Что такое графен простыми словами в медицине
Графен в медицине. Биоэлектроник Дмитрий Киреев о графеновых устройствах для лечения и диагностики заболеваний и их преимуществах перед кремниевыми девайсами
В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (Группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.
В 2010 году Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию за «новаторские эксперименты, касающиеся двухмерного материала графена». С тех пор физики и химики по всему миру начали исследовать свойства нового материала и находить им все новые практические применения. Графен используется для создания электронных чипов, сенсоров для газов, мембран для очищения воды. С появлением графена начался новый этап развития медицинских технологий и биоэлектроники.
Свойства графена
Графен — это двумерный материал, аллотропная модификация углерода. В случае графена атомы углерода выстроены в шестигранную структуру и формируют слой толщиной в один атом — это и есть графен. Такую структуру он приобретает за счет На внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона: при три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. Поэтому графен обладает уникальными электрическими свойствами и прекрасно проводит электрический ток. Графен также имеет впечатляющие механические свойства: он гибкий, тонкий и на 97% прозрачный.
Теоретические работы доказывают, что графен очень жесткий и стойкий к механическому воздействию. В то же время, если положить его на подложку из мягкого материала, он примет его свойства. Эти характеристики полезны в биоэлектронике, в рамках которой ученые разрабатывают устройства для применения в живых организмах. В этой области приоритет отдается мягким материалам, более совместимым с тканями организма. Кремний и твердые металлы, которые используются в обычной электронике, для этого плохо подходят. С 2008 года появляются работы по графеновым нейродевайсам и биосенсорам: ученые исследуют возможности нового материала и уже достигают ощутимых результатов в этой области [1] [2].
Нейродевайсы: считывание активности нейронов
На основе уникальных свойств графена можно делать нейродевайсы, считывающие активность нейронов. Базовый элемент таких устройств — графеновый (амбиполярный, полевой) транзистор, через который протекает ток, если приложить напряжение. Разработчики биоэлектроники делают чипы, на которых размещают графеновые транзисторы на гибких подложках. Поверх этого чипа выращивают нейрональные клетки. Примерно через три недели, когда клетки достаточно вырастают, они взаимодействуют между собой и спонтанно возбуждаются, производят импульс. На поверхности клетки изменяется заряд — быстро и незначительно, на десятки милливольт. Этот поверхностный заряд влияет на проводимость графена за счет эффекта поля, то есть нейрональный импульс изменяет ток на всем транзисторе. Ученые считывают его и тем самым видят активность нейронов. Нейродевайсами занимаются в Center for Microelectronics Research в Техасском университете в Остине, а также в Institute of Bioelectronics в Юлихском исследовательском центре в Германии. Технология работает в лабораторных условиях, сейчас на ее основе ученые из Техасского университета изготавливают девайсы, которые можно имплантировать в мозг. Несколько таких устройств уже создали другие исследовательские группы, они смогли протестировать их in vivo на мышах и крысах [3].
В перспективе эту технологию можно применять и для людей. Нейродевайсы могут облегчить жизнь людям с болезнью Паркинсона, которые часто сталкиваются с тремором, непроизвольным сокращением мышц. Чтобы регулировать судороги, пациентам имплантируются мультиэлектродные массивы, которые глубоко стимулируют головной мозг электрическими импульсами. При наступлении судорог пациент нажимает кнопку на мини-девайсе, и через электрод поступает несколько сигналов в часть мозга, которая отвечает за заболевание.
Проблема стандартных мультиэлектродных массивов в том, что они сделаны из твердого кремния. Имплантировать кремниевое устройство в мозг — все равно что пытаться поместить гвоздь в мягкую конфету. Организм реагирует на кремниевую электронику как на инородное тело. Вокруг таких устройств формируются глиальные клетки, с помощью которых мозг пытается защитить нейроны и вытолкнуть чужеродный предмет. Поэтому стимуляторы меняют каждые 2–5 лет. На основе графена можно разрабатывать совсем другие девайсы — гибкие, тонкие и мягкие. Клетки апробируют такое устройство, защитная реакция не запустится. Тогда девайсы можно будет менять намного реже — раз в несколько десятков лет.
Облегчение болезни Паркинсона — далеко не единственная область применения графеновых нейродевайсов. Они будут полезны исследователям, работающим с любыми нейродегенеративными заболеваниями. Большинство из них до сих пор недостаточно изучены: ученым не хватает данных о том, как работает человеческий мозг. Сейчас для таких наблюдений тоже используют кремниевые устройства, так что более эффективные графеновые девайсы заменят их и в исследовательских задачах.
Сенсоры: определение биомаркеров
Другая область применения графена — создание сенсоров, которые определяют биомаркеры. Таким образом можно измерять нейрональные биорецепторы, ДНК, иммуноглобулин, биомаркеры, связанные с раком или сердечно-сосудистыми заболеваниями. Это дает врачам новые возможности для диагностики заболеваний.
Устройства для биосенсоров тоже работают на графеновых транзисторах, но они устроены сложнее. Графен — это углеродная решетка в одной плоскости. Чтобы сделать биосенсор, молекула должна взаимодействовать с графеном. Для этого нужно построить его двух- или трехуровневую функционализацию — присоединить к графену несколько химических групп. Для начала графен функционализируется с пиреном — химическим соединением с формулой C16H10, (циклическим полиароматическим углеводородом). Эту молекулу уже можно функционализировать с другими: например, добавить к ней глюкозооксидазу, и в результате получится биосенсор для глюкозы. Когда глюкоза приблизится к глюкозооксидазе, эти два элемента вступят в химическую реакцию. Она спровоцирует изменение тока в графеновом транзисторе, которое ученые могут наблюдать и делать выводы об уровне биомаркера в организме. Группа корейских исследователей встроила глюкозный сенсор в мультифункциональные контактные линзы — они определяют уровень глюкозы на основе состава слезы. В 2017 году эту технологию испытали на кроликах. Совсем недавно российская группа создала биосенсоры на основе графена, позволяющие измерять токсины, в частности охратоксин А, считающийся одним из самых опасных. В перспективе все эти технологии позволят точнее диагностировать заболевания и отслеживать их течение.
Миф о токсичности графена
На любых конференциях неминуемо поднимается вопрос потенциальной токсичности графена. Каждый раз ученым приходится объяснять, что это не совсем так. Графен можно производить несколькими способами. Один из них — это простое размешивание графита или углерода в воде, в результате которого получаются маленькие частицы с латеральными размерами графена меньше ста нанометров. Графен такого вида действительно опасен для клеток: в годах исследователи Ахаван и Гадери опубликовали работу, которая доказывала, что мелкие частицы проходят через клеточную мембрану и убивают клетку.
В современной биоэлектронике используется высококачественный графен, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы. Он представляет собой однородный слой атомов на очень большой площади — до 100 на 100 миллиметров. Потом разработчики уменьшают его до порядка 100 на 100 микрометров и закрепляют на подложке. В этом случае он не может проявить токсичность, потому что не плавает среди клеток. Более того, есть несколько работ, в рамках которых ученые выращивали клетки поверх графена на подложке и на обычном стекле и сравнивали результаты. Выяснилось, что клетки растут гораздо активнее именно на графене. Графен — биосовместимый материал, ведь это обычный углерод.
Предусиление сигнала: проблема передачи данных на расстоянии
Один из недостатков графена для электроники — это отсутствие запрещенной зоны — такой области значений, которыми не могут обладать электроны в веществе. В графене у электронов произвольная энергия. Он слишком хорошо проводит ток, поэтому на его основе нельзя сделать классический транзистор с положениями 1 и 0, наличием и отсутствием тока. Графеновый транзистор никогда не закрывается: он просто проводит ток либо хорошо, либо плохо. этого он не выполняет логические операции, с которыми справляются классические кремниевые транзисторы. Для современной графеновой электроники это значительная проблема.
Биоэлектрические потенциалы, создаваемые нейрональными клетками вокруг мембраны, довольно слабые: от десяти до двухсот микровольт в зависимости от клетки, ширины щели между ней и графеном и прочих факторов. Передавать их на расстояние нескольких метров без потерь практически невозможно: электромагнитные волны от других устройств заглушают слабый сигнал. На основе графена нельзя построить транзисторы, которые будут выполнять логические операции для усиления сигнала. Оптимальным решением будет использовать графен для измерения и создавать дополнительные транзисторы из других Они позволят предусилить сигнал от 10 микровольт до 10 милливольт, которые можно проводить без потерь на 10 километров. Это важная задача и для обычной электроники, и для медицинских девайсов. Предусиление сигнала позволит сделать все технологии беспроводными и взаимодействовать с устройствами через транзисторные системы.
Перспективы практического применения графена
Сложно сказать, когда графеновую биоэлектронику начнут широко применять на практике. Ученые испытывают нейродевайсы, биосенсоры и другие исследовательские проекты в лабораторных условиях. Чтобы вывести их на уровень медицинского применения, нужно развивать индустрию производства графеновых устройств. Для исследований обычно изготавливают от 10 до 100 аппаратов. Медицинская практика требует гораздо больших масштабов: нужны тысячи и миллионы таких устройств. Сейчас кажется, что перспектива практического применения пока далеко за горизонтом, но через 5–10 лет можно будет сказать нечто более определенное. Исследовательские группы экспериментируют с графеном в разных направлениях, применяют его для решения многих задач. Пока сложно однозначно выделить перспективные подходы, на это нужно время и инвестиции, которые помогут развивать уже имеющиеся исследования.
Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?
Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.
Что такое графен и чем он так уникален?
Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.
Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.
Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.
Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы.
Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.
Миф о токсичности графена
Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.
Где уже используют графен?
Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.
Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.
Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.
Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.
Где можно применять графен в будущем?
Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.
Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.
Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.
Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.
Графеновый бум
За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.
В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах [6].
Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.
В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.
В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.
Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.
В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.
Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?
Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.
Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.
Графен с неба, в воде и в вакцинах. Зачем?
2015-2017 годы. ПАУКИ И ГРАФЕН
Группа итальянских исследователей обнаружила, что при нанесении на некоторых пауков водной взвеси графена и углеродных нанотрубок (УНТ) некоторые животные способны включать их в состав своей паутины, что делает ее более прочной.
Можно также и поить их взвесью графена в воде.
Как оказалось, графен не нарушает жизнедеятельность некоторых из насекомых.
То есть не убивает, по крайней мере сразу.
Так, по ударной вязкости, доходящей до 520 Мдж/м2, их паутина десятикратно превосходит кевлар (защита от ножа и пули), что позволяет паукам Дарвина плести нити до 25 метров длиной и даже перекидывать «мосты» из такой паутины через небольшие реки.
Графен может стать частью живого организма, встроиться в него и изменить его свойства.
2016 год. ГРАФЕН И ШЕЛКОПРЯД
Учёные с химического факультета и центра нано- и микромеханики Университета Цинхуа (Пекин) предложили новый способ обогащения шёлкового волокна с помощью углеродных нанотрубок и графена.
Китайские учёные предположили, что для пищеварительной системы шелкопрядов и внедрения в структуру фиброина гораздо более приемлемыми окажутся одностенчатые углеродные нанотрубки диаметром около 1-2 нм.
Кроме одностенчатых нанотрубок, учёные решили скормить шелкопрядам ещё и графен, тоже потенциальный упрочнитель.
Чтобы скормить материалы животным, учёные применили простой метод: они распылили взвесь с одностенчатыми нанотрубками и графеном на листья шелковицы, которыми питаются шелкопряды — а потом собрали продукт из кокона.
Опыт завершился успехом.
Диета шелкопрядов с добавками одностенчатых нанотрубок и графена привела к получению шёлковой нити с улучшенными свойствами.
Нить получена естественным натуральным путём из кокона, как и обычная шёлковая нить.
Учёные изучили спектры комбинационного рассеяния шёлкового волокна и экскрементов шелкопрядов — и подтвердили в обоих случаях внедрение углеродных нанотрубок в шёлковое волокно.
Они также проверили, насколько изменились свойства волокна после внедрения углеродных нанотрубок.
Неудивительно, что после добавления графена и углеродных нанотрубок шёлковая нить стала проводником электричества.
У лучшего образца шёлка с частицами графена электрическая проводимость составила довольно высокие 120 сименс на сантиметр.
Такой шёлк можно использовать в электронике.
Удобно запитывать носимые гаджеты, вшитые прямо в шёлковую одежду.
Собственно, и светящуюся ткань сделать достаточно просто.
Научная статья опубликована 13 сентября 2016 года в журнале Nano Letters (doi: 10.1021/acs.nanolett.6b03597).
Графен может стать частью живого организма, встроиться в него и изменить его свойства.
2020 год. ЛЮДИ И ГРАФЕН
Смотрим сайт «GRAFENE FLAGSHIP».
Он рассказывает о проекте Евросоюза с бюджетом в 1 млрд. евро.
Речь идет о производстве и использовании графена.
Биолог по имени Рикардо Дельгадо и врач Хосе Луис Севильяно, ведущие онлайн-программы под названием «La Quinta Columna», выдвинули версию, по которой руки некоторых людей становятся магнитными именно в том месте, где им сделали прививку.
В этих местах прилипают не только магниты, но и ножницы, металлические детали, инструменты, даже мобильные телефоны!
Это явление не является исключительным для руки.
В течение нескольких дней оно перемещается в сторону груди, шеи или верхней части позвоночника.
Причина?
La Quinta Columna, команда испанских исследователей, обнаружила, что некоторые вакцины содержат оксид графена.
Рикардо Дельгадо:
«Они вводят оксид графена в качестве адъюванта в вакцины против COVID-19.
Он имеет полосу поглощения для частот 5G, что также может служить причиной магнитного явления.
Нановещества внедряются в ампулы с вакциной.
Не только от COVID-19, но и от вакцины против гриппа.
Существует множество свидетельств «магнитного» явления во всем мире.
Они связаны не только с явлением прилипания магнитов и металлических предметов к месту уколов.
Есть еще явления электромагнитной индукции, генерирующей переменные электромагнитные поля внутри тела если использовать измерительные приборы, такие как гауссметр или мультиметр, которые тоже генерируют переменные электрические поля в милливольтном масштабе, но очень необычные, порядка 180 мВ до 200-350 мВ у некоторых людей, особенно в области лба.
Графен может стать частью организма людей и изменить его свойства, например, сделать более электропроводным и способным принимать сотовое излучение, поскольку при попадании внутрь нас он встраивается в нас на некоторое время (например, полгода) и превращается в антенну.
ЗАЧЕМ?
ПОЧЕМУ ИМЕННО ОКСИД ГРАФЕНА?
Вот версия.
Исследователи из компании Graphene Flagship, партнеры SISSA в Италии, ICN2 в Испании и Манчестерского университета в Великобритании, в сотрудничестве с Медицинской школой Рибейран-Прету Университета Сан-Паулу, в модельном исследовании обнаружили, что оксид графена подавляет поведение, связанное с тревогой.
Они обнаружили, что введение оксида графена в определенную область мозга заставляет замолчать нейроны, ответственные за тревожное поведение.
Ученые использовали обычную модель поведения животных, которую описывают следующим образом.
В известном классическом мультфильме «Том и Джерри», Джерри живет в дыре в стене небольшой комнаты, где чувствует себя защищенным и в безопасности.
Обычно мышь исследует комнату свободно и без забот.
Но когда мышь нюхает кошку, она убегает обратно в нору, поскольку знает, что только там безопасно.
Это очень сильное защитное поведение и основа для реакции «бей или беги», которая свойственна большинству животных.
Мышь надолго запоминает такое свое поведение и при малейшем шорохе убегает обратно в нору даже по прошествии недель встречи с кошкой, даже после того, как малейших запах кошки исчез.
Однако, применив точечное введение оксида графена исследователи получили удивительные результаты. «Через два дня после инъекции оксида графена в определенную область мозга мыши она вела себя как другие мыши, которые никогда не ощущали запах кошки в своей домашней среде.
Другими словами, оксид графена подавлял тревожное поведение мышей», – объясняет Лаура Баллерини, ведущий автор статьи и профессор физиологии из компании Graphene Flagship
«Оксид графена взаимодействует с частью мозга, ответственной за формирование воспоминаний, связанных со страхом, которые вызывают беспокойство. Он не действует как лекарство, подавляя функцию каких-то выборочных рецепторов рецепторов, как действуют все другие лекарства.
Вместо этого графен временно останавливает весь механизм формирования воспоминаний на достаточно долгое время, чтобы разрушить связанную со страхом патологию мозга, не повреждая клеток», – продолжает Баллерини.
Таким образом, экспериментально показано, что графен имеет тропизм к нервной ткани и хорошо там накапливается.
А после того как его концентрация в нейросети становится достаточной – он начинает блокировать механизм формирования памяти, переписывая её настолько, что мышь потом никак не реагирует на кота.
БЛАГИЕ НАМЕРЕНИЯ ВЛАСТЕЙ
Путей введения в нас графена немало.
Это и распыление с самолетов, и добавление в воду.
И вакцины (главный способ введения), и многое, многое другое.
Чему нужно учиться теперь?
Нужно учиться лечиться, чтобы выжить самому и помочь близким.
Все это работает, причем здорово!
Особенно с молитвой Тому, Кто создал лечебные растения и минералы!
(читайте мои статьи, там все есть).