Jak grafen působí na člověka?

Plně transparentní mikroelektrodové pole umožňuje provádět více neurofyziologických experimentů současně.

Lidský mozek je neuvěřitelně složitý a jedinečný systém a existuje mnoho metod, jak jej studovat. Informační procesy v mozku můžeme posuzovat buď podle změn interneuronových kontaktů – synapsí, nebo podle změn krevního oběhu – pracovní oblasti vyžadují více živin a kyslíku; a studium lidského mozku se v podstatě rovná pozorování těchto dvou typů aktivity v reakci na různé podněty.

Hotová transparentní grafenová matrice (vlevo) a krevní cévy viditelné pod ní.

Porovnání průhledných a neprůhledných elektrod, modrá označuje paprsek dopadajícího světla procházející průhlednou matricí a neodrážející se od neprůhledné; mECoG – mikroelektrokortikografie.

Existují neinvazivní metody, jako je ultrazvuk, funkční magnetická rezonance (fMRI) a encefalografie, i když někdy jsou neurovědci nuceni „dostat se jim do hlavy“ v doslovném smyslu. Různé metody umožňují mimo jiné dozvědět se více o tom, jak funguje zrak, čich a další smyslové systémy, podrobně prostudovat podrobný mechanismus vzniku Parkinsonova a Alzheimerova syndromu a, což je také důležité, prostudovat mechanismy imunitní obrany mozku. Jedná se o velmi rozsáhlé a složité problémy a čím více informací experiment poskytuje, tím lépe. Invazivní i neinvazivní metody se aktivně rozvíjejí díky vědeckému a technologickému pokroku a vzniku nových materiálů s nejrůznějšími vlastnostmi.

Pro neurofyziologické studie se obvykle do mozku implantují speciální mikroelektrodová pole (tj. mnoho elektrod nainstalovaných na společné matrici), což umožňuje detekovat elektrický signál na několika místech najednou. V závislosti na experimentu se takové matrice implantují buď na povrch mozku, nebo hluboko do něj.

Mikroelektrodová pole mají obvykle řadu nevýhod: neprůhledné kontakty, omezená průhlednost materiálu jako celku a nerovnoměrná propustnost pro různé vlnové délky. Často jsou vyrobeny z houževnatého a biologicky nekompatibilního materiálu, na který mozek reaguje zánětem. V ideálním případě by matrice měly být transparentní v širokém rozsahu, aby bylo možné neurony stimulovat světlem různých frekvencí, od modrého (používaného v optogenetice) po infračervené (používaného ve dvoufotonové fluorescenční mikroskopii), flexibilní a biokompatibilní. Je také žádoucí, aby byly dostatečně tenké – při správné průhlednosti to umožňuje optimalizovat optický sběr informací.

Pro matricové neuroelektrody se často používají materiály jako titanem potažený indium titanium oxid (ITO) nebo zirkonium. Propouštějí 80 % a 60 % světla, ale přenos je velmi závislý na vlnové délce, což ztěžuje kombinaci několika metod, které používají různé vlnové délky světla pro neurostimulaci nebo detekci signálu odezvy.

Američtí fyzici a neurovědci vyvinuli nové mikroelektrodové matrice založené na grafenu. Grafen je krystal uhlíkových atomů uspořádaných do voštinového tvaru o tloušťce jednoho nebo více atomů – ve skutečnosti je to dvourozměrný krystal. Pokud naskládáme mnoho grafenových vrstev, dostaneme známý grafit.

Grafen je velmi pružný a zároveň velmi pevný na svou tloušťku. Má také průhlednost asi 90 % ve spektru od ultrafialového po infračervené a je vynikajícím vodičem proudu. Je jasné, proč mnoho výzkumníků aktivně studuje grafen a možnosti jeho využití k vytvoření tenkých a flexibilních elektrod.

Přečtěte si více

Evropská oliva: pěstování a péče

Ve své práci Dong-Wook Park (Park Dong-Wook) a jeho kolegové navrhli techniku pro výrobu grafenových transparentních mikroelektrodových polí, které lze použít v mikroelektrokortikografii (to znamená při studiu elektrické aktivity mozkové kůry), v elektrofyziologických experimentech, ve fluorescenční mikroskopii (když jsou jednotlivé neurony „osvětleny“ se speciálními fluorescenčními markery), v optogenetice, ve výzkumu imunitního systému mozku atd.

Matrice byly vytvořeny přenesením jednovrstvého grafenu vypěstovaného chemickou depozicí z plynné fáze na speciální flexibilní substrát. Za vhodně zvolených podmínek dochází v určité atmosféře a při vysokých teplotách k rovnoměrnému ukládání atomů uhlíku na měděném substrátu za vzniku vysoce kvalitního grafenu.

Pro spolehlivost byly 4 vrstvy grafenu přeneseny na parylenový substrát (polymerové dielektrikum odolné vůči rozpouštědlům) (i když v zásadě je možné přenést hotový čtyřvrstvý grafen). Tato tloušťka také poskytuje optimální rovnováhu mezi průhledností a elektrickou vodivostí. Výsledné transparentní a flexibilní pole mikroelektrod umožňuje maximálně zefektivnit různé metody studia mozkové aktivity. Úplné výsledky experimentů byly zveřejněny v Přírodní protokoly.

Neurovědci do svého vynálezu vkládají velké naděje: jsou přesvědčeni, že jej lze upravit pro různé studie mozkové aktivity a také pro vytváření implantátů. Kromě toho bude taková matrice mikroelektrod užitečná i při experimentech s buněčnými kulturami, ve kterých je velmi důležité sledovat buněčný růst.

A pokud je toto zařízení „naučeno“ elektricky stimulovat neurony, mohou být průhledné elektrody přizpůsobeny ke studiu svalové a srdeční činnosti. Taková zařízení by umožnila současně provádět elektrickou stimulaci, sledovat činnost buněk a orgánů a celý proces pozorovat pomocí mikroskopu.

Autor: Anya Grushina

Grafenová a plazmonová rezonance pro budoucnost medicíny
Grafen udělá solární energii dostupnější
LED a fotodetektory: tenčí, účinnější, rychlejší – díky grafenu
CO VÍ VĚDA O MOZKU
Smutek a radost nelze před MEG skrýt
Byla vytvořena nová mapa mozkové kůry
Mozek snímá, když je zkoumán
Proč fMRI vidí věci, které tam nejsou?

Porézní grafen získaný pomocí laseru se ukázal být obdařen dobrými vlastnostmi proti znečištění, to znamená, že neumožňuje hromadění různých mikroorganismů na jeho povrchu. Vědci z Rice University, kde práce probíhaly, navíc zjistili, že když se na takový grafen přivede malé napětí, začne účinně zabíjet bakterie. Studie byla publikována v časopise Materiály a rozhraní ACS.

Zanášení struktur mikroorganismy ve vlhkých podmínkách může výrazně ovlivnit jejich provoz. Například znečištění boků lodí může snížit jejich rychlost a také urychlit korozi, což výrazně prodražuje jejich provoz. Existují speciální barvy a nátěry, které chrání konstrukce před znečištěním.

Ve své práci vědci zkoumali laserem indukovaný grafen (LIG), objevený na Rice University v roce 2014. Získává se laserovým ozářením polymerního filmu z polyimidu, v důsledku čehož se uhlík polymeru přemění na grafen s chaotickou strukturou. Tento způsob získávání grafenových struktur se ukázal být mnohem jednodušší a levnější než jiné v té době známé. Vědci se rozhodli zkoumat vliv takového grafenu na živé organismy. Ukázalo se, že má nějaký antibakteriální účinek, jako běžný jednovrstvý grafen. Ukázalo se však, že když se na takový materiál aplikuje malé napětí (od 1,1 do 2,5 voltu), antibakteriální účinek se značně zvýší.

Přečtěte si více

Jak se vyrábí Calvados?

Ke kvantifikaci účinku použili vědci bakterie Pseudomonas aeruginosa (Pseudomonas aeruginosa), označený zeleným fluorescenčním proteinem v roztoku o koncentraci asi 4 tisíce bakterií na mililitr. Po přivedení napětí 2,5 voltu bakterie během jedné sekundy z elektrod zcela zmizely a při čtyřhodinovém provozu zařízení bylo zabito více než 99 procent bakterií v celém objemu roztoku.

Vědci se domnívají, že účinek je způsoben kombinací tří faktorů: elektrického proudu, který je škodlivý pro bakterie, ostrých hran grafenu, které ničí jejich membrány, a tvorby toxického peroxidu vodíku.

Předpokládá se, že materiál by mohl být použit v úpravnách vody nebo různých mořských strukturách.

Nedávno vědci z příbuzné výzkumné skupiny vyvinuli technologii, která umožňuje, aby grafen získaný z laseru získal různé postoje k vodě, od superhydrofilní po superhydrofobní, pomocí plynů.

Grigorij Kopiev
Našli jste překlep? Vyberte fragment a stiskněte Ctrl + Enter.

Francouzi představili koncept pilotované jediné multikoptéry Zapata Airscooter
S hybridním pohonem a délkou letu více než dvě hodiny

Francouzská společnost Zapata vyvíjí osobní letoun s vertikálním vzletem a přistáním s názvem Airscooter. Zařízení o hmotnosti 115 kilogramů určené pro jednu osobu bude vybaveno dvanácti vrtulemi a hybridní elektrárnou. Airscooter bude schopen zvednout náklad o hmotnosti až 120 kilogramů, dosáhnout maximální rychlosti 100 kilometrů za hodinu a létat déle než dvě hodiny, uvádí New Atlas. S podporou Angie, první ruský webový server Zapata, založený vynálezcem Frankym Zapatou, vyvíjí osobní letadla již více než deset let. Zapatův seznam vynálezů například zahrnuje vodní a vzdušné vznášedla Flyboard a také jednomístné letadlo JetRacer, představené v roce 2022. Svým designem připomíná kvadrokoptéru, v níž deset kompaktních proudových motorů funguje jako rotory, které urychlují zařízení na 200 kilometrů za hodinu. Do třídy osobních letadel patří také nový vývoj společnosti Zapata s názvem Airscooter. Navenek karoserie jednomístného Airscooteru připomíná vejce na třech podpěrách, nad nimiž je rám složený z osmi nosníků, na kterých je umístěno dvanáct rotorů. Dva zadní nosníky jsou spojeny spoilerem. Čtyři velké rotory instalované na koncích nosníků umístěných podél a kolmo k ose zařízení, soudě podle zveřejněných obrázků a videí, se otáčejí pomocí hybridního pohonu. Dalších osm šroubů menšího průměru je umístěno ve dvojicích na zbývajících čtyřech ramenech rámu a jsou plně elektricky poháněné. https://www.youtube.com/watch?v=v_hPFbpA_ts Точное предназначение всех двенадцати воздушных винтов пока не раскрывается, однако можно предположить, что восемь малых пропеллеров будут намного быстрее реагировать на управляющие сигналы, поэтому скорее всего они будут использоваться для управления и балансировки устройства в полете, в то время как большие винты будут создавать основную тягу. Podle charakteristik zveřejněných na webových stránkách společnosti bude Airscooter schopen zrychlit na rychlost 100 kilometrů za hodinu a zvednout do vzduchu až 120 kilogramů. Díky hybridnímu pohonnému ústrojí bude doba letu vzduchového skútru na jedno natankování 18,9litrové nádrže více než dvě hodiny, čímž se odlišuje od čistě elektrických letadel s vertikálním vzletem a přistáním. Další výhodou bude hmotnost Airscooteru, která je pouhých 115 kilogramů. Kvůli tomu se například v USA Airscooter kvalifikuje jako ultralehké letadlo, které k provozu nepotřebuje pilotní licenci. Společnost tvrdí, že řízení letadla bude díky automatizaci a řadě bezpečnostních senzorů stejně snadné jako létání s dronem. V současné době neexistují žádné informace o ceně zařízení a načasování jeho dostupnosti. Dnes mnoho společností vyvíjí hybridní a plně elektrická letadla, která by se měla brzy stát součástí nového odvětví aerotaxi. Stupeň bezpečnosti technologií, které se v nich používají, však dosud nebyl plně prozkoumán.

Přečtěte si více

Jak vypadá oplozené slepičí vejce?

Použití všech textových materiálů bez úprav pro nekomerční účely je povoleno s odkazem na N + 1.

Všechna audiovizuální díla jsou majetkem jejich autorů a držitelů autorských práv a slouží pouze pro vzdělávací a informační účely.

Pokud jste vlastníkem konkrétního díla a nesouhlasíte s jeho umístěním na našem webu, napište nám na [email protected]

Stránky mohou obsahovat obsah, který není určen pro osoby mladší 18 let.