石墨烯-一種由單層碳原子組成的新型2D材料-正在通過研究和開發階段迅速取得成功。它具有導電性和導熱性，化學穩定性，透明性，柔性和強度。利用這些特性來改進和創造新技術是跨越多個領域的共同主題。

但是，一種材料如何無處不在？答案是多功能性。其結構可以進行修改和功能化，以滿足多種不同的目的。此外，石墨烯基材料的生產和改性范圍可以從涉及化學氣相沉積的過程或使用石墨原材料的溶液中的大量化學合成。隨著生產技術的提高，材料性能進一步接近其理論上限，并且材料的實用性擴大到更廣泛的應用范圍。

石墨烯晶體管陣列

神經接口技術

神經接口技術是石墨烯的許多潛在用途之一。作為石墨烯旗艦計劃的一部分，西班牙巴塞羅那加泰羅尼亞納米科學與納米技術研究所的實驗室與巴塞羅那微電子研究所合作，正在研究石墨烯在電極-組織界面作為記錄和刺激電極應用于神經假體-恢復由于神經損傷而喪失功能的裝置。

目標是生產一種石墨烯基微電極技術，其性能優于金，鉑，鈦等金屬衍生的傳統電極。高性能電極的特征在于在電記錄期間具有大的信噪比，并且在電刺激期間具有高電荷注入容量。具有低電化學阻抗的電極材料通常提供更好的信噪比，而具有大的有效表面積并因此可以發生電荷轉移的大電容的材料提供更高的（CIC）電路標識碼。已經提出基于導電聚合物和其他形式的碳（例如碳納米管，金剛石和碳黑）的材料作為改進傳統金屬技術的手段。到目前為止，他們還沒有取代金屬電極，因為它們的高性能是以損害電化學穩定性和生物相容性為代價的，反之亦然。本研究旨在利用石墨烯的多功能性來定制具有競爭電化學特性的電極。

石墨烯形式遵循功能

作為神經界面材料的石墨烯可以采取多種形式，例如單層二維石墨烯，多層石墨烯，垂直排列的石墨烯納米壁和石墨烯薄片。其中每個都有不同的屬性。單層石墨烯具有導電性和透明性，但具有相對較低的界面電容。它適用于記錄電極，可用于光電子研究，通過光刺激誘導神經激活，同時使用電極記錄神經反應。石墨烯的透明度使得直接位于電極下方的神經元可以被不透明材料遮擋。多層石墨烯可以提供比單層石墨烯更高的電導率和界面電容，但是具有降低的光學透明度。垂直排列的石墨烯納米壁由垂直于基底表面取向的少量石墨烯層組成。它們可以使用等離子增強石墨烯化學氣相沉積生產。這通過訪問垂直維度中的表面區域來改善材料的界面電容，類似于碳納米管發生的情況。這種增加的電容對神經刺激電極有吸引力。石墨烯薄片可以源自大塊石墨的液相剝離。一旦這些薄片被沉積以形成薄膜，薄片的隨機排列可以產生多孔結構，其表面積與材料厚度成比例。由此產生的電容使印刷電影有希望成為神經記錄和刺激的電極，雖然它有缺點，如由薄膜厚度引起的降低的透明度，以及由材料的碎片性質引起的高阻力。可以探索這些石墨烯形式中的每一種以產生與生電神經元接合的新型微電極，并且可能將不同形式彼此或與其他材料組合以增強或利用特定特性。

視網膜植入物

無源電極

對于利用電刺激的神經假體，目前的挑戰之一是減小電極的尺寸，同時保持在材料的安全CIC內的刺激。較小的電極是令人滿意的，因為它們對刺激區域提供更高的特異性。例如，當設計視網膜假體時，縮小的電極尺寸是重要的，這意味著將視力恢復到因視網膜疾病導致失明的個體的視力，所述視網膜疾病導致眼后部的光敏神經元損失。在這種假體中，照相機捕獲外部世界的圖像，該圖像被轉換成通過植入視網膜上的微電極陣列傳遞的電刺激的時空圖案。

每種材料都有一個基本的CIC，結合激活神經元所需的電荷，將決定電極的制造能力。但是，通過在保持相同的幾何尺寸的同時粗糙化材料的表面，可以增加電極的實際CIC。這一戰略已經成功實施了金屬電極。石墨烯處理的多功能性允許將這種想法擴展到垂直維度，如石墨烯薄片所例示。多孔結構增加了電極體積的表面積，這可以導致電化學性能的提高和設計的自由度，以進一步減小電極的尺寸。

有源電極

石墨烯的多功能性的進一步證據是，其電子特性允許其實施為與離子溶液中的神經元接口的溶液門控場效應晶體管配置。石墨烯溶液門控場效應晶體管對檢測到的神經信號具有隱含的放大作用，因此不需要傳統電極記錄配置中存在的附加放大模塊，并且其可以用靈活的技術來實現。石墨烯溶液門控場效應晶體管能夠穩定記錄大腦中的低頻神經信號。例如，一系列懸浮柵場效應晶體管有可能提供關于慢波皮質擴散抑制的起源和進展的信息。這種類型的記錄對于傳統的無源電極是具有挑戰性的，因為它們的信噪比在低頻范圍（<10Hz）下降。

未來的潛力

微電極是神經接口技術的主要組成部分。它們的大小，密度和電化學性能在確定特定神經假體的功效方面起著重要作用。多孔石墨烯電極具有提供改進的電化學CIC的潛力，而基于石墨烯的懸浮柵場效應晶體管技術在低頻記錄領域提供改進的性能。這些技術可以結合在同一個靈活的植入裝置上，增強神經元之間的雙向通信。此外，其他相關領域的研究包括石墨烯與其他電極材料的結合以提高性能，用于分子檢測的石墨烯化學官能化以及石墨烯共軛藥物釋放策略。

石墨烯的多功能性有助于實施各種工程設計原則，以解決生物醫學技術面臨的挑戰。隨著材料性能的不斷提高，石墨烯研究成為一個值得關注的空間，它將促進技術的進一步發展。