Grafen 'tatovering' behandler hjertearytmi med lys

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

17. april 2023 (Nanowerk nyheder) Forskere ledet af Northwestern University og University of Texas i Austin (UT) har udviklet det første hjerteimplantat lavet af graphene, et todimensionelt supermateriale med ultrastærke, lette og ledende egenskaber. I lighed med et barns midlertidige tatovering er det nye grafen "tatovering"-implantat tyndere end et enkelt hårstrå, men fungerer stadig som en klassisk pacemaker. Men i modsætning til nuværende pacemakere og implanterede defibrillatorer, som kræver hårde, stive materialer, der er mekanisk uforenelige med kroppen, smelter den nye enhed blødt til hjertet for samtidig at føle og behandle uregelmæssige hjerteslag. Implantatet er tyndt og fleksibelt nok til at passe til hjertets sarte konturer samt strækbart og stærkt nok til at modstå de dynamiske bevægelser af et bankende hjerte. Efter at have implanteret enheden i en rottemodel, viste forskerne, at grafen-tatoveringen med succes kunne registrere uregelmæssige hjerterytmer og derefter levere elektrisk stimulation gennem en række impulser uden at begrænse eller ændre hjertets naturlige bevægelser. Endnu bedre: Teknologien er også optisk gennemsigtig, hvilket gør det muligt for forskerne at bruge en ekstern kilde til optisk lys til at optage og stimulere hjertet gennem enheden.

Illustration af grafen tatoveringen på et menneskeligt hjerte. (Billede: Zexu Lin, Northwestern University) Undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Advanced Materials ("Graphene biointerface til diagnose og behandling af hjertearytmi"). Det markerer det tyndeste kendte hjerteimplantat til dato. "En af udfordringerne for nuværende pacemakere og defibrillatorer er, at de er svære at sætte på overfladen af hjertet," sagde Northwesterns Igor Efimov, undersøgelsens seniorforfatter. "Defibrillatorelektroder er for eksempel i det væsentlige spoler lavet af meget tykke ledninger. Disse ledninger er ikke fleksible, og de knækker. Stive grænseflader med blødt væv, som hjertet, kan forårsage forskellige komplikationer. Derimod er vores bløde, fleksible enhed ikke kun diskret, men tilpasser sig også intimt og sømløst direkte til hjertet for at levere mere præcise målinger." En eksperimentel kardiolog, Efimov er professor i biomedicinsk teknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering og professor i medicin ved Northwestern University Feinberg School of Medicine. Han ledede undersøgelsen sammen med Dmitry Kireev, en forskningsmedarbejder ved UT. Zexu Lin, en ph.d. kandidat i Efimovs laboratorium, er papirets første forfatter.

Mirakel materiale

Kendt som hjertearytmier, hjerterytmeforstyrrelser opstår, når hjertet slår enten for hurtigt eller for langsomt. Mens nogle tilfælde af arytmi ikke er alvorlige, kan mange tilfælde føre til hjertesvigt, slagtilfælde og endda pludselig død. Faktisk kræver komplikationer relateret til arytmi omkring 300,000 liv årligt i USA. Læger behandler almindeligvis arytmier med implanterbare pacemakere og defibrillatorer, der registrerer unormale hjerteslag og derefter korrigerer rytmen med elektrisk stimulation. Selvom disse enheder er livreddende, kan deres stive natur begrænse hjertets naturlige bevægelser, skade blødt væv, forårsage midlertidigt ubehag og fremkalde komplikationer, såsom smertefuld hævelse, perforationer, blodpropper, infektion og mere. Med disse udfordringer i tankerne søgte Efimov og hans team at udvikle en biokompatibel enhed, der er ideel til at tilpasse sig blødt, dynamisk væv. Efter at have gennemgået flere materialer, slog forskerne sig på grafen, en atomisk tynd form for kulstof. Med sin ultrastærke, lette struktur og overlegne ledningsevne har grafen potentiale til mange anvendelser i højtydende elektronik, højstyrkematerialer og energienheder. "Af biokompatibilitetsgrunde er grafen særligt attraktivt," sagde Efimov. “Carbon er grundlaget for livet, så det er et sikkert materiale, der allerede bruges i forskellige kliniske applikationer. Det er også fleksibelt og blødt, hvilket fungerer godt som en grænseflade mellem elektronik og et blødt, mekanisk aktivt organ." Grafen hjerte tatoveringer

Grafenimplantat på tatoveringspapir. (Billede: Ning Liu, University of Texas i Austin)

At ramme et bankende mål

På UT var studiemedforfatterne Dimitry Kireev og Deji Akinwande allerede i gang med at udvikle grafen elektroniske tatoveringer (GET'er) med sanseevner. Fleksible og vægtløse, deres teams e-tatoveringer klæber til huden for løbende at overvåge kroppens vitale tegn, herunder blodtryk og den elektriske aktivitet i hjernen, hjertet og musklerne. Men mens e-tatoveringerne fungerer godt på hudens overflade, var Efimovs team nødt til at undersøge nye metoder til at bruge disse enheder inde i kroppen - direkte på overfladen af hjertet. "Det er en helt anden ansøgningsplan," sagde Efimov. “Huden er forholdsvis tør og let tilgængelig. Det er klart, at hjertet er inde i brystet, så det er svært at få adgang til og i et vådt miljø.” Forskerne udviklede en helt ny teknik til at indkapsle grafen-tatoveringen og klæbe den til overfladen af et bankende hjerte. Først indkapslede de grafenet inde i en fleksibel, elastisk silikonemembran - med et hul i den for at give adgang til den indvendige grafenelektrode. Derefter placerede de forsigtigt guldtape (med en tykkelse på 10 mikron) på det indkapslende lag for at tjene som en elektrisk forbindelse mellem grafen og den eksterne elektronik, der bruges til at måle og stimulere hjertet. Til sidst placerede de det på hjertet. Hele tykkelsen af alle lag tilsammen måler omkring 100 mikron i alt. Den resulterende enhed var stabil i 60 dage på et aktivt bankende hjerte ved kropstemperatur, hvilket kan sammenlignes med varigheden af midlertidige pacemakere, der blev brugt som broer til permanente pacemakere eller rytmestyring efter operation eller andre terapier.

Optiske muligheder

Ved at udnytte enhedens gennemsigtige natur udførte Efimov og hans team optokardiografi - ved hjælp af lys til at spore og modulere hjerterytmen - i dyreforsøget. Dette tilbyder ikke kun en ny måde at diagnosticere og behandle hjertesygdomme på, tilgangen åbner også nye muligheder for optogenetik, en metode til at kontrollere og overvåge enkeltceller med lys. Mens elektrisk stimulation kan korrigere et hjertes unormale rytme, er optisk stimulation mere præcis. Med lys kan forskere spore specifikke enzymer samt udspørge specifikke hjerte-, muskel- eller nerveceller. "Vi kan i det væsentlige kombinere elektriske og optiske funktioner i en biointerface," sagde Efimov. "Fordi grafen er optisk gennemsigtigt, kan vi faktisk læse det igennem, hvilket giver os en meget højere udlæsningstæthed."