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Graphene-Based Revolutions in ICT And Beyond

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Fortschritte in der Biomedizin durch Verwendung von Graphen

Die steigende Nachfrage nach Gesundheitsdienstleistungen macht neue Lösungen erforderlich. Graphen ebnet den Weg für Technologien, mit denen es möglich ist, Erkrankungen des Nervensystems mithilfe von neuronalen Implantaten zu erkennen, zu behandeln und zu managen.

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Graphen ist der dünnste, stärkste – aber gleichzeitig auch leichteste – Stoff, undurchlässig für Moleküle, jedoch zugänglich für die chemische Veränderung. Abgesehen von seiner hohen Oberfläche und Biokompatibilität machen diese Eigenschaften Graphen zu einem überaus vielversprechenden Ausgangsmaterial für eine Vielzahl biomedizinischer Anwendungen. Das Arbeitspaket „Biomedical Technologies Work Package“ von Graphene Flagship unter der Leitung von Prof. Kostas Kostarelos am nanomedizinischen Labor der Universität Manchester (Vereinigtes Königreich) und Prof. Jose A Garrido vom katalanischen Institut für Nanowissenschaften und Nanotechnologie (Spanien), erforscht die Verwendung von Graphen und graphenverwandter Materialien bei der Konstruktion neuronaler Implantate für die Aufzeichnung und Stimulierung elektrischer Aktivitäten in Kombination mit einer lokalen Medikamentenverabreichung. Prof. Kostarelos erklärt hierzu: „Das Ziel dieses Work Package ist die Entwicklung der nächsten Generation neuronaler Implantate, die Aufzeichnungs- und Stimulationsfunktionalitäten mit therapeutischen Möglichkeiten kombinieren.“ Neuronale Implantate haben sich als vielversprechender Ansatz für die Erkennung, Beobachtung und Behandlung einer Reihe unterschiedlicher sensorischer und motorischer Erkrankungen des Zentral- und peripheren Nervensystems (über elektrische Stimulation) hervorgetan. Diese Implantate fungieren als Schnittstelle zwischen Nervengewebe, Nervenfasern oder individuellen Neuronen und externen Geräten, die zur Aufzeichnung, Beobachtung und Stimulation von Hirnaktivitäten verwendet werden, um in Funktionen des zentralen Nervensystems einzugreifen. Innovative Graphen-basierte Geräte Forschungsaktivitäten führender Wissenschaftler in ganz Europa, die am „Graphene Flagship“-Projekt beteiligt waren, waren auf die Materialherstellung, Implantattechnologie und Funktionalität für Anwendungen im Bereich der Neurologie, Ophtalmologie und Chirurgie fokussiert. Ihr Ziel war die Implementierung dieser Geräte für die Diagnose und Behandlung verschiedener Erkrankungen wie Epilepsie, Parkinson, Blindheit, rheumatische Gelenkentzündung und Diabetes. Graphen ist ein vielseitiges Substrat, das viele verschiedene Formen mit unterschiedlichen Eigenschaften annehmen kann, und somit ausgezeichnet für die Herstellung von 2D-Materialien geeignet ist, die in Aufzeichnungs- und Stimulationsgeräten verwendet werden können. Die elektrische Leitfähigkeit und Elastizität von einschichtigen Graphen-Nanomembranen vereinfacht die Aufzeichnung elektrischer Aktivitäten in Nervengewebe mit höchster Genauigkeit erheblich. Zur elektrischen Stimulation des Nervensystems – wie dies bei Parkinson-Patienten der Fall ist, die nicht auf Levodopa ansprechen – entschieden sich die Wissenschaftler für reduziertes Graphenoxid. Graphenoxid führt zur Herstellung flexibler, aber dennoch poröser Substrate im Nanomaßstab mit einer hohen Kapazität, die über längere Zeit stimulieren können. Die Partner dieses Work Package erforschen die Technologie für die Entwicklung eines Netzhautimplantats für Menschen, die ihr Sehvermögen aufgrund einer Netzhauterkrankung verloren haben. Eine Kamera sammelt Bilder aus der Umgebung und wandelt diese in elektrische Stimulationen um, die über Graphen-Mikroelektroden verabreicht werden. Die einstellbaren Charakteristika der Graphen-Suspension und dessen Fähigkeit zur Funktionalisierung mit Sauerstoff können zudem für die Medikamentenverabreichung genutzt werden. Entzündungshemmende Medikamente, Neurotransmitter oder neuronale Lockmittel sind mit hydrogelbeschichteten Graphenmembranen verbunden und werden nach der Implantierung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit freigesetzt. Die Zukunft von Graphen im Bereich der Biomedizin Die Forschung an der Verwendung von Graphen- und 2D-Materialien für biomedizinische Anwendungen wird auf verschiedene Bereiche ausgeweitet, die von der Überwachung tragbarer Geräte bis hin zur Medikamentenverabreichung und Krebsdiagnostik reichen. Die Forschung im Rahmen des Biomedical Technologies Work Package gründet auf den außergewöhnlichen Eigenschaften von Graphen, die dafür sorgen, dass der Stoff bei pathologischen Erkrankungen wie Parkinson und Epilepsie ideal zur Aufzeichnung und Stimulation von Nervengewebe geeignet ist. „Graphen ebnet zweifelsohne den Weg für neue Diagnosen und Behandlungen, die dazu beitragen, die Lebensqualität für Millionen Patienten weltweit zu verbessern“, schlussfolgert Prof. Kostarelos. Mit Blick auf die Zukunft betont er, dass die „Zusammenarbeit mit der Industrie essentiell ist, um Innovationen und Forschungsmaßnahmen in Richtung der vielversprechendsten kommerziellen Anwendungen zu lenken“.

Schlüsselbegriffe

Graphene Flagship, Graphen, biomedizinische Anwendungen, Gehirnimplantat, Netzhautimplantat, Prothesen

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3 August 2021