Il Grafene per la Bioelettronica
Graphene bioelectronics

Grazie alla sua struttura unica e alle straordinarie proprietà fisico-chimiche tra cui bassa reattività chimica, ampia superficie specifica, elevata conducibilità elettrica, flessibilità meccanica e biocompatibilità, il grafene ha un grande potenziale per gli impianti bioelettronici.

Uno degli usi di spicco del grafene in bioelettronica è la registrazione di segnali elettrici da organi del corpo, come il cuore o il cervello. L'edizione dello scorso anno della più grande fiera medica del mondo - MEDICA 2017, presentava diverse mostre utilizzando grafene nella biomedicina.

Tra gli oggetti esposti c'erano un rilevatore di attività cerebrale per l'allerta precoce di attacchi epilettici, un impianto retinico che fungeva da protesi ottica per le persone che hanno perso la vista, un'interfaccia cervello-computer contenente elettrodi di grafene per misurare l'attività cerebrale e una mano robotica completamente funzionale controllata da un braccialetto con sensori di grafene.

Illustrazione: impianti oculari di grafene. Fonte: transistor al grafene per bioelettronica (arXiv)
Illustration: Graphene ocular implants. Source: Graphene transistors for bioelectronics (arXiv)

Queste dimostrazioni di successo della tecnologia sono stati preceduti da anni di scrupolosa ricerca scientifica, che ha esplorato a poco a poco le possibilità e i vantaggi dell'utilizzo del grafene per la bioelettronica.

I primi lavori si sono concentrati sulla quantificazione dell'interazione del grafene con materiale biologico, come le membrane lipidiche. Era evidente che l'aggiunta di minuscole quantità di materiale biologico sulla superficie del grafene avrebbe cambiato le sue proprietà, vale a dire che il grafene si sarebbe comportato come un biosensore.

Il dispositivo di grafene più comune utilizzato nel biosensing è il transistor a effetto di campo al grafene - GFET. Le piattaforme di sensori di array GFET sono state anche utilizzate per identificare i globuli rossi infetti dalla malaria alla risoluzione delle singole cellule.

Il lavoro successivo ha mostrato che si possono far crescere cellule vive sul grafene e monitorare la loro attività chimica attraverso la lettura di segnali elettrici. Sono state rilevate attività sia intracellulari che extracellulari, come l'escrezione cellulare e la modulazione del potenziale di membrana delle cellule.

Oltre a svolgere l'importante funzione di registrazione dei segnali biologici, il grafene ha trovato sorprendenti nuove applicazioni come negli impianti ossei. Si è scoperto che i solidi porosi fatti di ossido di grafene possiedono proprietà meccaniche e biocompatibilità simili al titanio, un materiale tipicamente utilizzato per sostituire le strutture ossee.

Utilizzando stampi in grafite, questo nuovo materiale può essere modellato in forme complesse personalizzate come desiderato. E sebbene inizialmente li bordi siano stati sollevati dal calore che si sviluppa quando viene fornita energia alle strutture di grafene, che potrebbe danneggiare l'organismo ospite, i ricercatori hanno rapidamente trovato una soluzione al surriscaldamento, aggiungendo acqua tra il grafene e il materiale biologico. Un sottile strato di acqua che separa il grafene dai tessuti potrebbe evitare che le cellule circostanti vengano danneggiate quando viene applicato l'impianto.

Le ultime ricerche mostrano che uno strato di scaglie di grafene in verticale su una superficie uccide i batteri nocivi, bloccando potenzialmente le infezioni durante procedure come la chirurgia implantare. Mentre distruggono i batteri, i sottili fiocchi di grafene non danneggiano le cellule umane perché un batterio ha un diametro di un micron mentre una cellula umana è di 25 micron.

Per concludere, il grafene è un materiale eccellente per la bioelettronica, dimostrato da innumerevoli articoli di ricerca che confermano questa applicazione, nonché alcuni recenti prototipi di impianti di grafene funzionanti. La bioelettronica del grafene è tra le applicazioni più promettenti dei transistor ad effetto di campo di grafene (GFET), che stanno guidando la crescita del mercato del grafene a strato singolo.

 

Testo tradotto da https://www.graphenea.com/blogs/graphene-news/graphene-bioelectronics