En el futuro, nuestra salud puede ser monitoreada y mantenida por pequeños sensores y dispensadores de drogas, desplegados dentro del cuerpo y hechos de grafeno, uno de los materiales más fuertes y livianos del mundo. El grafeno está compuesto de una sola hoja de carbonoátomos, unidos entre sí como alambre de gallina, y sus propiedades pueden ajustarse de innumerables maneras, lo que lo convierte en un material versátil para pequeños implantes de próxima generación.
Pero el grafeno es increíblemente rígido, mientras que el tejido biológico es blando. Debido a esto, cualquier poder aplicado para operar un implante de grafeno podría calentar precipitadamente y freír las células circundantes.
Ahora, los ingenieros del MIT y la Universidad de Tsinghua en Beijing han simulado con precisión cómo la energía eléctrica puede generar calor entre una sola capa de grafeno y una membrana celular simple. Mientras que el contacto directo entre las dos capas inevitablemente sobrecalienta y mata la célula, los investigadores encontraronpodrían prevenir este efecto con una capa de agua intermedia muy delgada.
Al ajustar el grosor de esta capa de agua intermedia, los investigadores pudieron controlar cuidadosamente la cantidad de calor transferido entre el grafeno y el tejido biológico. También identificaron el poder crítico para aplicar a la capa de grafeno, sin freír la membrana celular. Los resultados sonpublicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
El coautor Zhao Qin, científico investigador del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental CEE del MIT, dice que las simulaciones del equipo pueden ayudar a guiar el desarrollo de los implantes de grafeno y sus requisitos óptimos de potencia.
"Hemos proporcionado una gran cantidad de información, como cuál es el poder crítico que podemos aceptar que no freirá la célula", dice Qin. "Pero a veces podríamos querer aumentar intencionalmente la temperatura, porque para algunas aplicaciones biomédicas,querer matar células como las células cancerosas. Este trabajo también se puede usar como guía [para esos esfuerzos.] "
Los coautores de Qin incluyen a Markus Buehler, jefe de CEE y profesor de ingeniería de McAfee, junto con Yanlei Wang y Zhiping Xu de la Universidad de Tsinghua.
modelo Sandwich
Normalmente, el calor viaja entre dos materiales a través de vibraciones en los átomos de cada material. Estos átomos siempre están vibrando, a frecuencias que dependen de las propiedades de sus materiales. A medida que la superficie se calienta, sus átomos vibran aún más, causando colisiones con otros átomosy transfiriendo calor en el proceso.
Los investigadores buscaron caracterizar con precisión la forma en que viaja el calor, a nivel de átomos individuales, entre el grafeno y el tejido biológico. Para hacer esto, consideraron la interfaz más simple, que comprende una pequeña hoja de grafeno de 500 nanómetros cuadrados y unmembrana celular simple, separada por una fina capa de agua.
"En el cuerpo, el agua está en todas partes, y la superficie externa de las membranas siempre querrá interactuar con el agua, por lo que no se puede eliminar por completo", dice Qin. "Así que se nos ocurrió un modelo de sándwich para grafeno, agua,y membrana, que es un sistema cristalino para ver la conductancia térmica entre estos dos materiales ".
Los colegas de Qin en la Universidad de Tsinghua habían desarrollado previamente un modelo para simular con precisión las interacciones entre los átomos en el grafeno y el agua, utilizando la teoría funcional de la densidad, una técnica de modelado computacional que considera la estructura de los electrones de un átomo para determinar cómo interactuará ese átomo conotros átomos
Sin embargo, aplicar esta técnica de modelado al modelo sándwich del grupo, que comprendía aproximadamente medio millón de átomos, habría requerido una increíble cantidad de poder computacional. En cambio, Qin y sus colegas utilizaron la dinámica molecular clásica, una técnica matemática basada enuna función potencial de "campo de fuerza", o una versión simplificada de las interacciones entre átomos, que les permitió calcular de manera eficiente las interacciones dentro de sistemas atómicos más grandes.
Luego, los investigadores construyeron un modelo sándwich a nivel de átomo de grafeno, agua y una membrana celular, basado en el campo de fuerza simplificado del grupo. Realizaron simulaciones de dinámica molecular en las que cambiaron la cantidad de energía aplicada al grafeno, comoasí como el grosor de la capa intermedia de agua, y observó la cantidad de calor que se transportaba desde el grafeno a la membrana celular.
cristales acuosos
Debido a que la rigidez del grafeno y el tejido biológico es muy diferente, Qin y sus colegas esperaban que el calor se comportara bastante mal entre los dos materiales, acumulándose abruptamente en el grafeno antes de inundar y sobrecalentar la membrana celular. Sin embargo, la capa de agua intermediaayudó a disipar este calor, facilitando su conducción y evitando un pico de temperatura en la membrana celular.
Al observar más de cerca las interacciones dentro de esta interfaz, los investigadores hicieron un descubrimiento sorprendente: dentro del modelo de sándwich, el agua, presionada contra el patrón de alambre de pollo del grafeno, se transformó en una estructura similar a un cristal.
"La red de grafeno actúa como una plantilla para guiar el agua para formar estructuras de red", explica Qin. "El agua actúa más como un material sólido y hace que la transición de la rigidez del grafeno y la membrana sea menos abrupta. Creemos que esto ayuda a que el calor conduzcadel grafeno al lado de la membrana "
El grupo varió el grosor de la capa de agua intermedia en simulaciones, y descubrió que una capa de agua de 1 nanómetro de ancho ayudó a disipar el calor de manera muy efectiva. En términos de la potencia aplicada al sistema, calcularon que aproximadamente un megavatiode potencia por metro cuadrado, aplicada en pequeñas ráfagas de microsegundos, fue la mayor potencia que se pudo aplicar a la interfaz sin sobrecalentar la membrana celular.
Qin dice que en el futuro, los diseñadores de implantes pueden usar el modelo y las simulaciones del grupo para determinar los requisitos críticos de potencia para dispositivos de grafeno de diferentes dimensiones. En cuanto a cómo podrían controlar prácticamente el grosor de la capa intermedia de agua, dice que la superficie del grafeno puede sermodificado para atraer un número particular de moléculas de agua.
"Creo que el grafeno es un candidato muy prometedor para dispositivos implantables", dice Qin. "Nuestros cálculos pueden proporcionar conocimiento para diseñar estos dispositivos en el futuro, para aplicaciones específicas, como sensores, monitores y otras aplicaciones biomédicas".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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