Un 'tatuaje' de grafeno trata la arritmia cardiaca con luz

Un 'tatuaje' de grafeno trata la arritmia cardiaca con luz

Marca de tiempo: 17 de abril de 2023 4:41 p.m.
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17 abr 2023 (Noticias de Nanowerk) Investigadores dirigidos por la Universidad Northwestern y la Universidad de Texas en Austin (UT) han desarrollado el primer implante cardíaco hecho de grafeno, un supermaterial bidimensional con propiedades ultrarresistentes, ligeras y conductoras. De apariencia similar al tatuaje temporal de un niño, el nuevo implante de “tatuaje” de grafeno es más delgado que un solo mechón de cabello y aún así funciona como un marcapasos clásico. Pero a diferencia de los marcapasos y desfibriladores implantados actuales, que requieren materiales duros y rígidos que son mecánicamente incompatibles con el cuerpo, el nuevo dispositivo se funde suavemente con el corazón para detectar y tratar simultáneamente los latidos irregulares. El implante es lo suficientemente delgado y flexible para adaptarse a los delicados contornos del corazón, así como lo suficientemente elástico y fuerte para soportar los movimientos dinámicos de un corazón que late. Después de implantar el dispositivo en un modelo de rata, los investigadores demostraron que el tatuaje de grafeno podía detectar con éxito ritmos cardíacos irregulares y luego administrar estimulación eléctrica a través de una serie de pulsos sin restringir ni alterar los movimientos naturales del corazón. Aún mejor: la tecnología también es ópticamente transparente, lo que permite a los investigadores utilizar una fuente externa de luz óptica para registrar y estimular el corazón a través del dispositivo. Ilustración del tatuaje de grafeno en un corazón humano Ilustración del tatuaje de grafeno en un corazón humano. (Imagen: Zexu Lin, Universidad Northwestern) El estudio publicado en la revista Materiales avanzados (“Biointerfaz de grafeno para el diagnóstico y tratamiento de arritmias cardíacas”). Se trata del implante cardíaco más delgado conocido hasta la fecha. "Uno de los desafíos para los marcapasos y desfibriladores actuales es que son difíciles de fijar en la superficie del corazón", dijo Igor Efimov, de Northwestern, autor principal del estudio. “Los electrodos de desfibrilador, por ejemplo, son esencialmente bobinas hechas de alambres muy gruesos. Estos cables no son flexibles y se rompen. Las interfaces rígidas con los tejidos blandos, como el corazón, pueden provocar diversas complicaciones. Por el contrario, nuestro dispositivo suave y flexible no sólo es discreto sino que también se adapta íntima y perfectamente directamente al corazón para ofrecer mediciones más precisas”. Efimov, cardiólogo experimental, es profesor de ingeniería biomédica en la Facultad de Ingeniería McCormick de Northwestern y profesor de medicina en la Facultad de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern. Codirigió el estudio con Dmitry Kireev, investigador asociado de la UT. Zexu Lin, Ph.D. candidato en el laboratorio de Efimov, es el primer autor del artículo.

material milagroso

Conocidos como arritmias cardíacas, los trastornos del ritmo cardíaco ocurren cuando el corazón late demasiado rápido o demasiado lento. Si bien algunos casos de arritmia no son graves, muchos casos pueden provocar insuficiencia cardíaca, accidente cerebrovascular e incluso muerte súbita. De hecho, las complicaciones relacionadas con la arritmia cobran alrededor de 300,000 vidas cada año en los Estados Unidos. Los médicos suelen tratar la arritmia con marcapasos implantables y desfibriladores que detectan latidos cardíacos anormales y luego corrigen el ritmo con estimulación eléctrica. Si bien estos dispositivos salvan vidas, su naturaleza rígida puede restringir los movimientos naturales del corazón, dañar los tejidos blandos, causar molestias temporales e inducir complicaciones, como hinchazón dolorosa, perforaciones, coágulos de sangre, infecciones y más. Con estos desafíos en mente, Efimov y su equipo buscaron desarrollar un dispositivo biocompatible ideal para adaptarse a tejidos blandos y dinámicos. Después de revisar múltiples materiales, los investigadores se decidieron por el grafeno, una forma atómicamente delgada de carbono. Con su estructura liviana y ultrarresistente y su conductividad superior, el grafeno tiene potencial para muchas aplicaciones en electrónica de alto rendimiento, materiales de alta resistencia y dispositivos de energía. "Por razones de biocompatibilidad, el grafeno es particularmente atractivo", afirmó Efimov. “El carbono es la base de la vida, por lo que es un material seguro que ya se utiliza en diferentes aplicaciones clínicas. También es flexible y blando, lo que funciona bien como interfaz entre la electrónica y un órgano blando y mecánicamente activo”. Tatuajes de corazones de grafeno Implante de grafeno sobre papel de tatuaje. (Imagen: Ning Liu, Universidad de Texas en Austin)

Dar en el blanco

En UT, los coautores del estudio Dimitry Kireev y Deji Akinwande ya estaban desarrollando tatuajes electrónicos de grafeno (GET) con capacidades de detección. Flexibles e ingrávidos, los tatuajes electrónicos de su equipo se adhieren a la piel para monitorear continuamente los signos vitales del cuerpo, incluida la presión arterial y la actividad eléctrica del cerebro, el corazón y los músculos. Pero, aunque los tatuajes electrónicos funcionan bien en la superficie de la piel, el equipo de Efimov necesitaba investigar nuevos métodos para utilizar estos dispositivos dentro del cuerpo, directamente en la superficie del corazón. "Es un esquema de aplicación completamente diferente", dijo Efimov. “La piel está relativamente seca y de fácil acceso. Obviamente, el corazón está dentro del pecho, por lo que es de difícil acceso y en un ambiente húmedo”. Los investigadores desarrollaron una técnica completamente nueva para encerrar el tatuaje de grafeno y adherirlo a la superficie de un corazón que late. Primero, encapsularon el grafeno dentro de una membrana de silicona flexible y elástica, con un agujero perforado para dar acceso al electrodo interior de grafeno. Luego, colocaron suavemente cinta dorada (con un espesor de 10 micrones) sobre la capa encapsulante para que sirviera como interconexión eléctrica entre el grafeno y la electrónica externa utilizada para medir y estimular el corazón. Finalmente, lo colocaron en el corazón. El espesor total de todas las capas juntas mide aproximadamente 100 micras en total. El dispositivo resultante se mantuvo estable durante 60 días con un corazón que latía activamente a la temperatura corporal, lo que es comparable a la duración de los marcapasos temporales utilizados como puentes hacia los marcapasos permanentes o como control del ritmo después de una cirugía u otras terapias.

Oportunidades ópticas

Aprovechando la naturaleza transparente del dispositivo, Efimov y su equipo realizaron optocardiografía (usando luz para rastrear y modular el ritmo cardíaco) en el estudio con animales. Esto no sólo ofrece una nueva forma de diagnosticar y tratar enfermedades cardíacas, sino que el enfoque también abre nuevas posibilidades para la optogenética, un método para controlar y monitorear células individuales con luz. Si bien la estimulación eléctrica puede corregir el ritmo anormal del corazón, la estimulación óptica es más precisa. Con la luz, los investigadores pueden rastrear enzimas específicas, así como interrogar células cardíacas, musculares o nerviosas específicas. "Básicamente podemos combinar funciones eléctricas y ópticas en una biointerfaz", dijo Efimov. "Debido a que el grafeno es ópticamente transparente, podemos leer a través de él, lo que nos brinda una densidad de lectura mucho mayor".

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