Ученые из Калифорнийского университета в Беркли продемонстрировали еще одно применение универсального чудо-материала графена, используя его в качестве основы для усовершенствованного датчика, который может отображать электрические сигналы от живых клеток и тканей в режиме реального времени. «Графеновая камера» команды использовалась для записи электрической активности бьющегося сердца в действии, а также могла открыть новые возможности восприятия (сенсорные возможности), когда дело доходит до мозга.
Графен представляет собой двумерный лист углерода толщиной всего в один атом, и его невероятный список свойств захватил воображение ученых из самых разных областей исследований. Эти характеристики включают замечательную тонкость, высокую теплопроводность и электрическую проводимость, а также статус самого прочного искусственного материала.
Ученые Калифорнийского университета в Беркли объединились с химиками из Стэнфордского университета, чтобы изучить, как этот материал может открыть новое поколение передовых медицинских датчиков. Работа основана на предыдущих исследованиях, демонстрирующих, что электрическое поле может влиять на то, как лист графена отражает или поглощает свет, что команда исследовала, поместив примерно 1 см2 материала на бьющееся сердце куриного эмбриона.
«Когда клетки сокращаются, они запускают потенциалы действия, которые создают небольшое электрическое поле вне клетки», - объясняет автор исследования Халлех Балч. «Поглощение графена прямо под этой клеткой изменяется, поэтому мы увидим изменение количества света, который возвращается из этой позиции на большой площади графена».
Сердце из куриного эмбриона на устройстве CAGE. Фото: Halleh Balch/Allister McGuire/Jason Horng
Техника потребовала некоторой доводки. Первоначально электрическое поле, создаваемое клетками сокращающейся сердечной мышцы, было слишком маленьким, чтобы заметно повлиять на коэффициент отражения графена. Команда смогла усилить это, добавив под ним тонкий волновод, который работает с входным лазерным светом, который проходит через призму и отражает свет от графена примерно 100 раз, прежде чем выйти из устройства.
«Один из способов думать об этом заключается в том, что чем больше раз свет отражается от графена, когда он распространяется через эту маленькую полость, тем больше эффектов, которые свет испытывает от ответного отклика графена, и это позволяет нам получить очень, очень высокую чувствительность к электрическим полям и напряжениям вплоть до микровольт», - говорит Балч.
Схема "графеновой камеры" или датчика электрического поля графена, усиленного связанными волноводами (CAGE). Фото: Halleh Balch/Allister McGuire/Jason Horng
Команда смогла использовать эту «графеновую камеру» для изучения сердечных клеток размером всего десять микрон в реальном времени и создания оптического изображения слабых электрических полей, которые они генерировали в результате своего биения. Хотя электроды и химические красители могут использоваться для измерения этой электрической активности в клетках, они могут делать это только в одном конкретном месте, в то время как лист измеряет напряжение на всей площади ткани. Команда представляет объединение этих методов восприятия, регистрируя электрические сигналы клеток и одновременно визуализируя окрашенные ткани.
Последовательность изображений бьющегося сердца, каждое из которых разделено 5 миллисекундами, с изменяющимся электрическим полем, представленным в виде различных рисунков на листе графена. Фото: Halleh Balch/Allister McGuire/Jason Horng
«Легкость, с которой вы можете изобразить целую область образца, может быть особенно полезна при изучении нейронных сетей, в которых задействованы все типы клеток», - говорит первый автор исследования Аллистер Макгуайр из Стэнфордского университета. «Если у вас есть флуоресцентно меченая клеточная система, вы можете нацеливаться только на определенный тип нейрона. Наша система позволит вам регистрировать электрическую активность во всех нейронах и поддерживающих их клетках с очень высокой степенью целостности, что действительно может повлиять на то, как люди проводят исследования на уровне сети».
«Графеновая камера» или датчик электрического поля на основе графена с усилением с помощью связанного волновода (coupled waveguide-amplified graphene electric field, CAGE), как его еще называют, может быть использован для тестирования лекарственных препаратов-кандидатов на сердечной мышце перед клиническими испытаниями, чтобы увидеть, вызывают ли они аномальные изменения. Это было продемонстрировано введением куриному эмбриону препарата, подавляющего мышечные белки, из-за чего сердце перестало биться, позволяя команде наблюдать, как это никак не повлияло на электрическое поле.
Устройство также может открыть новые возможности в прямом зондировании мозга. Электродные матрицы сегодня используются для изучения электрической активности клеток мозга, хотя это возможно только в нескольких сотнях мест. Прочные листы графена можно было разместить на поверхности, чтобы получить более широкую картину непрерывной электрической активности.
«В этом проекте меня удивляет то, что электрические поля опосредуют химические взаимодействия, опосредуют биофизические взаимодействия - они опосредуют все виды процессов в мире природы - но мы никогда их не измеряем. Мы измеряем ток и мы измеряем напряжение», - говорит Балч. «Возможность фактически отображать электрические поля дает вам возможность взглянуть на модальность, о которой вы раньше не имели представления».
Исследование было опубликовано в журнале Nano Letters, а на видео ниже показана последовательность изображений, сгенерированных устройством, на которых изображено одно биение сердца куриного эмбриона.
Источник: New Atlas / University of California, Berkeley
