Графен как материал для разработки гибких медицинских устройств визуализации высокого разрешения

Введение: обещание графена в медицинской визуализации

Медицинская визуализация является одним из наиболее важных столпов современной диагностики, позволяя клиницистам визуализировать внутренние структуры и обнаруживать заболевания на ранних стадиях. Тем не менее, обычные устройства визуализации - будь то рентгеновские детекторы, обмотки МРТ или ультразвуковые преобразователи - часто являются жесткими, громоздкими и ограниченными по чувствительности. Графен, один слой атомов углерода, расположенных в шестиугольной решетке, появился как материал, который может фундаментально изменить этот ландшафт. Его экстраординарные электрические, механические и оптические свойства делают его идеальной платформой для разработки медицинских устройств визуализации, которые являются не только высокого разрешения, но и гибкой, легкой и удобной для пациентов. Эта статья исследует свойства графена, относящиеся к медицинской визуализации, его применения в гибких датчиках, детекторах высокого разрешения и носимых устройствах, преимущества, которые он предлагает по сравнению с традиционными материалами, проблемы, которые остаются, и будущие направления, которые определят его клиническое принятие.

Свойства графена, относящиеся к медицинской визуализации

Уникальное сочетание физических свойств графена делает его исключительно хорошо подходящим для приложений визуализации. Понимание этих свойств важно для понимания того, как они транслируются в производительность устройства.

Исключительная электропроводность

Графен демонстрирует чрезвычайно высокую подвижность электронов - превышающую 200 000 см2 / В·с при комнатной температуре в нетронутых образцах. Это приводит к низкому электрическому шуму и высоким отношениям сигнал-шум, которые имеют решающее значение для обнаружения слабых сигналов в датчиках визуализации. В таких приложениях, как фотоприемники или рентгеновские датчики, проводящие каналы материала могут эффективно преобразовывать падающее излучение в электрический сигнал с минимальными потерями, обеспечивая более быстрое считывание и более высокую чувствительность по сравнению со многими традиционными полупроводниковыми материалами.

Механическая гибкость и прочность

Несмотря на то, что графен имеет толщину всего в один атом, он является одним из самых сильных материалов, когда-либо измеренных, с модулем Янга примерно 1 ТПа и внутренней прочностью около 130 ГПа. Важно отметить, что он может быть согнут, скручен или растянут неоднократно без разрыва. Эта механическая устойчивость позволяет устройствам на основе графена соответствовать изогнутым поверхностям, таким как человеческое тело, что позволяет датчикам изображения, которые обертывают суставы, конечности или другие анатомические контуры. Способность поддерживать стабильные электрические характеристики при деформации является ключевым требованием для гибких медицинских устройств, и графен соответствует этому требованию.

Оптическая прозрачность

Графен поглощает только около 2,3% видимого и ближнего инфракрасного света на слой, что делает его почти прозрачным в широком спектральном диапазоне. Это свойство особенно ценно для оптических систем визуализации, где материал датчика не должен препятствовать световому пути. Графен может быть интегрирован в качестве прозрачного электрода или активного чувствительного элемента в таких устройствах, как имплантаты сетчатки, оптические томографические датчики (OCT) или флуоресцентные платформы визуализации без ухудшения качества изображения. Кроме того, его широкополосная прозрачность распространяется на терагерцовую и ультрафиолетовую области, открывая возможности для мультимодальной визуализации.

Атомно-масштабная тоность

В качестве двумерного материала графен имеет эффективную толщину всего 0,34 нанометра. Эта крайняя тонкость позволяет миниатюризировать устройства визуализации, уменьшая вес и отпечаток. Для имплантируемых или носимых приложений более тонкое устройство означает меньший дискомфорт и меньший риск раздражения тканей. Кроме того, короткое расстояние между чувствительным слоем и источником сигнала может улучшить пространственное разрешение в определенных условиях визуализации, поскольку происходит меньшее рассеяние или диффузия сигнала.

Потенциал химической стабильности и биосовместимости

Графен химически инертен во многих условиях и не легко корродирует, что выгодно для длительной имплантации или повторного использования. В то время как нетронутый графен является гидрофобным, функционализация поверхности может сделать его гидрофильным и биосовместимым. Продолжающиеся исследования показали, что материалы на основе графена, при правильном покрытии или модификации, могут поддерживать адгезию и рост клеток без значительной токсичности. Этот профиль биосовместимости необходим для устройств, которые непосредственно контактируют с жидкостями организма или тканями, таких как эндоскопические или имплантируемые зонды визуализации.

Применение в медицинских устройствах визуализации

Свойства графена позволили создать несколько инновационных приложений для визуализации, которые переходят от исследовательских лабораторий к клиническим прототипам. Ниже мы рассмотрим наиболее перспективные области.

Гибкие датчики изображения для конформного контакта

Традиционные датчики изображения изготавливаются на жестких кремниевых или стеклянных подложках. В то время как эти материалы обеспечивают высокую производительность, они не могут соответствовать изогнутым поверхностям тела. Датчики на основе графена могут быть изготовлены на гибких полимерных подложках, таких как полиимид или ПЭТ, в результате чего устройства, которые мягко прилипают к коже, слизистой оболочке или даже внутренним органам. Например, исследователи разработали гибкие рентгеновские детекторы, использующие слои графена как в качестве активного чувствительного материала, так и проводящего электрода. Эти детекторы могут быть размещены непосредственно к груди или конечностям, улучшая качество изображения за счет уменьшения воздушного зазора между источником и детектором и позволяя более точное позиционирование. На ультразвуке гибкие пьезоэлектрические преобразователи на основе графена могут обернуть вокруг частей тела, чтобы обеспечить лучшую акустическую связь и изображения мягких тканей с более высоким разрешением.

Конформный контакт также повышает комфорт пациента. Жесткий датчик на изогнутой поверхности тела часто вызывает точки давления и требует ремней или клеев. Гибкие датчики равномерно распределяют силу, делая процедуры менее стрессовыми, особенно для педиатрических или гериатрических пациентов, которые чувствительны к дискомфорту.

Детекторы высокого разрешения для визуализации нижней дозы

Одним из наиболее убедительных преимуществ графена является его способность функционировать в качестве высокочувствительного детектора, потенциально снижающего дозу излучения или света, необходимую для формирования изображения. В доклинических исследованиях фотоприемники на основе графена для видимого и инфракрасного света продемонстрировали чувствительность, превышающую 106 А/Вт, на порядки выше, чем обычные кремниевые фотодиоды. Для рентгеновского и гамма-детектирования графен в сочетании со сцинтилляторными материалами или квантовыми точками может достигать высокого пространственного разрешения при работе при более низких экспозициях. Это особенно важно для педиатрической визуализации, где минимизация ионизирующего излучения является главным приоритетом, а также для повторного сканирования при мониторинге хронических состояний.

Кроме того, низкий электронный шум графена из-за его высокой подвижности и уменьшенного рассеяния приводит к лучшему соотношению контраста к шуму. Клиницисты могут дифференцировать тонкие тканевые аномалии, такие как микрокальцификации в маммографии или опухоли на ранней стадии, которые могут быть пропущены с менее чувствительными детекторами.

Носимые и непрерывные устройства мониторинга

Легкий, гибкий и прочный характер графена делает его идеальным кандидатом для носимых устройств визуализации, которые позволяют непрерывно контролировать здоровье вне клинических условий. Например, графеновые ближние инфракрасные (NIR) образчики могут быть интегрированы в пластыри, которые контролируют оксигенацию тканей, заживление ран или кровоток в режиме реального времени. Такие устройства могут использоваться в послеоперационном уходе для выявления дефицита перфузии или в спортивной медицине для оценки восстановления мышц. Аналогичным образом, гибкие датчики деформации графена могут функционировать как низкочастотные массивы изображений, отображая деформации кожи или нижележащей мышцы во время движения - по существу создавая динамическое изображение поверхности без громоздких камер или жестких массивов.

Гибкие графеновые электроды использовались в колпачках электроэнцефалографии (ЭЭГ) для обеспечения высококачественного получения сигнала в удобной, неинвазивной форме. Хотя ЭЭГ не является методом прямой визуализации, ее можно считать функциональной техникой визуализации; улучшение производительности графенового электрода уже дало лучшее пространственное отображение активности мозга. Будущие разработки могут объединить такие электроды с оптическими или акустическими преобразователями для мультимодальной носимой визуализации мозга.

Мультимодальные зонды и эндоскопы

Поскольку графен является электрически и оптически активным, он может служить платформой для мультимодальных зондов визуализации, которые объединяют, например, оптическую визуализацию и электрическую запись в пределах одного миниатюрного устройства. Желудочно-кишечная эндоскопия — это одна из областей, где такие зонды могут быть трансформационными. Текущие эндоскопы являются жесткими или полужесткими структурами; Гибкий эндоскоп на основе графена может легче ориентироваться в извилистой анатомии, обеспечивая при этом изображения с высоким разрешением и способность измерять локальную pH, температуру или электрическую активность. Исследователи продемонстрировали матрицу датчиков изображения на основе графена, которая может быть свернута в тонкую трубку и развернута через катетер, захватывая изображения кишечника в моделях животных. Сочетание гибкости, высокого пространственного разрешения и низкого энергопотребления открывает двери для минимально инвазивной диагностики в ранее недоступных областях.

Преимущества перед традиционными материалами

Графен не просто соответствует производительности существующих материалов; в некоторых отношениях он превосходит их, особенно в контексте гибкой визуализации с высоким разрешением.

Гибкость и гибкость

Кремний, доминирующий материал для датчиков изображения, по своей сути хрупкий. Кремниевые пластины трескаются при изгибе до радиусов кривизны порядка метров. Графен, напротив, может быть изогнут до радиусов всего нескольких микрометров без структурных повреждений или потери электрических характеристик. Эта гибкость позволяет создавать форм-факторы устройства, которые невозможны с кремнием, такие как массивы изображений, которые складываются в катетер или датчики, которые растягиваются по коже. Для таких приложений, как носимая визуализация или гибкая эндоскопия, механические преимущества графена являются решающими.

Повышение чувствительности и снижение шума

Традиционный аморфный кремний (a-Si), используемый в плоскопанельных рентгеновских детекторах, имеет относительно низкую мобильность носителей заряда (около 1-10 см2/V·с). Мобильность графена на порядки выше, что приводит к более быстрому захвату сигнала и снижению шума. В приложениях для подсчета фотонов графен может обнаруживать отдельные фотоны с высокой эффективностью, что позволяет получать изображения с разрешением энергии. Эта чувствительность означает, что устройства могут достичь того же качества изображения с долей дозы излучения, требуемой обычными детекторами. Кроме того, широкополосное поглощение графена позволяет ему работать в нескольких спектральных диапазонах, упрощая конструкцию систем многоэнергетического изображения.

Уменьшенный размер и вес устройства

Поскольку графен имеет толщину всего в один атом, активный слой датчика изображения может быть чрезвычайно тонким, что уменьшает общий объем устройства. Для имплантируемых или переносных систем визуализации вес и размер являются критическими ограничениями. Детектор на основе графена может занимать всего несколько сотен нанометров в толщину по сравнению с несколькими сотнями микрометров, обычно необходимых для кремниевых детекторов (включая поддерживающие слои). Эта миниатюризация также позволяет более плотную упаковку пикселей датчика, увеличивая пространственное разрешение без увеличения площади устройства.

Интеграция с другими материалами и технологиями

Совместимость графена с широким спектром наноматериалов, таких как квантовые точки, нанопроволоки и металлические наночастицы, позволяет создавать гибридные детекторы с индивидуальными свойствами. Например, графен, украшенный сульфидными квантовыми точками свинца, может обнаруживать коротковолновый инфракрасный свет, который полезен для визуализации глубоких тканей. Аналогичным образом, графен в сочетании с магнитными наночастицами может усиливать контраст в магнитно-резонансной томографии (МРТ), действуя как агент релаксации T2. Эта совместимость способствует разработке многофункциональных устройств, которые могут одновременно отображать и доставлять терапию, растущую область, известную как тераностика.

Проблемы и барьеры для клинического усыновления

Несмотря на свой замечательный потенциал, графен сталкивается со значительными препятствиями, прежде чем его можно будет использовать в обычной клинической визуализации. Эти проблемы активно решаются исследователями и промышленностью.

Крупномасштабное производство высококачественного графена

Производство графена с последовательным, воспроизводимым качеством на больших площадях остается основным препятствием. Такие методы, как химическое осаждение паров (CVD), могут производить графеновые пленки метрового масштаба, но они часто страдают от границ зерна, морщин и загрязняющих веществ, которые ухудшают электрические свойства. Для устройств визуализации, которые требуют равномерной чувствительности через матрицу детектора, дефекты могут привести к мертвым пикселям или неоднородной реакции. Кроме того, перенос графена из подложки роста (обычно меди или никеля) на целевую полимерную подложку вносит дополнительные риски разрыва или загрязнения. Достижения в CVD, обработка рулона к рулону и прямой рост на гибких подложках необходимы для достижения промышленного масштаба и надежности, необходимых для медицинских устройств.

Обеспечение биосовместимости и долгосрочной стабильности

В то время как сам графен обычно считается малотоксичным во многих типах клеток, его биосовместимость не полностью характеризуется для длительной имплантации. Поверхности нетронутого графена являются гидрофобными и могут адсорбировать белки, что приводит к иммунным реакциям или инкапсуляции. Функционализация поверхности, такая как покрытие полиэтиленгликолем (ПЭГ) или биологически активными молекулами, может улучшить биосовместимость, но это должно быть сделано без ущерба для электрических характеристик. Кроме того, механическая стабильность гибких графеновых устройств при повторном изгибе в организме (например, над суставом) должна быть проверена в течение миллионов циклов. Деламинирование графенового слоя из субстрата или деградация инкапсулирующего вещества может высвобождать частицы и вызывать побочные реакции.

Интеграция с существующей инфраструктурой медицинской визуализации

Больницы и центры визуализации оснащены стандартизированными сканерами и электроникой считывания, предназначенными для обычных детекторов. Датчики на основе графена часто требуют пользовательских схем считывания и источников питания. Разработка интерфейсов, которые обратно совместимы с существующими системами, имеет решающее значение для экономически эффективного принятия. Кроме того, одобрение регулирующих органов (например, клиренс FDA 510(k) или маркировка CE) требует тщательного тестирования безопасности, эффективности и надежности. Для нового класса гибких детекторов графена этот регуляторный путь может быть длительным и дорогостоящим, особенно если требуются испытания на животных и людях in vivo.

Экологические и стоимостные соображения

Текущее производство графена CVD включает высокие температуры (800-1000 °C) и условия вакуума, что приводит к значительному потреблению энергии. Стоимость квадратного сантиметра высококачественного графена по-прежнему значительно выше, чем у кремния или других стандартных электронных материалов. Для одноразовых или одноразовых устройств визуализации (например, диагностических пластырей) стоимость должна быть значительно снижена. Также необходимо решить проблему утилизации или безопасной утилизации графенсодержащих медицинских отходов. Текущие исследования низкотемпературного синтеза графена атмосферного давления и использования обильных источников углерода могут помочь снизить затраты.

Будущие направления и новые возможности

Траектория медицинской визуализации на основе графена является многообещающей, на горизонте есть несколько интересных событий.

Искусственный интеллект и интеграция машинного обучения

Гибкие графеновые датчики генерируют большие объемы данных, особенно при использовании в массивах непрерывного мониторинга или изображений высокого разрешения. Сочетание этих датчиков с алгоритмами ИИ может обеспечить реконструкцию изображения в реальном времени, снижение шума и автоматическое обнаружение аномалий. Например, носимый графеновый пластырь, который захватывает рентгеновские изображения в низких дозах в течение часов, может использовать глубокое обучение для анализа динамических изменений плотности ткани, помечая подозрительные повреждения. На устройстве ИИ уменьшит необходимость передачи больших наборов данных, решая проблемы пропускной способности и конфиденциальности.

Гибридные графен-перовскитные детекторы

Перовскитные материалы показали высокую абсорбцию рентгеновских лучей и отличную эффективность фотоконверсии, но они часто нестабильны и требуют инкапсуляции. Сочетание тонкого слоя перовскита с графеном в качестве слоя извлечения заряда и транспортного слоя может производить высокочувствительные детекторы с низкими дозами, которые также являются гибкими. Недавние устройства с доказательством концепции продемонстрировали чувствительность рентгеновских лучей, сопоставимую с коммерческими детекторами на основе сцинтиллятора, работая при комнатной температуре с низкой мощностью. Дальнейшая оптимизация может привести к практическим клиническим прототипам в течение нескольких лет.

3D-графеновые пены и растяжимые архитектуры

В то время как монослойный графен является гибким, он имеет ограниченную растяжимость (обычно <5% деформации). Для достижения истинной растяжимости, необходимой для носимой визуализации на движущихся частях тела, исследователи изучают 3D-графеновые пены или киригами-паттерны графеновых пленок. Эти структуры могут вмещать штаммы 50% или более при сохранении электрической связи. Такие архитектуры могут использоваться для создания массивов изображений, которые обертывают суставы, расширяются при дыхании или соответствуют бьющемуся сердцу для интраоперационной визуализации.

Имплантируемые гибкие зонды визуализации

Долгосрочные цели включают разработку полностью имплантируемых графеновых зондов для хронического мониторинга нейронной активности, роста опухоли или функции органов. Поскольку графен стабилен и может быть биосовместим, он может сформировать основу устройств визуализации, которые остаются в организме в течение месяцев или лет, беспроводной передачи данных на внешние приемники. Например, имплантированный в глаз датчик оптической когерентной томографии на основе графена может контролировать дегенерацию сетчатки в реальном времени, в то время как гибкий ультразвуковой массив, размещенный на поверхности мозга, может отслеживать кровоток и обнаруживать отек после инсульта.

Регуляторный прогресс и клинические испытания

Несколько компаний уже продвигают медицинские датчики на основе графена к клиническому тестированию. Например, в рамках проектов Graphene Flagship в Европе были разработаны гибкие датчики ЭКГ и ЭЭГ, которые в настоящее время проходят клиническую валидацию. Аналогичные усилия предпринимаются для методов визуализации. По мере улучшения масштабируемости производства и накопления данных биосовместимости первые устройства для визуализации, содержащие графен, могут получить одобрение регулирующих органов в течение следующих пяти-десяти лет. Начиная с приложений, где гибкость предлагает явное преимущество, такое как носимые пластыри для непрерывного рентгеновского или ультразвукового мониторинга, технология, вероятно, расширится в более требовательные роли.

Заключение

Исключительная электропроводность графена, механическая гибкость, оптическая прозрачность и атомная тонкость позиционируют его как преобразующий материал для следующего поколения медицинских устройств визуализации. От конформных рентгеновских детекторов, которые уменьшают дискомфорт пациента и радиационное воздействие носимых изображений, которые позволяют осуществлять непрерывный, удаленный мониторинг здоровья, графен преодолевает многие ограничения традиционных жестких материалов. Путь к клиническому принятию блокируется проблемами в масштабируемом производстве, биосовместимости, интеграции и стоимости, но интенсивные исследования во всех научных кругах и промышленности неуклонно устраняют эти барьеры. Поскольку гибридные и управляемые ИИ конструкции созревают, устройства визуализации на основе графена готовы войти в клиническую практику, делая диагностику более доступной, точной и удобной для пациента.

Для дальнейшего чтения см. Новоселов и др., «Электрическое поле в атомно тонких углеродных пленках», Природа (2004) ; Бонакорсо и др., «Графеновая фотоника и оптоэлектроника», Наноразмер (2014) Лин и др., «Графен в медицинской визуализации», Химические обзоры (2019); и Кумар и др., «Гибкие датчики графена для здравоохранения», Материалы сегодня (2020).