Graphene „Tattoo“ behandelt Herzrhythmusstörungen mit Licht

17 (Nanowerk-Neuigkeiten) Forscher unter der Leitung der Northwestern University und der University of Texas in Austin (UT) haben das erste Herzimplantat aus hergestellt Graphen, ein zweidimensionales Supermaterial mit ultrastarken, leichten und leitfähigen Eigenschaften. Das neue Graphen-„Tattoo“-Implantat ähnelt im Aussehen einem temporären Tattoo eines Kindes, ist dünner als eine einzelne Haarsträhne und funktioniert dennoch wie ein klassischer Herzschrittmacher. Aber im Gegensatz zu aktuellen Herzschrittmachern und implantierten Defibrillatoren, die harte, starre Materialien erfordern, die mechanisch nicht mit dem Körper kompatibel sind, verschmilzt das neue Gerät sanft mit dem Herzen und erkennt und behandelt gleichzeitig unregelmäßige Herzschläge. Das Implantat ist dünn und flexibel genug, um sich den empfindlichen Konturen des Herzens anzupassen, sowie dehnbar und stark genug, um den dynamischen Bewegungen eines schlagenden Herzens standzuhalten. Nach der Implantation des Geräts in ein Rattenmodell zeigten die Forscher, dass das Graphen-Tattoo erfolgreich unregelmäßige Herzrhythmen erkennen und dann durch eine Reihe von Impulsen elektrische Stimulation abgeben konnte, ohne die natürlichen Bewegungen des Herzens einzuschränken oder zu verändern. Noch besser: Die Technologie ist auch optisch transparent, sodass die Forscher eine externe optische Lichtquelle verwenden können, um das Herz durch das Gerät aufzuzeichnen und zu stimulieren. Illustration des Graphen-Tattoos auf einem menschlichen Herzen. (Bild: Zexu Lin, Northwestern University) Die in der Zeitschrift veröffentlichte Studie Fortgeschrittene Werkstoffe („Graphen-Bioschnittstelle zur Diagnose und Behandlung von Herzrhythmusstörungen“). Es ist das bisher dünnste bekannte Herzimplantat. „Eine der Herausforderungen für aktuelle Herzschrittmacher und Defibrillatoren besteht darin, dass sie schwer auf der Oberfläche des Herzens zu befestigen sind“, sagte Igor Efimov von Northwestern, der leitende Autor der Studie. „Defibrillator-Elektroden zum Beispiel sind im Wesentlichen Spulen aus sehr dicken Drähten. Diese Drähte sind nicht flexibel und brechen. Starre Schnittstellen zu Weichgeweben wie dem Herzen können verschiedene Komplikationen verursachen. Im Gegensatz dazu ist unser weiches, flexibles Gerät nicht nur unauffällig, sondern passt sich auch eng und nahtlos direkt an das Herz an, um präzisere Messungen zu liefern.“ Als experimenteller Kardiologe ist Efimov Professor für Biomedizintechnik an der McCormick School of Engineering im Nordwesten und Professor für Medizin an der Feinberg School of Medicine der Northwestern University. Er leitete die Studie gemeinsam mit Dmitry Kireev, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter an der UT. Zexu Lin, ein Ph.D. Kandidat in Efimovs Labor, ist der Erstautor der Arbeit.

Wundermaterial

Herzrhythmusstörungen, sogenannte Herzrhythmusstörungen, treten auf, wenn das Herz entweder zu schnell oder zu langsam schlägt. Während einige Fälle von Herzrhythmusstörungen nicht schwerwiegend sind, können viele Fälle zu Herzversagen, Schlaganfall und sogar zum plötzlichen Tod führen. Tatsächlich fordern Komplikationen im Zusammenhang mit Herzrhythmusstörungen in den Vereinigten Staaten jedes Jahr etwa 300,000 Todesopfer. Ärzte behandeln Herzrhythmusstörungen üblicherweise mit implantierbaren Herzschrittmachern und Defibrillatoren, die abnormale Herzschläge erkennen und den Rhythmus dann durch elektrische Stimulation korrigieren. Obwohl diese Geräte lebensrettend sind, kann ihre starre Beschaffenheit die natürlichen Bewegungen des Herzens einschränken, Weichteile verletzen, vorübergehende Beschwerden verursachen und Komplikationen wie schmerzhafte Schwellungen, Perforationen, Blutgerinnsel, Infektionen und mehr hervorrufen. Angesichts dieser Herausforderungen versuchten Efimov und sein Team, ein biokompatibles Gerät zu entwickeln, das sich ideal an weiches, dynamisches Gewebe anpasst. Nachdem sie mehrere Materialien untersucht hatten, entschieden sich die Forscher für Graphen, eine atomar dünne Form von Kohlenstoff. Dank seiner ultrastarken, leichten Struktur und überlegenen Leitfähigkeit hat Graphen Potenzial für viele Anwendungen in der Hochleistungselektronik, hochfesten Materialien und Energiegeräten. „Aus Gründen der Biokompatibilität ist Graphen besonders attraktiv“, sagte Efimov. „Kohlenstoff ist die Grundlage des Lebens und daher ein sicheres Material, das bereits in verschiedenen klinischen Anwendungen eingesetzt wird. Außerdem ist es flexibel und weich, was sich gut als Schnittstelle zwischen Elektronik und einem weichen, mechanisch aktiven Organ eignet.“ Graphenimplantat auf Tattoopapier. (Bild: Ning Liu, University of Texas in Austin)

Ein schlagendes Ziel treffen

An der UT entwickelten die Co-Autoren der Studie, Dimitry Kireev und Deji Akinwande, bereits elektronische Graphen-Tattoos (GETs) mit Sensorfunktionen. Die E-Tattoos ihres Teams sind flexibel und schwerelos und haften auf der Haut, um kontinuierlich die Vitalfunktionen des Körpers zu überwachen, darunter den Blutdruck und die elektrische Aktivität von Gehirn, Herz und Muskeln. Doch während die E-Tattoos auf der Hautoberfläche gut funktionieren, musste Efimovs Team neue Methoden erforschen, um diese Geräte im Körper einzusetzen – direkt auf der Oberfläche des Herzens. „Es ist ein völlig anderes Bewerbungsschema“, sagte Efimov. „Die Haut ist relativ trocken und leicht zugänglich. Offensichtlich befindet sich das Herz in der Brust, ist also schwer zugänglich und befindet sich in einer feuchten Umgebung.“ Die Forscher entwickelten eine völlig neue Technik, um das Graphen-Tattoo zu umhüllen und auf die Oberfläche eines schlagenden Herzens zu kleben. Zuerst verkapselten sie das Graphen in einer flexiblen, elastischen Silikonmembran – mit einem Loch darin, um Zugang zur inneren Graphen-Elektrode zu ermöglichen. Anschließend legten sie vorsichtig Goldband (mit einer Dicke von 10 Mikrometern) auf die Kapselschicht, um als elektrische Verbindung zwischen dem Graphen und der externen Elektronik zur Messung und Stimulation des Herzens zu dienen. Schließlich platzierten sie es auf dem Herzen. Die Gesamtdicke aller Schichten zusammen beträgt insgesamt etwa 100 Mikrometer. Das resultierende Gerät war 60 Tage lang auf einem aktiv schlagenden Herzen bei Körpertemperatur stabil, was mit der Dauer von temporären Herzschrittmachern vergleichbar ist, die als Überbrückung zu permanenten Herzschrittmachern oder zur Rhythmussteuerung nach Operationen oder anderen Therapien eingesetzt werden.

Optische Möglichkeiten

Efimov und sein Team nutzten die Transparenz des Geräts und führten im Tierversuch eine Optokardiographie durch, bei der Licht zur Verfolgung und Modulation des Herzrhythmus eingesetzt wurde. Dies bietet nicht nur eine neue Möglichkeit zur Diagnose und Behandlung von Herzerkrankungen, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Optogenetik, eine Methode zur Kontrolle und Überwachung einzelner Zellen mit Licht. Während die elektrische Stimulation den abnormalen Herzrhythmus korrigieren kann, ist die optische Stimulation präziser. Mit Licht können Forscher bestimmte Enzyme verfolgen und bestimmte Herz-, Muskel- oder Nervenzellen befragen. „Wir können im Wesentlichen elektrische und optische Funktionen in einer Bioschnittstelle kombinieren“, sagte Efimov. „Da Graphen optisch transparent ist, können wir es tatsächlich durchlesen, was uns eine viel höhere Auslesedichte ermöglicht.“

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