גרפן כמידע לפתח מכשירים רפואיים בעלי החלטה גבוהה וגמישים

הקדמה: ההבטחה של Graphene ב Imaging

הדמיה רפואית היא אחד העמודים הקריטיים ביותר של אבחון מודרני, המאפשר לרופאים לדמיין מבנים פנימיים לזהות מחלות בשלבים מוקדמים, אך מכשירי הדמיה קונבנציונליים - בין אם גלאי רנטגן, סלילי MRI, או אולטרסאונד טרנפורים - לעתים קרובות נוקשה, מסיבית, ומוגבלת רגישות.

תכונות של Graphene ⁇ ל Imaging

השילוב הייחודי של Graphene של תכונות פיזיות הופך אותו לתאים במיוחד עבור יישומי הדמיה.הבנת תכונות אלה חיוני להעריך כיצד הם מתרגמים לביצועים של המכשיר.

מוליכים חשמליים

Graphene מציגה ניידות אלקטרון גבוהה מאוד - הצטברות של 200,000 ס"מ / Vs בטמפרטורת החדר בדגימות prise.זה מתורגם לרעש חשמלי נמוך ויחסי אות גבוה לרעש, שניהם קריטיים לגילוי אותות חלשים בחיישנים הדמיה.ביישומים כגון photodetectors או X-ray חיישנים, ערוצי ההתנהגות של החומר יכולים להמיר ביעילות אירוע קרינה מינימלית עם אובדן אותות איטי יותר, כגון חומרים מתקדמים יותר.

גמישות מכנית וכוח

למרות היותה רק אטום אחד עבה, גרפן הוא אחד החומרים החזקים ביותר שנמדדו אי פעם, עם מודולו של יאנג של בערך 1 TPa וכוח פנימי ליד 130 GPa. Crucially, זה יכול להיות כפוף, מעוות, או מתוח שוב ושוב ללא fracturing. זה חוסן מכני מאפשר מכשירים המבוססים על גרפן כדי להתאים משטחים כגון גוף, המאפשרים יכולת הדמיה או הדמיה גמישה, כי הוא מסוגלות אחר, או גרף, כי הוא מסוגלות, כי הוא מסוגלות, כגון תפקוד חשמלי, או גרף, או גרף, או גרף, כי הוא מסוגל, כי הוא קבוע, כי הוא מסוגלות, כי הוא מסוגלות, כי הוא מסוגלות, כי הוא מסוגלות, 000.

שקיפות אופטית

Graphene סופג רק 2.3% של אור גלוי וקרוב-המוכר לכל שכבה, מה שהופך אותו כמעט שקוף על פני טווח ספקטרלי רחב.נכס זה הוא בעל ערך במיוחד עבור מערכות הדמיה אופטית, שבו חומר החיישן חייב לא להפריע את הנתיב האור. Graphene יכול להיות משולב כמו אלקטרודה שקוף או חישה פעילה התקנים כגון שתלים רטיניים, coher Transtraherencemography (CT) או קדמית, קדמית, מולקולה קדמית, או שקיפות רחבה יותר.

אטומי-Scale Thinness

כחומר דו-ממדי, גרפן יש עובי יעיל של רק 0.34 ננומטרים. זה דקות קיצונית מאפשרת את המינירטוט של מכשירי הדמיה, צמצום משקל וטביעה. עבור יישומים מותשים או לבישים, מכשיר דק יותר פירושו פחות אי נוחות וסיכון נמוך יותר של גירוי רקמות.בנוסף, המרחק הקצר בין שכבת החישה לבין המקור יכול לשפר את ההחלטה המרחבית בדמיות מודולריות מסוימות, כמו פיזור פחות או ירידה של אותות דיפוזה.

יכולת כימית ופוטנציאליות ביולוגית

Graphene הוא אינרציה כימית בתנאים רבים ואינו בקלות corrode, אשר הוא יתרון עבור השתלה לטווח ארוך או שימוש חוזר. בעוד גרפן prise הוא הידרופובי, פונקציונליות פני השטח יכול להפוך אותו הידרופילי ואת bioתואמים.על מתמשך מחקר הראה כי חומרים מבוססי גרפן, כאשר הוא מצופים כראוי או מותאם, יכול לתמוך בדבקות גופנית וצמיחה ללא רעילות משמעותית זה הוא אופטימיזציה של חומר הדמיה או הדמיה חיוני עבור אופטימיזציה של נוזל או הדמיה.

יישומים בתקני Imaging

תכונותיו של Graphene אפשרו מספר יישומי הדמיה חדשניים הנעים ממעבדות מחקר לעבר אבטיפוס קליני.

חיישן גמישות ליצירת קשר קונפורפורמטיבי

חיישני הדמיה מסורתיים מיוצרים על סיליקון קשיח או תת-קרקעי זכוכית.בעוד חומרים אלה מציעים ביצועים גבוהים, הם לא יכולים להתאים את פני השטח המוקדים של הגוף. חיישנים המבוססים על Graphene יכול להיות מוטבע על תת-שכבות פולימר גמישות כגון פוליimide או PET, וכתוצאה מכך מכשירים לדבוק בעדינות עור, mucosa, או אפילו איברים פנימיים. לדוגמה, החוקרים פיתחו גלאי X-ריטיס גמישים באמצעות גרפים ועלולים להיות שיפור של הגוף באופן ישיר יותר.

מגע קונפורנטלי גם משפר את הנוחות של המטופל. חיישן נוקשה על פני גוף מעוקל לעתים קרובות גורם נקודות לחץ ודורש רצועות או דבקים. חיישנים גמישים להפיץ כוח אפילו, מה שהופך את ההליכים פחות מלחיצים, במיוחד עבור חולים pediatric או גריאטריים רגישים לאי נוחות.

רזולוציה גבוהה של דו-מינג נמוך

אחד היתרונות המשכנעים ביותר של גרפן הוא היכולת שלה לתפקד כמו גלאי רגיש מאוד, פוטנציאל להפחית את הקרינה או מנה אור הנדרש כדי ליצור תמונה. במחקרים פרה-קליניים, photodetecators מבוסס גרפן עבור גלוי ואור הוכיחו כי responsivities מעל 106 A / W, הזמנות של גודל גבוה יותר מאשר סיליקון קונבנציונאלי ⁇ . עבור X-ray ו-amma-גילוי, בשילוב עם גרפים חשובים עם קרינת מחזורית, במיוחד עם קרינת מחזורית גבוהה יותר, עם סימולציה בינונית, 000.

יתר על כן, הרעש האלקטרוני הנמוך מטבעו של גרפן, בשל ניידות גבוהה שלה ופיזור מופחת, מתורגם ליחסי ניגודיות-לכאורה טובים יותר.מרפאות יכולות להבדיל חריגות רקמות עדינות - כגון מיקרוקלקטורות ביונקים או גידולים בשלבים המוקדמים - אשר עלולים להיות מפספסים עם גלאי פחות רגישים.

מכשירים למעקב שוטף ו-Blocking

הדמות הקלה, הגמישה והעמידה של גרפן הופכת אותו למועמד אידיאלי למכשירי הדמיה לביש המאפשרים ניטור בריאות מתמשך מחוץ להגדרות הקליניות.לדוגמה, תמונות מבוססות גרפן ליד-infrared (NIR) יכולות להשתלב בתאים שמפקחים על החמצן, ריפוי הפצע, או זרימת הדם בזמן אמת.

הדמיה לבישה יכולה גם להרחיב ניטור המוח. אלקטרודות גרפן גמישה כבר בשימוש אלקטרונספילוגרפיה (EEG) קפיות לספק רכישת אות באיכות גבוהה בצורת נוחה, לא פולשנית. בעוד לא מודוליות הדמיה ישירה, EEG יכול להיחשב טכניקת הדמיה פונקציונלית; שיפורים בביצועים אלקטרודה גרפין כבר נכנעו יותר מיפוי מרחבי של פעילות עתידית עשוי לשלב אלקטרודי כגון אלקטרוד עם אלקטרוד אופטיקה או transducable עבור עונדים.

Multimodal Imaging Probes ו- Endoscopes

מכיוון שגרףן פעיל מבחינה חשמלית ואופטית, הוא יכול לשמש פלטפורמה עבור בדיקות הדמיה רב-ממדיות המשלבות, למשל, הדמיה אופטית והקלטה חשמלית בתוך מכשיר זעיר זעיר זעיר. Gastro מעיים אנדוסקופיה היא אזור אחד שבו בדיקות כאלה יכולות להיות טרנספורמטיביות. לכידת המעיים נוכחיים הם מבנים קשיחים או חצי-קשידים; אנדוסקופ גמיש מבוסס גרפי יכול לנווט בקלות רבה יותר, תוך מתן יכולת גמישה גבוהה יותר של תאים חשמליים.

יתרונות על חומרים מסורתיים

Graphene לא רק להתאים את הביצועים של חומרים מכוונים; בכמה היבטים זה מחלחל אותם, במיוחד בהקשר של הדמיה גמישה ורזולוציה גבוהה.

גמישות גבוהה ונדיבה

הסיליקון, החומר הדומיננטי עבור חיישני הדמיה, הוא בשפע מטבעו.סיליקון סדקים כאשר כפוף לרדינית של כורכום על סדר של מטרים. Graphene, לעומת זאת, יכול להיות כפוף לרדי של רק כמה מיקרומטרים ללא נזק מבני או אובדן של ביצועים חשמליים. גמישות זו מאפשרת גורמי טופס כי הם בלתי אפשריים עם סיליקון, כגון מערכי הדמיה כי לתוך חיישנים או חיישנים גמישים כמו גרפים.

רגישות מוגברת ורעש נמוך

סיליקון מסורתי amorphous (a-Si) המשמש גלאי רנטגן שטוח-ray יש ניידות בעלות נמוכה יחסית (כ 1-10 ס"מ / Vs) של Graphene הוא פקודות של גודל גבוה יותר, וכתוצאה מכך אותות מהירים יותר ללכוד רעש נמוך יותר.ביישומים של תמונה, גרפן יכול לזהות תמונות בודדות עם יעילות גבוהה, המאפשר אנרגיה-סולפת זה יכול להיות יותר מדיום הדמיה של סגסוגת אנרגיה גבוהה.

גודל המכשיר והמשקל

מכיוון שגרףן הוא רק אחד אטום עבה, השכבה הפעילה של חיישן הדמיה יכולה להיות רזה מאוד, צמצום נפח הכולל של המכשיר. עבור מערכות הדמיה מותשת או ניידת, משקל וגודל הם מגבלות קריטיות. גלאי מבוסס גרפן יכול לקחת רק כמה מאות ננומטרים בעובי, בהשוואה למספר מאות מיקרומטרים הדרושים בדרך כלל לגלולים מבוססי סיליקון (כולל שכבות תמיכה).

שילוב עם חומרים וטכנולוגיות אחרות

תאימותו של Graphene עם מגוון רחב של ננו-חומרים - כגון dots קוונטי, nanowires, וננו חלקיקים מתכת - ניתן ליצור גלאי היברידי עם תכונות מותאמות.לדוגמה, גרפן מעוטר עם sulfide קוונטית dots יכול לזהות אור קצר אינפרא אדום, אשר שימושי עבור הדמיה עמוקה.

אתגרים ומכשולים לאימוץ קליני

למרות הפוטנציאל המדהים שלה, גרפן ניצב בפני מכשולים משמעותיים לפני שניתן יהיה לאמץ בהדמיה קלינית שגרתית. אתגרים אלה מטופלים באופן פעיל על ידי חוקרים ותעשייה.

ייצור גדול של איכות גבוהה-איכות Graphene

הפחתת גרפן עם איכות עקבית, התחדשות על פני אזורים גדולים נשאר מכשול גדול.שיטות כגון פיזור כימי (CVD) יכול לייצר סרטים גרפן בקנה מידה מטר, אבל לעתים קרובות סובלים מגבולות דגנים, קמטים, ו contaminants כי degrade חשמל תכונות (CVD) עבור מכשירי הדמיה הדורשים רגישות אחידה על פני גלאי, פגמים יכולים להוביל פיקסלים מתים או תגובה לא אחידה, יתר על מנת לקדם את הגרף חומרים מגנטיים (ת) כדי להשיג את הפחתת חומרים מגנטיים) כדי להשיג את רמת תפקוד יעיל יותר.

הבטחת זמינות ביולוגית ויציבות ארוכת טווח

בעוד גרפן עצמו נחשב בדרך כלל לנמוך סוגים רבים של תאים, ביו-קו-אופטימיות שלו אינה מאופיינת לחלוטין עבור מחזורים ארוכי טווח. משטחים גרפין פריסטין הם הידרופוביים ויכולים לפרסם חלבונים, המוביל לתגובות חיסוניות או encapsulation. Surfaceization - כגון ציפוי עם פוליאתילן גליקול (G) או מולקולות ביואקטיביות - יכול לשפר את יכולת הביו-קופטית, אבל צריך להיות יעיל יותר מאשר תפקוד חשמלי (תוספתן) או גרף של תפקוד גרף) או גרף של תפקוד גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף (תוספת גרף) או גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף) או גרף של גרף של גרף של גרף (תוספת של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף (תוספת של גרף של גרף) או גרף של גרף של גרף של גרף של גרף) או גרף (תוספת גרף

שילוב עם תשתית אימיזציה רפואית קיימת

בתי חולים ומרכזי הדמיה מצוידים בסורקים סטנדרטיים ואלקטרוניקה לקריאה המיועדים לגלולים קונבנציונליים. Graphene מבוסס חיישנים לעתים קרובות דורשים מעגלים קריאה ואספקת חשמל מותאם אישית.פיתוח ממשקים כי הם מתאימים לאחור עם המערכות הקיימות הוא קריטי עבור אימוץ יעיל עלות יתר, אישור רגולטורי (למשל, FDA 510(k) ניקוי או סימון CE) דרישות קפדניות של בטיחות, אמינות, ואמינות גבוהה של מסלול חינניח, במיוחד, במיוחד, אם הם עשויים להיות גרפים ארוכים, במיוחד, במיוחד, אם הם עשויים להיות גרפים מתקדמים, במיוחד, אם הם עשויים להיות גרפים מתקדמים, במיוחד, במיוחד, אם הם ניסויים רגולטוריים, אם הם עשויים להיות גמישים, כגון גרפים מתקדמים, במיוחד, אם הם עשויים להיות גמישים, כגון, אם הם, 510(k) גרפים מתקדמים, או סימון) דרישות רגולטוריים, או סימון) דרישות קפדניים, אם הם, במיוחד, כגון, כגון ניסויים רגולטוריים, במיוחד, כגון בדיקות רגולטוריים, או סינומטרונימיטורים מתקדמים, כגון, אם הם, אם הם, אם הם, כגון, כגון, כגון, כגון, כגון, 510(k) בדיקות לטווח ארוך טווח אנושי, כגון, כגון, כגון, 510(k) ניקוי או

שיקולים סביבתיים ועלויות

ייצור גרפן הנוכחי של CVD כרוך בטמפרטורות גבוהות (800-1000 ° C) ותנאים ואקום, המוביל לצריכה משמעותית באנרגיה.העלות לסנטימטר רבוע של גרפן באיכות גבוהה עדיין גבוהה משמעותית מזו של סיליקון או חומרים אלקטרוניים סטנדרטיים אחרים.עבור מכשירים חד-פעמיים או חד-פעמיים (למשל, תיקונים אבחון), יש להפחית באופן דרמטי את העלות או בטוח של גרף המכילה גרף-אווירה, כדי לטפל במקורות פחמן-אווירה, כדי לטפל בצריכת פחמן-אווירה.

כיוונים עתידיים ואפשרויות מתפתחות

מסלול ההדמיה הרפואית מבוססת גרפן מבטיח, עם כמה התפתחויות מרגשות באופק.

שילוב בינה מלאכותית ולמידה של מכונות

חיישני גרפן גמישים מייצרים כמויות גדולות של נתונים, במיוחד כאשר משתמשים בהם ניטור רציף או מערך הדמיה ברזולוציה גבוהה.לקבוע את החיישנים האלה עם אלגוריתמים AI יכול לאפשר שחזור תמונות בזמן אמת, ירידה ברעש, וגילוי אוטומטי של אנומליות. לדוגמה, תיקון גרפין לביש שלוכד חששות רנטגן בתדר נמוך במהלך שעות יכול להשתמש בלמידה עמוקה כדי לנתח שינויים דינמיים בדחיסות הדגל, חשדנות מפני לחץ דם על גבי , ותקלות של נתונים של AI.

גרפן היברידי - Perovskite Detectors

חומרים Perovskite הראו ספיגת רנטגן גבוהה ויעילות פוטו-ספנית מעולה, אבל הם לעתים קרובות לא יציבים ודורשים capsulation.שלב שכבת perovskite דק עם גרפן כמו מיצוי מטען ושכבת תחבורה יכול לייצר גלאיים רגישים מאוד, נמוך-דוז כי הם גם גמישים.הוכחה עדכנית של מכשירים תפיסה הוכיחו רגישות רנטגן דומה לגלולים המבוססים על ידי מטבול מסחרי בעודם, בעודם הפעלה נמוכה של כמה שנים, עם אבטיפוס קליני יכול להוביל.

3D Graphene Foams ואדריכלות מתוחה

בעוד monolayer גרפן גמיש, יש לו מוגבלות מוגבלת (בדרך כלל <5% זנים) כדי להשיג את המתח האמיתי הדרוש עבור הדמיה לבישה על חלקי גוף נעים, החוקרים לחקור קצף 3D גרפן או קיגראמי-מרוצה-מרוצה) מבנים אלה יכולים להכיל זנים של 50% או יותר תוך שמירה על קישוריות חשמלית.

Implantable גמישות Implanting Probes

מטרות ארוכות טווח כוללות את הפיתוח של בדיקות הדמיה מבוססות גרף לחלוטין עבור ניטור כרוני של פעילות עצבית, גידול גידול גידול או תפקוד איברים. כי גרפן יציב ויכול להיות מיוצר ביו-אי-תואמים, זה יכול ליצור את הבסיס של מכשירי הדמיה שנשארים בגוף במשך חודשים או שנים, שידור אלחוטי נתונים למקלטים חיצוניים.

התקדמות רגולטורית וניסויים קליניים

כמה חברות כבר מתקדמות חיישנים רפואיים מבוססי גרפן לבדיקות קליניות.לדוגמה, פרויקטים של Graphene Flagship באירופה פיתחו חיישנים גמישים ECG ו-EEG אשר עוברים כעת אימות קליני.למאמצים דומים הם מתקדמים עבור שיטות הדמיה.כמו הגדלה בייצור ונתוני ביו-קופטיות מצטברים, מכשירי הדמיה רפואיים המכילים גרפן הראשונים עשויים לקבל אישור רגולטורי בתוך חמש השנים הקרובות ל-x עם גמישות, כגון פונקציות מעקב כגון פונקציות קבועות, כגון פונקציות קבועות, כגון: X-x-x-ת-ת-ת-ת-ת-ת-ת-או יעילות יותר, כגון:

מסקנה

מוליכות חשמלית יוצאת דופן של Graphene, גמישות מכנית, שקיפות אופטית ומיקום דקות אטומית זה כחומר טרנספורמטיבי לדור הבא של מכשירי הדמיה רפואית.מגלאי רנטגן תואמים אשר להפחית את אי הנוחות והחשיפה לדימויים שניתן ללבוש המאפשר ניטור בריאות מתמשך, מרחוק, גרפן מתגבר על מגבלות רבות של חומרים מסורתיים.

(ב) עיין ב[[1924]] ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]]