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Des transistors en graphène pour la bioélectronique

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La bioélectronique du futur pourrait bien reposer sur l'utilisation de transistors à effet de champ fabriqués avec du graphène. En Allemagne, des chercheurs viennent en effet de montrer que de tels éléments pouvaient servir d'interface avec des neurones. Ils pensent même pouvoir les employer dans des implants rétiniens.

La structure 2D d'un feuillet de graphène. Le graphite est un empilement de telles structures. © Jannik Meyer
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C'est un vieux rêve que celui de pouvoir faire fusionner l'Homme et la machine afin de libérer les corps biologiques de certaines de leurs limites. On pense bien sûr à la réalisation de prothèses pour restaurer l'utilisation d'un membre perdu ou encore une vision défaillante. Se pose alors le problème de réaliser un interfaçage entre des circuits électroniques et des cellules nerveuses. À priori, cela est possible, car l'influx nerveux, le fameux potentiel d'action, fait intervenir des effets électrochimiques.

Des capteurs bioélectroniques avec des FET

Depuis les années 1970, les biophysiciens ont cherché à détecter ce potentiel d'action au moyen de transistors basés sur du silicium, sensibles aux modifications des propriétés électrolytiques de la solution dans laquelle baignent les cellules nerveuses. Il s'agissait plus précisément d'une classe de transistors à effet de champ (field-effect transistor ou FET en anglais) appelés solution-gated FET (SGFET).

Un montage photo représentant du graphène, reconnaissable à sa structure en nid d'abeille, avec une cellule nerveuse (en vert) et un potentiel d'action (courbe verte à gauche). Le graphène sera-t-il une clé pour les implants bioniques ? © Jose Garrido

Un montage photo représentant du graphène, reconnaissable à sa structure en nid d'abeille, avec une cellule nerveuse (en vert) et un potentiel d'action (courbe verte à gauche). Le graphène sera-t-il une clé pour les implants bioniques ? © Jose Garrido

Malheureusement, si l'idée est prometteuse, ces SGFET ont des inconvénients dont on voudrait bien s'affranchir. Ainsi, ils ne sont pas souples, ce qui n'est guère pratique si l'on veut les implanter dans des organes comme le cerveau ou d'autres parties du système nerveux. La surface des SGFET s'oxyde rapidement au contact du liquide baignant les cellules nerveuses, et ces composants électroniques perdent donc de leur efficacité.

Au moment où l'on vient de débloquer des fonds en Europe pour le Human Brain Project et pour les recherches sur le graphène, le groupe de recherche de Jose Garrido de la Technische Universität München vient de publier sur arxiv les derniers résultats de leur recherche, qui montrent qu'il est possible de s'affranchir des limitations des SGFET au silicium en utilisant du graphène à la place.

Des SGFET au graphène biocompatibles ?

Les chercheurs ont ainsi assemblé 64 SGFET de 10 µm de diamètre chacun pour former un carré sur lequel ont été cultivés des neurones. Les cellules nerveuses ont survécu pendant de longues périodes au contact du graphène sur cette batterie de transistors pendant que ces derniers enregistraient l'activation des cellules nerveuses.

Les biophysiciens se proposent maintenant de réaliser des blocs de 1.000 SGFET au graphène, ce qui permettrait la réalisation d'implants rétiniens. Il ne devrait pas y avoir d'obstacle technologique à la réalisation de tels systèmes, mais il leur reste à montrer qu'en plus de permettre la survie des neurones, ils n'endommagent pas les tissus nerveux.

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