"وشم" الجرافين يعالج عدم انتظام ضربات القلب بالضوء

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

17 أبريل 2023 (أخبار Nanowerk) قام باحثون بقيادة جامعة نورث وسترن وجامعة تكساس في أوستن (UT) بتطوير أول عملية زرع قلب مصنوعة من الجرافين، وهي مادة فائقة ثنائية الأبعاد ذات خصائص فائقة القوة وخفيفة الوزن وموصلة. يشبه مظهر الوشم المؤقت للطفل، فإن زرعة "الوشم" الجديدة من الجرافين أرق من خصلة شعر واحدة ولكنها لا تزال تعمل مثل جهاز تنظيم ضربات القلب الكلاسيكي. ولكن على عكس أجهزة تنظيم ضربات القلب الحالية وأجهزة تنظيم ضربات القلب المزروعة، والتي تتطلب مواد صلبة وصلبة غير متوافقة ميكانيكيًا مع الجسم، فإن الجهاز الجديد يندمج بهدوء مع القلب لاستشعار ضربات القلب غير المنتظمة وعلاجها في نفس الوقت. تتميز الغرسة بأنها رفيعة ومرنة بدرجة كافية لتتوافق مع الخطوط الدقيقة للقلب، كما أنها قابلة للتمدد وقوية بما يكفي لتحمل الحركات الديناميكية للقلب النابض. بعد زرع الجهاز في نموذج الفئران، أثبت الباحثون أن وشم الجرافين يمكن أن يستشعر بنجاح إيقاعات القلب غير المنتظمة ثم يقدم تحفيزًا كهربائيًا من خلال سلسلة من النبضات دون تقييد أو تغيير الحركات الطبيعية للقلب. والأفضل من ذلك: أن هذه التقنية أيضًا شفافة بصريًا، مما يسمح للباحثين باستخدام مصدر خارجي للضوء البصري لتسجيل وتحفيز القلب من خلال الجهاز.

رسم توضيحي لوشم الجرافين على قلب الإنسان. (الصورة: زيكسو لين، جامعة نورث وسترن) الدراسة نشرت في المجلة المواد المتقدمة ("الواجهة الحيوية للجرافين لتشخيص وعلاج عدم انتظام ضربات القلب"). يمثل أنحف زرع قلب معروف حتى الآن. وقال إيجور إيفيموف، من جامعة نورثويسترن، وهو المؤلف الرئيسي للدراسة: "أحد التحديات التي تواجه أجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة تنظيم ضربات القلب الحالية هو صعوبة لصقها على سطح القلب". "أقطاب مزيل الرجفان، على سبيل المثال، هي في الأساس ملفات مصنوعة من أسلاك سميكة للغاية. هذه الأسلاك ليست مرنة، وتنكسر. يمكن أن تسبب الواجهات الصلبة مع الأنسجة الرخوة، مثل القلب، مضاعفات مختلفة. وعلى النقيض من ذلك، فإن جهازنا الناعم والمرن ليس فقط غير مزعج، ولكنه أيضًا يتوافق بشكل وثيق وسلس مباشرة مع القلب لتقديم قياسات أكثر دقة. إفيموف هو طبيب قلب تجريبي، وهو أستاذ الهندسة الطبية الحيوية في كلية ماكورميك للهندسة بجامعة نورث وسترن وأستاذ الطب في كلية الطب بجامعة نورث وسترن فاينبرج. وشارك في قيادة الدراسة مع ديمتري كيريف، الباحث المشارك في جامعة تكساس. زيكسو لين، دكتوراه. المرشح في مختبر إيفيموف، هو المؤلف الأول لهذه الورقة.

مادة معجزة

تحدث اضطرابات ضربات القلب، المعروفة باسم عدم انتظام ضربات القلب، عندما ينبض القلب إما بسرعة كبيرة أو ببطء شديد. في حين أن بعض حالات عدم انتظام ضربات القلب ليست خطيرة، إلا أن العديد من الحالات يمكن أن تؤدي إلى فشل القلب والسكتة الدماغية وحتى الموت المفاجئ. في الواقع، المضاعفات المرتبطة بعدم انتظام ضربات القلب تودي بحياة حوالي 300,000 ألف شخص سنويًا في الولايات المتحدة. عادةً ما يعالج الأطباء عدم انتظام ضربات القلب باستخدام أجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة تنظيم ضربات القلب القابلة للزرع والتي تكتشف ضربات القلب غير الطبيعية ثم تصحح الإيقاع عن طريق التحفيز الكهربائي. على الرغم من أن هذه الأجهزة تنقذ الحياة، إلا أن طبيعتها الصلبة قد تعيق حركات القلب الطبيعية، وتجرح الأنسجة الرخوة، وتسبب عدم الراحة المؤقتة وتسبب مضاعفات، مثل التورم المؤلم، والثقوب، والجلطات الدموية، والعدوى والمزيد. مع أخذ هذه التحديات في الاعتبار، سعى إيفيموف وفريقه إلى تطوير جهاز متوافق حيويًا ومثالي للتوافق مع الأنسجة الرخوة والديناميكية. وبعد مراجعة مواد متعددة، استقر الباحثون على الجرافين، وهو شكل رقيق من الكربون. بفضل بنيته فائقة القوة وخفيفة الوزن وموصليته الفائقة، يتمتع الجرافين بإمكانية استخدام العديد من التطبيقات في الإلكترونيات عالية الأداء والمواد عالية القوة وأجهزة الطاقة. وقال إيفيموف: "لأسباب التوافق الحيوي، يعد الجرافين جذابًا بشكل خاص". "الكربون هو أساس الحياة، لذا فهو مادة آمنة تُستخدم بالفعل في التطبيقات السريرية المختلفة. كما أنه مرن وناعم، ويعمل بشكل جيد كواجهة بين الإلكترونيات وعضو ناعم ونشط ميكانيكيًا. وشم الجرافين على شكل قلب

زرع الجرافين على ورق الوشم. (الصورة: نينغ ليو، جامعة تكساس في أوستن)

ضرب هدف الضرب

في جامعة تكساس، كان المؤلفان المشاركان في الدراسة، ديميتري كيريف وديجي أكينواندي، يعملان بالفعل على تطوير وشم الجرافين الإلكتروني (GETs) مع قدرات الاستشعار. يتسم الوشم الإلكتروني الذي وضعه فريقهم بالمرونة وانعدام الوزن، حيث يلتصق بالجلد لمراقبة العلامات الحيوية للجسم بشكل مستمر، بما في ذلك ضغط الدم والنشاط الكهربائي للدماغ والقلب والعضلات. ولكن، في حين أن الوشم الإلكتروني يعمل بشكل جيد على سطح الجلد، كان فريق إيفيموف بحاجة إلى البحث عن طرق جديدة لاستخدام هذه الأجهزة داخل الجسم، مباشرة على سطح القلب. قال إيفيموف: "إنه مخطط تطبيق مختلف تمامًا". "الجلد جاف نسبيًا ويمكن الوصول إليه بسهولة. من الواضح أن القلب موجود داخل الصدر، لذلك يصعب الوصول إليه وفي بيئة رطبة. طور الباحثون تقنية جديدة تمامًا لتغليف وشم الجرافين ولصقه على سطح القلب النابض. أولاً، قاموا بتغليف الجرافين داخل غشاء سيليكون مرن ومرن، مع ثقب فيه لإتاحة الوصول إلى قطب الجرافين الداخلي. بعد ذلك، وضعوا بلطف شريطًا ذهبيًا (بسمك 10 ميكرون) على الطبقة المغلفة ليكون بمثابة رابط كهربائي بين الجرافين والإلكترونيات الخارجية المستخدمة لقياس وتحفيز القلب. وأخيرا، وضعوه على القلب. ويبلغ سمك جميع الطبقات معًا حوالي 100 ميكرون في المجمل. كان الجهاز الناتج مستقرًا لمدة 60 يومًا على القلب النابض النشط في درجة حرارة الجسم، وهو ما يشبه مدة أجهزة تنظيم ضربات القلب المؤقتة المستخدمة كجسور لأجهزة تنظيم ضربات القلب الدائمة أو إدارة الإيقاع بعد الجراحة أو العلاجات الأخرى.

الفرص البصرية

ومن خلال الاستفادة من طبيعة الجهاز الشفافة، أجرى إيفيموف وفريقه تخطيط بصري للقلب - باستخدام الضوء لتتبع وتعديل إيقاع القلب - في الدراسة على الحيوانات. لا يوفر هذا طريقة جديدة لتشخيص وعلاج أمراض القلب فحسب، بل يفتح هذا النهج أيضًا إمكانيات جديدة لعلم البصريات الوراثي، وهي طريقة للتحكم ومراقبة الخلايا المفردة بالضوء. في حين أن التحفيز الكهربائي يمكن أن يصحح إيقاع القلب غير الطبيعي، فإن التحفيز البصري أكثر دقة. باستخدام الضوء، يمكن للباحثين تتبع إنزيمات معينة بالإضافة إلى استجواب خلايا معينة في القلب أو العضلات أو الأعصاب. وقال إيفيموف: "يمكننا بشكل أساسي الجمع بين الوظائف الكهربائية والبصرية في واجهة حيوية واحدة". "نظرًا لأن الجرافين شفاف بصريًا، يمكننا بالفعل القراءة من خلاله، مما يمنحنا كثافة قراءة أعلى بكثير."