Des chercheurs ont démontré, pour la première fois, un réseau de transistors à base de graphène compatible avec les cellules biologiques vivantes et capable d'enregistrer les signaux électriques qu'elles génèrent. Cette plate-forme de validation de principe ouvre la voie à une étude plus approfondie d'un nouveau matériau prometteur. La combinaison distinctive de caractéristiques du graphène en fait un concurrent de premier plan pour les futures applications biomédicales nécessitant une interface directe entre les dispositifs microélectroniques et les cellules nerveuses ou d'autres tissus vivants. Une équipe de scientifiques de la Technische Universitaet Muenchen et du Juelich Research Center a publié les résultats dans la revue Matériaux avancés .

Aujourd'hui, si une personne a une relation intime et dépendante avec un appareil électronique, il s'agit probablement d'un téléphone intelligent ; cependant, des connexions beaucoup plus étroites pourraient être prévues dans un avenir prévisible. Par exemple, Des applications "bioélectroniques" ont été proposées qui placeraient des capteurs et dans certains cas des actionneurs à l'intérieur du cerveau d'une personne, œil, ou l'oreille pour aider à compenser les dommages neuronaux. Des recherches pionnières dans cette direction ont été menées en utilisant la technologie mature de la microélectronique au silicium, mais en pratique, cette approche peut être une impasse :les substrats flexibles et les environnements biologiques aqueux posent de sérieux problèmes aux dispositifs en silicium; en outre, ils peuvent être trop "bruyants" pour une communication fiable avec les cellules nerveuses individuelles.

Parmi les nombreux systèmes matériels explorés comme alternatives, le graphène - essentiellement une feuille bidimensionnelle d'atomes de carbone liés dans un motif en nid d'abeille dense - semble très bien adapté aux applications bioélectroniques :il offre des performances électroniques exceptionnelles, est chimiquement stable et biologiquement inerte, peut être facilement traité sur des substrats flexibles, et devrait se prêter à une utilisation à grande échelle, fabrication à faible coût. Les derniers résultats de l'équipe TUM-Juelich confirment les caractéristiques de performance clés et ouvrent la voie à de nouvelles avancées pour déterminer la faisabilité de la bioélectronique à base de graphène.

Le montage expérimental décrit dans Matériaux avancés a commencé avec un réseau de 16 transistors à effet de champ à déclenchement de solution de graphène (G-SGFET) fabriqués sur une feuille de cuivre par dépôt chimique en phase vapeur et par des procédés standard de photolithographie et de gravure. "Le mécanisme de détection de ces appareils est assez simple, " dit le Dr José Antonio Garrido, membre de l'Institut Walter Schottky de la TUM. "Les variations de l'environnement électrique et chimique à proximité de la région de la grille FET seront converties en une variation du courant du transistor."

Directement au-dessus de ce tableau, les chercheurs ont développé une couche de cellules biologiques semblable au muscle cardiaque. Non seulement les "potentiels d'action" des cellules individuelles étaient détectables au-dessus du bruit électrique intrinsèque des transistors, mais ces signaux cellulaires pourraient être enregistrés avec une résolution spatiale et temporelle élevée. Par exemple, une série de pointes séparées par des dizaines de millisecondes se sont déplacées à travers le réseau de transistors exactement de la même manière que les potentiels d'action pourraient se propager à travers la couche cellulaire. Aussi, lorsque la couche cellulaire a été exposée à une concentration plus élevée de l'hormone du stress norépinéphrine, une augmentation correspondante de la fréquence des pointes a été enregistrée. Des expériences séparées pour déterminer le niveau de bruit inhérent des G-SFET ont montré qu'il était comparable à celui des dispositifs au silicium à très faible bruit, qui, comme le souligne Garrido, sont le résultat de décennies de développement technologique.

"Une grande partie de nos recherches en cours est axée sur l'amélioration des performances sonores des appareils au graphène, " Garrido dit, "et sur l'optimisation du transfert de cette technologie vers des substrats souples comme le parylène et le kapton, qui sont tous deux actuellement utilisés pour des implants in vivo. Nous travaillons également à améliorer la résolution spatiale de nos appareils d'enregistrement. ils travaillent avec des scientifiques de l'Institut de la Vision à Paris pour étudier la biocompatibilité des couches de graphène dans des cultures de cellules de neurones rétiniens, ainsi que dans le cadre d'un projet européen plus large appelé NEUROCARE, qui vise à développer des implants cérébraux basés sur des dispositifs flexibles en nanocarbone.