображений с высоким разрешением. Прохождение света позволит подвести оптогенетический контроль непосредственно под имплантат.
К сожалению, ITO — слишком жёсткая и хрупкая для мозговых имплантатов структура. Даже если плёнку можно было бы сделать гибкой, высокие температуры, необходимые для обработки, не совместимы со многими материалами (такими как парилен), которые используются в имплантатах. Полоса пропускнания ITO недостаточна, чтобы полностью использовать широкий спектр новых УФ- и ИК-способных оптогенетических белков, относительно которых учёные испытывают большой оптимизм. Решение, в настоящее время разрабатываемое в нескольких лабораториях — создать гибкие прозрачные электродные массивы из графена. Два исследования описаны в Nature Communications, одно от Университета Висконсин-Мэдисон, другое от Университета Пенсильвании.
В Университете штата Висконсин исследователи либо немного умнее, или просто немного богаче, потому что опубликовали свою работу в открытом доступе. Так что в данной статье именно их метод описывается более подробно. Чтобы создать массивы, исследователи разместили подложку парилена на кремниевой пластине, покрыли её золотом, а затем нанесли узор при помощи электронного пучка для получения небольших контактных площадок. Затем четыре графеновых слоя толщиной в один атом разместили поверх друг друга. Эти слои защитили слоем диоксида кремния, далее ещё одним слоем парилена, и встроили в устройство записи сигналов мозга реактивным ионным травлением.
Исследователи использовали четыре графеновых слоя, потому что они обеспечивают оптимальную механическую целостность и проводимость при сохранении достаточной прозрачности. Они протестировали устройство в оптико-улучшенных мышах, чьи нейроны обеспечивают экспрессию белков, которые реагируют на синий свет. Когда они активировали нейроны лазером через имплантат, белковые каналы открывались и активировали клетки под ними. Полученные вышеописанные массивы затем успешно записывали электрические сигналы этих клеток.
Группа из Университета Пенсильвании использовала аналогичную 16-точечную матрицу электродов, и во многом таким же образом. Они получали оптическое изображение с высоким разрешением (в частности, кальция) прямо через массив прозрачных электродов, которые одновременно записывали сигналы высокой временной разрешающей способности. Они делали это в срезах гиппокампа, где могли пустить в ход сложное и многогранное оборудование, необходимое для выполнения конфокальной и двухфотонной микроскопии. Эти методы обеспечивают повышение пространственного разрешения путём обнуления узких плоскостей внутри образца, и ограничения фона требованием наличия двух фотонов для создания оптического сигнала. Следует отметить, что существуют чувствительные к напряжению матрицы, в дополнение к стандартным матрицам кальция, который почти способны записывать самые быстрые одиночные всплески, но электрическая запись всё ещё более популярна за счёт своей скорости.
Одна из проблем обеих групп при создании этих видов одновременных электрооптических измерений — появление светоиндуцированных артефактов электрических записей. Это потенциальное осложнение называется фотоэлектрический эффект Беккереля, известное с 1839 года явление. Когда свет попадает на обычный металлический электрод, происходит фотоэлектрохимический (фотоэлектрический) эффект. Если он присутствует в этих записях, различные сигналы могут быть весьма неоднозначными. Исследователи из Пенсильвании сообщили, что не видели значительных артефактов, в то время как исследователи из Висконсина наблюдали небольшие эффекты при работе их устройства. В частности, при сравнении с платиновыми электродами, введёнными в кору противоположного полушария, учёные из Висконсина обнаружили, что артефакты от графена были такими же, как и от платиновых электродов.
На данный момент обе группы заняты описанием производительности своих устройств с точными подробностями. Если они будут работоспособны как постоянные мозговые имплантаты, они могут стать хорошим дополнением других новых подходов, например, гибких материалов наподобие шёлка. Где шёлк подвержен биологическому разложению и обратимости, графен может предложить биосовместимое постоянство и надёжность. Значительная шумиха по поводу оптогенетики в начстоящее время поутихла. Новые достижения, подобные описанным, могут помочь обратить внимание на огромный потенциал оптогенетики и пользу для людей.
Источник: qwedr.com