Gehirnimplantate aus Graphen zur Behandlung von Epilepsie und Schlaganfall
@GrapheneAgenda
(03.01.2019) Berühmt wurde Graphen im Jahr 2010, als Andre Geim und Konstantin Novoselov den Nobelpreis für Physik erhielten, weil sie sechs Jahre zuvor dieses flexible, transparente und sehr dünne Material synthetisiert hatten, da es nur ein Atom dick ist. Selten gab es einen Bereich, in dem keine Anwendungen für das, was viele für den Werkstoff der Zukunft hielten, in Sicht waren. Und ja, in diesen Jahren beginnt Graphen in verschiedenen Bereichen präsent zu sein, wenn auch in vielen von ihnen noch aus dem Labor.
Dies ist der Fall einiger Mikrotransistoren oder Graphen-Gehirnsensoren, die in mehreren Forschungszentren in Barcelona entwickelt wurden und die diese Woche in der Zeitschrift Nature Materials vorgestellt werden und die, so hoffen ihre Schöpfer, dazu dienen werden, das Gehirn im Allgemeinen zu untersuchen und insbesondere Krankheiten wie Epilepsie oder Schlaganfall zu diagnostizieren und zu behandeln (Schlaganfall).
Seit mehreren Jahrzehnten ist die Implantation von Elektroden in verschiedenen Teilen des Gehirns (die aktuellen sind aus Platin und Iridium) die gängigste Methode zur Untersuchung und Behandlung von Störungen dieses Organs.
Der Hauptvorteil von Graphen-Mikrotransistoren gegenüber Elektroden ist, dass Elektroden nur Hirnaktivität oberhalb einer bestimmten Frequenzschwelle erfassen können. "Das Gehirnsignal hat hohe und niedrige Frequenzen, und jede davon bietet relevante Informationen für verschiedene Bereiche. Die sehr niedrigen Frequenzen, unter 0,1 Hz, konnten nicht mit Elektroden gemessen werden, aber wir können sie mit Graphen-Mikrotransistoren auslesen", erklärt José Antonio Garrido, Mitautor der Forschung und Wissenschaftler am Katalanischen Institut für Nanowissenschaften und Nanotechnologie (ICN2).
Ein Gehirn-Tsunami
Laut Anton Guimerà, ebenfalls Mitautor und Forscher am Institut für Mikroelektronik von Barcelona (IMB/CNM-CSIC), wurden die Experimente bisher mit zwanzig gesunden Ratten durchgeführt, denen durch die Injektion eines Tropfens Kaliumchlorid Epilepsie eingeimpft wurde. Anschließend wurde ihnen chirurgisch ein Graphen-Sensor implantiert.
"Im Grunde haben wir einen Hirn-Tsunami ausgelöst, der die Hirnaktivität zurücksetzt und anhält, bis sie sich wieder normalisiert. Diese Art von Gehirnsignalen pflanzt sich sehr langsam fort, und was wir erreicht haben, ist, zu kartieren, wie sich dieses Signal ausbreitet", fasst er zusammen.
"Wenn ein längerer epileptischer Anfall auftritt, verteidigt sich das Gehirn, indem es diese Art von Rückstellung vornimmt, daher ist es wichtig, zu verstehen, wie dieser Mechanismus abläuft", fügt der Elektronikingenieur hinzu.
Die vom Sensor gesammelten Hirndaten können an ein mobiles Gerät übertragen werden und Warnungen senden, wenn der Sensor z. B. erkennt, dass ein epileptischer Anfall bevorsteht.
Warum haben sie sich für Graphen entschieden?
"Für uns gibt es drei ganz klare Gründe. Da es sich um eine sehr invasive Technologie handelt, braucht man ein sehr biokompatibles Material, das keine Entzündungen im Gehirn erzeugt, und Graphen hat eine Art von Bindung, die es sehr unreaktiv macht. Für die Überwachung des Gehirns hingegen braucht man ein flexibles Material, das sich gut an die raue Oberfläche der Hirnrinde anpasst. Und schließlich können wir mit Graphen, das ein Halbmetall ist, eine Transistor-Konfiguration haben, die es uns erlaubt, niedrige Frequenzen zu messen", fasst Garrido, Professor am ICREA, zusammen.
Versuche am Menschen
Das in das Gehirn von Ratten implantierte Gerät besteht aus 16 Graphen-Transistoren mit einer Größe von 100x50 Mikrometern. Der implantierte Bereich nimmt eine Gesamtfläche von 1,5 mm ein. Diejenigen, die in Zukunft im Menschen eingesetzt werden, müssten eine größere Fläche abdecken, obwohl die Sensoren selbst nicht größer sein müssten, so Garrido.
Der nächste Schritt wird die Validierung dieser Technologie am Menschen sein. Obwohl der Zeitplan noch nicht feststeht, rechnet Garrido damit, dass in einigen Jahren eine klinische Studie mit Epilepsiepatienten in Zusammenarbeit mit dem University College London beginnen wird.
Er ist auch in Kontakt mit Neurochirurgen am Hospital del Mar in Barcelona, um eine ähnliche Studie durchzuführen.
In Bezug auf den Entwicklungsstand der Graphen-basierten Technologien ist Eduard Masvidal, Erstautor des Artikels und Doktorand am Institut für Mikroelektronik in Barcelona, der Meinung, dass "im Moment viel Grundlagenforschung und Proof of Concept gemacht wurde: "Von nun an müssen wir vom Prototyp zum Produkt übergehen und in den kommenden Jahren werden wir sehen, ob es auf die industrielle Ebene skaliert werden kann".
Quelle:
https://amp.elmundo.es/ciencia-y-salud/salud/2019/01/03/5c2cf541fc6c839e068b4678.html