„Graphenkamera“ bildet das elektrische Feld des schlagenden Herzens ab

Wissenschaftler der University of California, Berkeley (UC Berkeley) verwenden es als Grundlage für fortschrittliche Sensoren, die elektrische Signale von lebenden Zellen und Geweben in Echtzeit für eine Vielzahl mysteriöser Materialien abbilden können, die noch nie zuvor gesehen wurden. Wir haben noch eine weitere Verwendung von Graphen gezeigt. Die „Graphen-Kamera“ des Teams sollte die elektrische Aktivität des schlagenden Herzens während der Bewegung aufzeichnen und könnte auch dem Gehirn neue Wahrnehmungsmöglichkeiten eröffnen.

Graphen ist eine zweidimensionale Kohlenstoffschicht, die nur ein Atom dick ist, und seine Liste erstaunlicher Eigenschaften regt die Vorstellungskraft von Wissenschaftlern in einer Vielzahl von Studienbereichen an. Zu diesen Merkmalen gehören erstaunliche Dünnheit, hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit und der Status als das stärkste von Menschenhand hergestellte Material.

Wissenschaftler der University of California, Berkeley, arbeiteten mit Chemikern der Stanford University zusammen, um herauszufinden, wie dieses Material Pionierarbeit für eine neue Art fortschrittlicher medizinischer Sensoren leisten könnte. Diese Studie basiert auf früheren Studien, die gezeigt haben, dass elektrische Felder die Art und Weise beeinflussen können, wie Graphenfolien Licht reflektieren oder absorbieren. Dies wurde vom Team untersucht, indem etwa 1 cm platziert wurden.2 Von dem schlagenden Herzenmaterial von Hühnerembryonen.

Wenn sich eine Zelle zusammenzieht, entzündet sich ihr Aktionspotential und erzeugt ein kleines elektrisches Feld außerhalb der Zelle, erklärt die Forschungsautorin Halle Balti. „Da die Absorption von Graphen unter der Zelle verändert ist, ändert sich die Lichtmenge, die von dieser Position über einen großen Bereich von 嬧raphen zurückkehrt.“

Herz aus Hühnerembryo auf CAGE-Gerät entnommen

Halle Balti / Alistair McGuire / Jason Horn

Die Technik erforderte einige Anpassungen. Anfänglich war das von den schlagenden Kardiomyozyten erzeugte elektrische Feld zu klein, um einen signifikanten Unterschied in der Graphenreflexion zu bewirken. Das Team konnte es verstärken und fügte einen dünnen Wellenleiter darunter hinzu. Dieser Wellenleiter arbeitet mit einem Eingangslaserstrahl, der durch ein Prisma gestrahlt wird und Licht von Graphen etwa 100 Mal reflektiert, bevor es das Gerät verlässt.

„Eine Denkweise ist, dass sich das Licht aufgrund der Graphenreaktion umso effektiver anfühlt und desto empfindlicher auf das elektrische Feld reagiert wird, je öfter das Licht von dem Graphen reflektiert wird, wenn es sich durch diesen kleinen Hohlraum ausbreitet. Du kannst es bekommen. Die Spannung sinkt auf Mikrovolt“, sagt Balch.

Schematische Darstellung der "Graphen-Kamera" oder des gekoppelten wellenleiterverstärkten Graphen-Elektrofeld-(CAGE)-Sensors
Schematische Darstellung einer „Graphenkamera“ oder eines gekoppelten wellenleiterverstärkten Graphen-elektrischen Feldsensors (CAGE)

Halle Balti / Alistair McGuire / Jason Horn

Mit dieser „Graphenkamera“ konnte das Team Herzzellen mit einer Größe von nur 10 Mikrometern in Echtzeit untersuchen und optische Bilder der schwachen elektrischen Felder erstellen, die durch den Schlag erzeugt werden. Mit Elektroden und chemischen Farbstoffen kann diese elektrische Aktivität in Zellen gemessen werden, während Platten die Spannung über den gesamten Bereich der Strahlung messen, während sie nur an einer bestimmten Stelle gemessen werden können. .. Das Team stellt sich vor, diese Sensortechniken zu kombinieren, indem die elektrischen Signale der Zellen aufgezeichnet und gleichzeitig das gefärbte Gewebe abgebildet wird.

Eine Serie von Bildern eines schlagenden Herzens, die jeweils in 5 ms getrennt sind, mit unterschiedlichen elektrischen Feldern, die als verschiedene Muster auf einer Graphenfolie dargestellt werden.
Eine Serie von Bildern eines schlagenden Herzens, die jeweils in 5 ms getrennt sind, mit unterschiedlichen elektrischen Feldern, die als verschiedene Muster auf einer Graphenfolie dargestellt werden.

Halle Balti / Alistair McGuire / Jason Horn

„Eine einfache Abbildung des gesamten Bereichs der € Probe kann besonders nützlich sein, um neuronale Netze mit allen Arten von Zelltypen zu untersuchen“, sagte Allister McGuire von der Stanford University, der Hauptautor der Studie. .. „Wenn Sie ein fluoreszenzmarkiertes Zellsystem verwenden, zielen Sie möglicherweise nur auf bestimmte Arten von Neuronen ab. In unserem System ist die elektrische Aktivität aller Neuronen und ihrer Stützzellen sehr hoch. Es kann mit hoher Integrität erfasst werden. Dies kann einen erheblichen Einfluss darauf haben, wie Menschen diese Studien auf Netzwerkebene durchführen. “

Eine „Graphenkamera“ oder ein gekoppelter wellenleiterverstärkter Graphen-Elektrofeldsensor (CAGE) kann verwendet werden, um Myokard-Medikamentenkandidaten vor sogenannten klinischen Studien zu testen, um zu sehen, ob sie abnormale Veränderungen verursachen. Ich werde. Dies wurde durch die Verabreichung eines Medikaments, das Muskelproteine ​​hemmt, an Hühnerembryonen demonstriert. Dies stoppte den Herzschlag und das Team konnte beobachten, dass es das elektrische Feld nicht beeinflusste.

Dieses Gerät hat auch das Potenzial, neue Möglichkeiten für die direkte Gehirnerfassung zu eröffnen. Elektrodenanordnungen werden heute verwendet, um die elektrische Aktivität von Gehirnzellen zu untersuchen, aber dies kann nur an Hunderten von Stellen durchgeführt werden. Eine starke Graphenfolie kann auf die Oberfläche gelegt werden, um ein vollständiges Bild der kontinuierlichen elektrischen Aktivität zu erhalten.

„Eines der Dinge, die mich bei diesem Projekt überrascht haben, ist, dass elektrische Felder chemische und biophysikalische Wechselwirkungen vermitteln, die alle Arten von Prozessen in der Natur vermitteln. Wir messen sie nicht. Wir messen Ströme und wir messen Spannungen“, sagt Balch.淭Die Fähigkeit, das elektrische Feld tatsächlich abzubilden, ermöglicht es uns, Modalitäten zu sehen, in die wir zuvor wenig Einblick hatten.滭/p>

Die Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Nano-Brief, Das Video unten zeigt eine Reihe von Bildern, die vom Gerät erzeugt wurden und einen Herzschlag eines Hühnerembryos zeigen.

Das elektrische Signal des schlagenden Herzens

Quelle: University of California, Berkeley

xfbml: wahr,

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