Но графен невероятно жесткий, тогда как биологическая ткань мягкая. Из-за этого любая энергия, приложенная для работы графенового имплантата, может резко нагреться и поджарить окружающие клетки.Теперь инженеры из Массачусетского технологического института и Университета Цинхуа в Пекине точно смоделировали, как электроэнергия может генерировать тепло между одним слоем графена и простой клеточной мембраной. Хотя прямой контакт между двумя слоями неизбежно приводит к перегреву и гибели клетки, исследователи обнаружили, что могут предотвратить этот эффект с помощью очень тонкого промежуточного слоя воды.
Регулируя толщину этого промежуточного слоя воды, исследователи могли тщательно контролировать количество тепла, передаваемого между графеном и биологической тканью. Они также определили критическую мощность, которую нужно приложить к слою графена без обжаривания клеточной мембраны. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Соавтор Чжао Цинь, научный сотрудник Департамента гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института (CEE), говорит, что моделирование команды может помочь в разработке графеновых имплантатов и их оптимальных требований к мощности.«Мы предоставили много информации, например, какую критическую мощность мы можем принять, чтобы не поджечь клетку», — говорит Цинь. «Но иногда мы можем намеренно повысить температуру, потому что для некоторых биомедицинских применений мы хотим убивать клетки, такие как раковые клетки.
Эту работу также можно использовать в качестве руководства [для этих усилий]».Соавторами Цинь являются Маркус Бюлер, глава ЦВЕ и профессор инженерных наук McAfee, а также Янлей Ван и Чжипин Сюй из Университета Цинхуа.Сэндвич-модель
Обычно тепло передается между двумя материалами через колебания атомов каждого материала. Эти атомы всегда колеблются с частотами, которые зависят от свойств их материалов. Когда поверхность нагревается, ее атомы вибрируют еще сильнее, вызывая столкновения с другими атомами и передавая тепло в процессе.
Исследователи стремились точно охарактеризовать путь распространения тепла на уровне отдельных атомов между графеном и биологической тканью. Для этого они рассмотрели простейший интерфейс, состоящий из небольшого квадратного листа графена размером 500 нанометров и простой клеточной мембраны, разделенных тонким слоем воды.
«В организме вода присутствует повсюду, и внешняя поверхность мембран всегда будет взаимодействовать с водой, поэтому вы не можете полностью удалить ее», — говорит Цинь. «Итак, мы придумали сэндвич-модель для графена, воды и мембраны, которая представляет собой кристально чистую систему для определения теплопроводности между этими двумя материалами».Коллеги Цина из Университета Цинхуа ранее разработали модель для точного моделирования взаимодействий между атомами в графене и воде, используя теорию функционала плотности — метод вычислительного моделирования, который учитывает структуру электронов атома при определении того, как этот атом будет взаимодействовать с другими атомами. .
Однако, чтобы применить этот метод моделирования к сэндвич-модели группы, состоящей примерно из полумиллиона атомов, потребовались бы невероятные вычислительные мощности. Вместо этого Цинь и его коллеги использовали классическую молекулярную динамику — математический метод, основанный на потенциальной функции «силового поля» или упрощенную версию взаимодействий между атомами, что позволило им эффективно рассчитывать взаимодействия в более крупных атомных системах.
Затем исследователи построили сэндвич-модель графена, воды и клеточной мембраны на атомном уровне, основанную на упрощенном силовом поле группы. Они провели молекулярно-динамическое моделирование, в котором они изменили количество энергии, подаваемой на графен, а также толщину промежуточного слоя воды, и наблюдали количество тепла, которое переносится от графена к клеточной мембране.
Водянистые кристаллыПоскольку жесткость графена и биологической ткани сильно различается, Цинь и его коллеги ожидали, что тепло будет плохо проводиться между двумя материалами, резко накапливаясь в графене, прежде чем затопить и перегреть клеточную мембрану. Однако промежуточный водный слой помогает рассеивать это тепло, облегчая его проводимость и предотвращая скачок температуры в клеточной мембране.
При более внимательном рассмотрении взаимодействий внутри этого интерфейса исследователи сделали удивительное открытие: в рамках модели сэндвича вода, прижатая к узору из проволочной сетки графена, трансформировалась в аналогичную кристаллическую структуру.«Решетка графена действует как шаблон, направляющий воду для формирования сетевых структур», — объясняет Цинь. «Вода действует больше как твердый материал и делает переход жесткости от графена к мембране менее резким.
Мы думаем, что это помогает теплу проходить от графена к мембране».Группа варьировала толщину промежуточного слоя воды при моделировании и обнаружила, что слой воды шириной 1 нанометр помогает очень эффективно рассеивать тепло. Что касается мощности, подаваемой на систему, они подсчитали, что мощность около мегаватта на квадратный метр, приложенная крошечными микросекундными импульсами, была наибольшей мощностью, которую можно было приложить к интерфейсу без перегрева клеточной мембраны.Цинь говорит, что в будущем разработчики имплантатов могут использовать модели и симуляции группы для определения критических требований к мощности для графеновых устройств различных размеров.
Что касается того, как они могут практически контролировать толщину промежуточного слоя воды, он говорит, что поверхность графена может быть изменена, чтобы привлекать определенное количество молекул воды.«Я думаю, что графен является очень многообещающим кандидатом для имплантируемых устройств», — говорит Цинь. «Наши расчеты могут предоставить знания для проектирования этих устройств в будущем для конкретных приложений, таких как датчики, мониторы и другие биомедицинские приложения».