Графен в нейрохирургии: новые возможности метаматериала

Изобретение графена — высокотехнологичного метаматериала с множеством уникальных свойств — может привести к новым методикам в диагностике и лечении неврологических заболеваний.

Об этом говорится в отчете, опубликованном в издании Neurosurgery.

Исследователи Тобиас Маттей из неврологического центра в Буффало и Азим Рехман из медицинского колледжа Иллинойсского университета представили учебник для новичков в разработке метаматериалов на основе графена, который может способствовать развитию новых прорывов сразу в нескольких областях нейрохирургии.

«Поскольку хирургия во многом полагается на технологические инновации, ожидается, что нейрохирургия получит значительную выгоду от нескольких технологических новшеств на основе графена в следующие десятилетия», пишут авторы Маттей и Рехман.

Искусственно разработанный метаматериал, обладающий свойствами, которые не встречаются в природе в естественном виде, графен состоит из одинарного слоя атомов углерода, упорядоченных в сотовидной решетке. За разработку графена ученых в 2010 году удостоили Нобелевской премии по физике. В настоящее время в дальнейшие научные исследования графена инвестируются значительные средства.

Графен обладает свойствами, которые отличают его от любого другого материала. Он сочетает наибольшую механическую прочность по сравнению с любыми другими материалами, естественными и искусственными, а также легкий вес и высокую эластичность. Кроме того, графен обладает уникальными оптическими и фототепловыми свойствами, которые позволяют ему выделять энергию в форме высокой температуры в результате поглощения света.

Наконец, графен обладает весьма высокой электропроводностью и удивительной по масштабу площадью поверхности, которая позволяет производить эффективное биосоединение с распространенными биомолекулами. Несколько лет назад графен был одним из наиболее дорогостоящих материалов на планете, однако с ростом его промышленного производства стоимость снижается.

Графен разрабатывается для использования в широком диапазоне технологий, таких как гибкие жидкокристаллические дисплеи и электронные устройства, новые типы интегральных микросхем, литий-ионные микробатареи и многие другие. Также графен кажется многообещающим для использования в разных типах биомедицинских устройств, и некоторые из них релевантны состояниям, которые лечат нейрохирурги.

Маттей и Рехман обсуждают некоторые передовые научные исследования, проведенные для исследования возможностей и потенциального применения графена. Поскольку разработка не стоит на месте, метаматериалы на основе графена могут способствовать прорывам в нескольких областях нейрохирургии, включая‑:

Лечение рака. Наночастицы графена могут играть роль в целевом сканировании опухолей, а также потенциальных иных терапевтических подходах, включающих фототепловые методы и терапию стимуляцией переменным электрическим полем.

Мониторинг отделения интенсивной терапии. Новые электрохимические и оптические биодатчики могут обеспечить новые подходы к неврологическому мониторингу пациентов с инсультами или травмами головного мозга.

Нейрорегенерация. Графен может использоваться в новых стратегиях для продвижения регенерации тканей нервной системы, например, покрытые графеном каркасы для стимуляции роста поврежденных периферических нервов.



Функциональная нейрохирургия. Усовершенствованные электрофизиологические системы мониторинга могут помочь в проведении точно нацеленных хирургических операций на мозге пациентов с такими недугами, как эпилепсия или расстройства двигательных функций.

Спинальная хирургия. Высокорезистивное оборудование на основе графена может представить следующее поколение инструментов для спинальной хирургии.

Прежде чем любой из прорывов состоится, необходимо провести массу исследований. Хотя графен биологически совместим, требуется ряд фундаментальных исследований для анализа долгосрочных биологических эффектов графеновых имплантов и для решения других важных клинических проблем.

«Растущее понимание исследования графена может позволить нейрохирургическому сообществу должным образом использовать технологические новинки, которые новый метаматериал способен предложить экспериментальной и клинической нейрохирургии в ближайшем будущем», заключили авторы исследования.