石墨烯——脑机接口与神经假体

石墨烯-一种由单层碳原子组成的新型2D材料-正在通过研究和开发阶段迅速取得成功。它具有导电性和导热性，化学稳定性，透明性，柔性和强度。利用这些特性来改进和创造新技术是跨越多个领域的共同主题。

但是，一种材料如何无处不在？答案是多功能性。其结构可以进行修改和功能化，以满足多种不同的目的。此外，石墨烯基材料的生产和改性范围可以从涉及化学气相沉积的过程或使用石墨原材料的溶液中的大量化学合成。随着生产技术的提高，材料性能进一步接近其理论上限，并且材料的实用性扩大到更广泛的应用范围。

石墨烯晶体管阵列

神经接口技术

神经接口技术是石墨烯的许多潜在用途之一。作为石墨烯旗舰计划的一部分，西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所的实验室与巴塞罗那微电子研究所合作，正在研究石墨烯在电极-组织界面作为记录和刺激电极应用于神经假体-恢复由于神经损伤而丧失功能的装置。

目标是生产一种石墨烯基微电极技术，其性能优于金，铂，钛等金属衍生的传统电极。高性能电极的特征在于在电记录期间具有大的信噪比，并且在电刺激期间具有高电荷注入容量。具有低电化学阻抗的电极材料通常提供更好的信噪比，而具有大的有效表面积并因此可以发生电荷转移的大电容的材料提供更高的（CIC）电路标识码。已经提出基于导电聚合物和其他形式的碳（例如碳纳米管，金刚石和碳黑）的材料作为改进传统金属技术的手段。到目前为止，他们还没有取代金属电极，因为它们的高性能是以损害电化学稳定性和生物相容性为代价的，反之亦然。本研究旨在利用石墨烯的多功能性来定制具有竞争电化学特性的电极。

石墨烯形式遵循功能

作为神经界面材料的石墨烯可以采取多种形式，例如单层二维石墨烯，多层石墨烯，垂直排列的石墨烯纳米壁和石墨烯薄片。其中每个都有不同的属性。单层石墨烯具有导电性和透明性，但具有相对较低的界面电容。它适用于记录电极，可用于光电子研究，通过光刺激诱导神经激活，同时使用电极记录神经反应。石墨烯的透明度使得直接位于电极下方的神经元可以被不透明材料遮挡。多层石墨烯可以提供比单层石墨烯更高的电导率和界面电容，但是具有降低的光学透明度。垂直排列的石墨烯纳米壁由垂直于基底表面取向的少量石墨烯层组成。它们可以使用等离子增强石墨烯化学气相沉积生产。这通过访问垂直维度中的表面区域来改善材料的界面电容，类似于碳纳米管发生的情况。这种增加的电容对神经刺激电极有吸引力。石墨烯薄片可以源自大块石墨的液相剥离。一旦这些薄片被沉积以形成薄膜，薄片的随机排列可以产生多孔结构，其表面积与材料厚度成比例。由此产生的电容使印刷电影有希望成为神经记录和刺激的电极，虽然它有缺点，如由薄膜厚度引起的降低的透明度，以及由材料的碎片性质引起的高阻力。可以探索这些石墨烯形式中的每一种以产生与生电神经元接合的新型微电极，并且可能将不同形式彼此或与其他材料组合以增强或利用特定特性。

视网膜植入物

无源电极

对于利用电刺激的神经假体，目前的挑战之一是减小电极的尺寸，同时保持在材料的安全CIC内的刺激。较小的电极是令人满意的，因为它们对刺激区域提供更高的特异性。例如，当设计视网膜假体时，缩小的电极尺寸是重要的，这意味着将视力恢复到因视网膜疾病导致失明的个体的视力，所述视网膜疾病导致眼后部的光敏神经元损失。在这种假体中，照相机捕获外部世界的图像，该图像被转换成通过植入视网膜上的微电极阵列传递的电刺激的时空图案。

每种材料都有一个基本的CIC，结合激活神经元所需的电荷，将决定电极的制造能力。但是，通过在保持相同的几何尺寸的同时粗糙化材料的表面，可以增加电极的实际CIC。这一战略已经成功实施了金属电极。石墨烯处理的多功能性允许将这种想法扩展到垂直维度，如石墨烯薄片所例示。多孔结构增加了电极体积的表面积，这可以导致电化学性能的提高和设计的自由度，以进一步减小电极的尺寸。

有源电极

石墨烯的多功能性的进一步证据是，其电子特性允许其实施为与离子溶液中的神经元接口的溶液门控场效应晶体管配置。石墨烯溶液门控场效应晶体管对检测到的神经信号具有隐含的放大作用，因此不需要传统电极记录配置中存在的附加放大模块，并且其可以用灵活的技术来实现。石墨烯溶液门控场效应晶体管能够稳定记录大脑中的低频神经信号。例如，一系列悬浮栅场效应晶体管有可能提供关于慢波皮质扩散抑制的起源和进展的信息。这种类型的记录对于传统的无源电极是具有挑战性的，因为它们的信噪比在低频范围（<10Hz）下降。

未来的潜力

微电极是神经接口技术的主要组成部分。它们的大小，密度和电化学性能在确定特定神经假体的功效方面起着重要作用。多孔石墨烯电极具有提供改进的电化学CIC的潜力，而基于石墨烯的悬浮栅场效应晶体管技术在低频记录领域提供改进的性能。这些技术可以结合在同一个灵活的植入装置上，增强神经元之间的双向通信。此外，其他相关领域的研究包括石墨烯与其他电极材料的结合以提高性能，用于分子检测的石墨烯化学官能化以及石墨烯共轭药物释放策略。

石墨烯的多功能性有助于实施各种工程设计原则，以解决生物医学技术面临的挑战。随着材料性能的不断提高，石墨烯研究成为一个值得关注的空间，它将促进技术的进一步发展。