En el futuro, nuestra salud puede ser monitoreada y mantenida por pequeños sensores y dispensadores de medicamentos, desplegado dentro del cuerpo y hecho de grafeno, uno de los más fuertes, materiales más ligeros del mundo. El grafeno está compuesto por una sola hoja de átomos de carbono, unidos entre sí como alambre de gallinero fino como una navaja, y sus propiedades se pueden ajustar de innumerables formas, 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 energía aplicada 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 simple membrana celular. Mientras que el contacto directo entre las dos capas inevitablemente sobrecalienta y mata la célula, los investigadores descubrieron que podían prevenir este efecto con una capa intermedia de agua.

Al ajustar el espesor 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 se publican hoy en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Coautor Zhao Qin, un científico investigador en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE) del MIT, dice que las simulaciones del equipo pueden ayudar a guiar el desarrollo de implantes de grafeno y sus requisitos óptimos de energía.

"Hemos proporcionado mucha información como cuál es el poder crítico que podemos aceptar que no freirá la celda, ", Dice Qin." Pero a veces es posible que deseemos aumentar intencionalmente la temperatura, porque para algunas aplicaciones biomédicas, queremos matar células como las cancerosas. Este trabajo también se puede utilizar como guía [para esos esfuerzos] ".

Los coautores de Qin incluyen a Markus Buehler, director de CEE y profesor de ingeniería de McAfee, junto con Yanlei Wang y Zhiping Xu de la Universidad de Tsinghua.

Modelo sándwich

Típicamente, 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, provocando colisiones con otros átomos y 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 un pequeño, Lámina de grafeno de 500 nanómetros cuadrados y una membrana celular simple, separados por una fina capa de agua.

"En el cuerpo, el agua está en todas partes, y a la superficie exterior de las membranas siempre le gustará interactuar con el agua, para que no puedas eliminarlo por completo, ", Dice Qin." Así que creamos un modelo de sándwich para el grafeno, agua, y membrana, ese es un sistema claro como el cristal 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 ese átomo interactuará con otros átomos.

Sin embargo, aplicar esta técnica de modelado al modelo sándwich del grupo, que comprendía alrededor de medio millón de átomos, habría requerido una increíble cantidad de poder computacional. En lugar de, Qin y sus colegas utilizaron la dinámica molecular clásica, una técnica matemática basada en una 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 de grafeno a nivel de átomo, agua, y una membrana celular, basado en el campo de fuerza simplificado del grupo. Llevaron a cabo simulaciones de dinámica molecular en las que cambiaron la cantidad de energía aplicada al grafeno, así como el espesor de la capa intermedia de agua, y observó la cantidad de calor que se traslada del grafeno a la membrana celular.

Cristales acuosos

Debido a que la rigidez del grafeno y el tejido biológico es tan diferente, Qin y sus colegas esperaban que el calor se condujera 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 intermedia ayudó a disipar este calor, facilitando su conducción y previniendo un pico de temperatura en la membrana celular.

Mirando más de cerca las interacciones dentro de esta interfaz, los investigadores hicieron un descubrimiento sorprendente:dentro del modelo sándwich, el agua, presionado contra el patrón de alambre de gallinero del grafeno, se transformó en una estructura similar a un cristal.

"La celosía de grafeno actúa como una plantilla para guiar el agua para formar estructuras de red, "Qin explica." El agua actúa más como un material sólido y hace que la transición de rigidez del grafeno y la membrana sea menos abrupta. Creemos que esto ayuda a que el calor se conduzca desde el grafeno hacia el lado de la membrana ".

El grupo varió el espesor de la capa de agua intermedia en simulaciones, y descubrió que una capa de agua de 1 nanómetro de ancho ayudaba a disipar el calor de manera muy eficaz. En términos de potencia aplicada al sistema, calcularon que alrededor de un megavatio de potencia por metro cuadrado, aplicado en diminuto, ráfagas de microsegundos, era la mayor potencia que se podía aplicar a la interfaz sin sobrecalentar la membrana celular.

Qin dice en el futuro, Los diseñadores de implantes pueden utilizar el modelo y las simulaciones del grupo para determinar los requisitos de energía críticos para los dispositivos de grafeno de diferentes dimensiones. En cuanto a cómo podrían controlar prácticamente el espesor de la capa de agua intermedia, él dice que la superficie del grafeno puede modificarse para atraer un número particular de moléculas de agua.

"Creo que el grafeno ofrece un candidato muy prometedor para los dispositivos implantables, ", Dice Qin." Nuestros cálculos pueden proporcionar conocimientos para diseñar estos dispositivos en el futuro, para aplicaciones específicas, como sensores, monitores, y otras aplicaciones biomédicas ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.