Το «τατουάζ» γραφενίου αντιμετωπίζει την καρδιακή αρρυθμία με φως

Το «τατουάζ» γραφενίου αντιμετωπίζει την καρδιακή αρρυθμία με φως

Χρονική σήμανση: 17 Απριλίου 2023 4:41 μ.μ.
Κόμβος πηγής: 2591678
17 Απριλίου 2023 (Ειδήσεις Nanowerk) Ερευνητές με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο Northwestern και το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν (UT) ανέπτυξαν το πρώτο καρδιακό εμφύτευμα κατασκευασμένο από graφένιο, ένα δισδιάστατο σούπερ υλικό με εξαιρετικά ισχυρές, ελαφριές και αγώγιμες ιδιότητες. Παρόμοιο σε εμφάνιση με το προσωρινό τατουάζ ενός παιδιού, το νέο εμφύτευμα «τατουάζ» γραφενίου είναι πιο λεπτό από ένα μόνο σκέλος μαλλιών, αλλά εξακολουθεί να λειτουργεί σαν κλασικός βηματοδότης. Αλλά σε αντίθεση με τους σημερινούς βηματοδότες και τους εμφυτευμένους απινιδωτές, που απαιτούν σκληρά, άκαμπτα υλικά που είναι μηχανικά ασύμβατα με το σώμα, η νέα συσκευή συγχωνεύεται απαλά στην καρδιά για να ανιχνεύσει και να αντιμετωπίσει ταυτόχρονα τους ακανόνιστους καρδιακούς παλμούς. Το εμφύτευμα είναι αρκετά λεπτό και εύκαμπτο ώστε να προσαρμόζεται στα ευαίσθητα περιγράμματα της καρδιάς καθώς και ελαστικό και αρκετά δυνατό ώστε να αντέχει τις δυναμικές κινήσεις μιας καρδιάς που χτυπά. Μετά την εμφύτευση της συσκευής σε μοντέλο αρουραίου, οι ερευνητές απέδειξαν ότι το τατουάζ γραφενίου μπορούσε να ανιχνεύσει με επιτυχία τους ακανόνιστους καρδιακούς ρυθμούς και στη συνέχεια να προσφέρει ηλεκτρική διέγερση μέσω μιας σειράς παλμών χωρίς να περιορίζει ή να μεταβάλλει τις φυσικές κινήσεις της καρδιάς. Ακόμα καλύτερα: Η τεχνολογία είναι επίσης οπτικά διαφανής, επιτρέποντας στους ερευνητές να χρησιμοποιήσουν μια εξωτερική πηγή οπτικού φωτός για να καταγράψουν και να διεγείρουν την καρδιά μέσω της συσκευής. Απεικόνιση του τατουάζ γραφενίου σε μια ανθρώπινη καρδιά Απεικόνιση του τατουάζ γραφενίου σε μια ανθρώπινη καρδιά. (Εικόνα: Zexu Lin, Northwestern University) Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Προηγμένων Υλικών («Βιοδιεπαφή γραφενίου για διάγνωση και θεραπεία καρδιακής αρρυθμίας»). Σηματοδοτεί το λεπτότερο γνωστό καρδιακό εμφύτευμα μέχρι σήμερα. «Μία από τις προκλήσεις για τους τρέχοντες βηματοδότες και απινιδωτές είναι ότι είναι δύσκολο να στερεωθούν στην επιφάνεια της καρδιάς», δήλωσε ο Igor Efimov, επικεφαλής της μελέτης, του Northwestern. «Τα ηλεκτρόδια απινιδωτή, για παράδειγμα, είναι ουσιαστικά πηνία κατασκευασμένα από πολύ χοντρά σύρματα. Αυτά τα καλώδια δεν είναι εύκαμπτα και σπάνε. Οι άκαμπτες διεπαφές με τους μαλακούς ιστούς, όπως η καρδιά, μπορούν να προκαλέσουν διάφορες επιπλοκές. Αντίθετα, η μαλακή, εύκαμπτη συσκευή μας δεν είναι μόνο διακριτική, αλλά επίσης προσαρμόζεται στενά και απρόσκοπτα απευθείας στην καρδιά για να παρέχει πιο ακριβείς μετρήσεις». Πειραματικός καρδιολόγος, ο Efimov είναι καθηγητής βιοϊατρικής μηχανικής στο Northwestern's McCormick School of Engineering και καθηγητής ιατρικής στο Northwestern University Feinberg School of Medicine. Συνοδήγησε τη μελέτη με τον Dmitry Kireev, επιστημονικό συνεργάτη στο UT. Zexu Lin, Ph.D. υποψήφιος στο εργαστήριο του Efimov, είναι ο πρώτος συγγραφέας της εργασίας.

Θαυματουργό υλικό

Γνωστές ως καρδιακές αρρυθμίες, οι διαταραχές του καρδιακού ρυθμού συμβαίνουν όταν η καρδιά χτυπά είτε πολύ γρήγορα είτε πολύ αργά. Ενώ ορισμένες περιπτώσεις αρρυθμίας δεν είναι σοβαρές, πολλές περιπτώσεις μπορεί να οδηγήσουν σε καρδιακή ανεπάρκεια, εγκεφαλικό και ακόμη και αιφνίδιο θάνατο. Στην πραγματικότητα, οι επιπλοκές που σχετίζονται με την αρρυθμία προκαλούν περίπου 300,000 ζωές ετησίως στις Ηνωμένες Πολιτείες. Οι γιατροί συνήθως αντιμετωπίζουν την αρρυθμία με εμφυτεύσιμους βηματοδότες και απινιδωτές που ανιχνεύουν μη φυσιολογικούς καρδιακούς παλμούς και στη συνέχεια διορθώνουν τον ρυθμό με ηλεκτρική διέγερση. Ενώ αυτές οι συσκευές σώζουν ζωές, η άκαμπτη φύση τους μπορεί να περιορίσει τις φυσικές κινήσεις της καρδιάς, να τραυματίσει τους μαλακούς ιστούς, να προκαλέσει προσωρινή ενόχληση και να προκαλέσει επιπλοκές, όπως επώδυνο πρήξιμο, διατρήσεις, θρόμβους αίματος, μόλυνση και άλλα. Έχοντας κατά νου αυτές τις προκλήσεις, ο Efimov και η ομάδα του προσπάθησαν να αναπτύξουν μια βιοσυμβατή συσκευή ιδανική για προσαρμογή σε μαλακούς, δυναμικούς ιστούς. Μετά από εξέταση πολλών υλικών, οι ερευνητές εγκαταστάθηκαν στο γραφένιο, μια ατομικά λεπτή μορφή άνθρακα. Με την εξαιρετικά ισχυρή, ελαφριά δομή και την ανώτερη αγωγιμότητα του, το γραφένιο έχει δυνατότητες για πολλές εφαρμογές σε ηλεκτρονικά υψηλής απόδοσης, υλικά υψηλής αντοχής και ενεργειακές συσκευές. «Για λόγους βιοσυμβατότητας, το γραφένιο είναι ιδιαίτερα ελκυστικό», είπε ο Efimov. «Ο άνθρακας είναι η βάση της ζωής, επομένως είναι ένα ασφαλές υλικό που χρησιμοποιείται ήδη σε διαφορετικές κλινικές εφαρμογές. Είναι επίσης ευέλικτο και μαλακό, το οποίο λειτουργεί καλά ως διεπαφή μεταξύ ηλεκτρονικών και ενός μαλακού, μηχανικά ενεργού οργάνου.» Τατουάζ καρδιάς γραφενίου Εμφύτευμα γραφενίου σε χαρτί τατουάζ. (Εικόνα: Ning Liu, Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν)

Χτύπημα χτυπήματος στόχου

Στο UT, οι συν-συγγραφείς της μελέτης Dimitry Kireev και Deji Akinwande ανέπτυξαν ήδη ηλεκτρονικά τατουάζ γραφενίου (GETs) με δυνατότητες ανίχνευσης. Εύκαμπτα και χωρίς βάρος, τα ηλεκτρονικά τατουάζ της ομάδας τους προσκολλώνται στο δέρμα για να παρακολουθούν συνεχώς τα ζωτικά σημεία του σώματος, συμπεριλαμβανομένης της αρτηριακής πίεσης και της ηλεκτρικής δραστηριότητας του εγκεφάλου, της καρδιάς και των μυών. Όμως, ενώ τα ηλεκτρονικά τατουάζ λειτουργούν καλά στην επιφάνεια του δέρματος, η ομάδα του Efimov χρειάστηκε να διερευνήσει νέες μεθόδους για τη χρήση αυτών των συσκευών μέσα στο σώμα - απευθείας στην επιφάνεια της καρδιάς. «Είναι ένα εντελώς διαφορετικό σχέδιο εφαρμογής», είπε ο Efimov. «Το δέρμα είναι σχετικά ξηρό και εύκολα προσβάσιμο. Προφανώς, η καρδιά βρίσκεται μέσα στο στήθος, επομένως είναι δύσκολη η πρόσβαση και σε υγρό περιβάλλον». Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια εντελώς νέα τεχνική για να περιβάλουν το τατουάζ με γραφένιο και να το κολλήσουν στην επιφάνεια μιας καρδιάς που χτυπά. Πρώτον, ενθυλακώσαν το γραφένιο μέσα σε μια εύκαμπτη, ελαστική μεμβράνη σιλικόνης — με μια τρύπα διάτρητη για να δώσει πρόσβαση στο εσωτερικό ηλεκτρόδιο γραφενίου. Στη συνέχεια, τοποθέτησαν απαλά χρυσή ταινία (με πάχος 10 microns) στο στρώμα ενθυλάκωσης για να χρησιμεύσει ως ηλεκτρική διασύνδεση μεταξύ του γραφενίου και των εξωτερικών ηλεκτρονικών που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση και την τόνωση της καρδιάς. Τέλος, το έβαλαν στην καρδιά. Το συνολικό πάχος όλων των στρωμάτων μαζί είναι περίπου 100 μικρά συνολικά. Η συσκευή που προέκυψε ήταν σταθερή για 60 ημέρες σε μια ενεργά πάλλουσα καρδιά σε θερμοκρασία σώματος, η οποία είναι συγκρίσιμη με τη διάρκεια των προσωρινών βηματοδοτών που χρησιμοποιούνται ως γέφυρες σε μόνιμους βηματοδότες ή διαχείριση ρυθμού μετά από χειρουργική επέμβαση ή άλλες θεραπείες.

Οπτικές ευκαιρίες

Αξιοποιώντας τη διαφανή φύση της συσκευής, ο Efimov και η ομάδα του πραγματοποίησαν οπτοκαρδιογράφημα - χρησιμοποιώντας φως για την παρακολούθηση και τη ρύθμιση του καρδιακού ρυθμού - στη μελέτη σε ζώα. Όχι μόνο αυτό προσφέρει έναν νέο τρόπο για τη διάγνωση και τη θεραπεία καρδιακών παθήσεων, η προσέγγιση ανοίγει επίσης νέες δυνατότητες για την οπτογενετική, μια μέθοδο ελέγχου και παρακολούθησης μεμονωμένων κυττάρων με φως. Ενώ η ηλεκτρική διέγερση μπορεί να διορθώσει τον μη φυσιολογικό ρυθμό της καρδιάς, η οπτική διέγερση είναι πιο ακριβής. Με το φως, οι ερευνητές μπορούν να παρακολουθούν συγκεκριμένα ένζυμα καθώς και να ανακρίνουν συγκεκριμένα καρδιακά, μυϊκά ή νευρικά κύτταρα. «Μπορούμε ουσιαστικά να συνδυάσουμε ηλεκτρικές και οπτικές λειτουργίες σε μια βιοδιεπαφή», είπε ο Efimov. «Επειδή το γραφένιο είναι οπτικά διαφανές, μπορούμε πραγματικά να το διαβάσουμε, κάτι που μας δίνει πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα ανάγνωσης».

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Νανοχόκ