石墨烯-一種由單層碳原子組成的新型2D材料-正在通過研究和開發(fā)階段迅速取得成功。它具有導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，化學(xué)穩(wěn)定性，透明性，柔性和強(qiáng)度。利用這些特性來改進(jìn)和創(chuàng)造新技術(shù)是跨越多個(gè)領(lǐng)域的共同主題。

但是，一種材料如何無處不在？答案是多功能性。其結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行修改和功能化，以滿足多種不同的目的。此外，石墨烯基材料的生產(chǎn)和改性范圍可以從涉及化學(xué)氣相沉積的過程或使用石墨原材料的溶液中的大量化學(xué)合成。隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高，材料性能進(jìn)一步接近其理論上限，并且材料的實(shí)用性擴(kuò)大到更廣泛的應(yīng)用范圍。

石墨烯晶體管陣列

神經(jīng)接口技術(shù)

神經(jīng)接口技術(shù)是石墨烯的許多潛在用途之一。作為石墨烯旗艦計(jì)劃的一部分，西班牙巴塞羅那加泰羅尼亞納米科學(xué)與納米技術(shù)研究所的實(shí)驗(yàn)室與巴塞羅那微電子研究所合作，正在研究石墨烯在電極-組織界面作為記錄和刺激電極應(yīng)用于神經(jīng)假體-恢復(fù)由于神經(jīng)損傷而喪失功能的裝置。

目標(biāo)是生產(chǎn)一種石墨烯基微電極技術(shù)，其性能優(yōu)于金，鉑，鈦等金屬衍生的傳統(tǒng)電極。高性能電極的特征在于在電記錄期間具有大的信噪比，并且在電刺激期間具有高電荷注入容量。具有低電化學(xué)阻抗的電極材料通常提供更好的信噪比，而具有大的有效表面積并因此可以發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移的大電容的材料提供更高的（CIC）電路標(biāo)識(shí)碼。已經(jīng)提出基于導(dǎo)電聚合物和其他形式的碳（例如碳納米管，金剛石和碳黑）的材料作為改進(jìn)傳統(tǒng)金屬技術(shù)的手段。到目前為止，他們還沒有取代金屬電極，因?yàn)樗鼈兊母咝阅苁且該p害電化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性為代價(jià)的，反之亦然。本研究旨在利用石墨烯的多功能性來定制具有競(jìng)爭(zhēng)電化學(xué)特性的電極。

石墨烯形式遵循功能

作為神經(jīng)界面材料的石墨烯可以采取多種形式，例如單層二維石墨烯，多層石墨烯，垂直排列的石墨烯納米壁和石墨烯薄片。其中每個(gè)都有不同的屬性。單層石墨烯具有導(dǎo)電性和透明性，但具有相對(duì)較低的界面電容。它適用于記錄電極，可用于光電子研究，通過光刺激誘導(dǎo)神經(jīng)激活，同時(shí)使用電極記錄神經(jīng)反應(yīng)。石墨烯的透明度使得直接位于電極下方的神經(jīng)元可以被不透明材料遮擋。多層石墨烯可以提供比單層石墨烯更高的電導(dǎo)率和界面電容，但是具有降低的光學(xué)透明度。垂直排列的石墨烯納米壁由垂直于基底表面取向的少量石墨烯層組成。它們可以使用等離子增強(qiáng)石墨烯化學(xué)氣相沉積生產(chǎn)。這通過訪問垂直維度中的表面區(qū)域來改善材料的界面電容，類似于碳納米管發(fā)生的情況。這種增加的電容對(duì)神經(jīng)刺激電極有吸引力。石墨烯薄片可以源自大塊石墨的液相剝離。一旦這些薄片被沉積以形成薄膜，薄片的隨機(jī)排列可以產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，其表面積與材料厚度成比例。由此產(chǎn)生的電容使印刷電影有希望成為神經(jīng)記錄和刺激的電極，雖然它有缺點(diǎn)，如由薄膜厚度引起的降低的透明度，以及由材料的碎片性質(zhì)引起的高阻力。可以探索這些石墨烯形式中的每一種以產(chǎn)生與生電神經(jīng)元接合的新型微電極，并且可能將不同形式彼此或與其他材料組合以增強(qiáng)或利用特定特性。

視網(wǎng)膜植入物

無源電極

對(duì)于利用電刺激的神經(jīng)假體，目前的挑戰(zhàn)之一是減小電極的尺寸，同時(shí)保持在材料的安全CIC內(nèi)的刺激。較小的電極是令人滿意的，因?yàn)樗鼈儗?duì)刺激區(qū)域提供更高的特異性。例如，當(dāng)設(shè)計(jì)視網(wǎng)膜假體時(shí)，縮小的電極尺寸是重要的，這意味著將視力恢復(fù)到因視網(wǎng)膜疾病導(dǎo)致失明的個(gè)體的視力，所述視網(wǎng)膜疾病導(dǎo)致眼后部的光敏神經(jīng)元損失。在這種假體中，照相機(jī)捕獲外部世界的圖像，該圖像被轉(zhuǎn)換成通過植入視網(wǎng)膜上的微電極陣列傳遞的電刺激的時(shí)空?qǐng)D案。

每種材料都有一個(gè)基本的CIC，結(jié)合激活神經(jīng)元所需的電荷，將決定電極的制造能力。但是，通過在保持相同的幾何尺寸的同時(shí)粗糙化材料的表面，可以增加電極的實(shí)際CIC。這一戰(zhàn)略已經(jīng)成功實(shí)施了金屬電極。石墨烯處理的多功能性允許將這種想法擴(kuò)展到垂直維度，如石墨烯薄片所例示。多孔結(jié)構(gòu)增加了電極體積的表面積，這可以導(dǎo)致電化學(xué)性能的提高和設(shè)計(jì)的自由度，以進(jìn)一步減小電極的尺寸。

有源電極

石墨烯的多功能性的進(jìn)一步證據(jù)是，其電子特性允許其實(shí)施為與離子溶液中的神經(jīng)元接口的溶液門控場(chǎng)效應(yīng)晶體管配置。石墨烯溶液門控場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)檢測(cè)到的神經(jīng)信號(hào)具有隱含的放大作用，因此不需要傳統(tǒng)電極記錄配置中存在的附加放大模塊，并且其可以用靈活的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。石墨烯溶液門控場(chǎng)效應(yīng)晶體管能夠穩(wěn)定記錄大腦中的低頻神經(jīng)信號(hào)。例如，一系列懸浮柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管有可能提供關(guān)于慢波皮質(zhì)擴(kuò)散抑制的起源和進(jìn)展的信息。這種類型的記錄對(duì)于傳統(tǒng)的無源電極是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗鼈兊男旁氡仍诘皖l范圍（<10Hz）下降。

未來的潛力

微電極是神經(jīng)接口技術(shù)的主要組成部分。它們的大小，密度和電化學(xué)性能在確定特定神經(jīng)假體的功效方面起著重要作用。多孔石墨烯電極具有提供改進(jìn)的電化學(xué)CIC的潛力，而基于石墨烯的懸浮柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)在低頻記錄領(lǐng)域提供改進(jìn)的性能。這些技術(shù)可以結(jié)合在同一個(gè)靈活的植入裝置上，增強(qiáng)神經(jīng)元之間的雙向通信。此外，其他相關(guān)領(lǐng)域的研究包括石墨烯與其他電極材料的結(jié)合以提高性能，用于分子檢測(cè)的石墨烯化學(xué)官能化以及石墨烯共軛藥物釋放策略。

石墨烯的多功能性有助于實(shí)施各種工程設(shè)計(jì)原則，以解決生物醫(yī)學(xué)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。隨著材料性能的不斷提高，石墨烯研究成為一個(gè)值得關(guān)注的空間，它將促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。