Graphene 'tattoo' Treats Cardiac Arrhythmia With Light

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

17. aprill 2023 (Nanowerki uudised) Northwesterni ülikooli ja Austini Texase ülikooli (TÜ) juhitud teadlased on välja töötanud esimese südameimplantaadi, mis on valmistatud graphene, kahemõõtmeline ülitugevate, kergete ja juhtivate omadustega supermaterjal. Välimuselt sarnane lapse ajutisele tätoveeringule, uus grafeeni "tätoveering" implantaat on õhem kui üks juukseharu, kuid toimib endiselt nagu klassikaline südamestimulaator. Kuid erinevalt praegustest südamestimulaatoritest ja implanteeritud defibrillaatoritest, mis nõuavad kõvasid, jäikaid materjale, mis kehaga mehaaniliselt kokku ei sobi, sulandub uus seade pehmelt südamega, et samaaegselt tajuda ja ravida ebaregulaarseid südamelööke. Implantaat on piisavalt õhuke ja painduv, et see vastaks südame õrnadele kontuuridele, samuti veniv ja piisavalt tugev, et taluda tuksuva südame dünaamilisi liikumisi. Pärast seadme implanteerimist rotimudelisse näitasid teadlased, et grafeenitätoveering suudab edukalt tajuda ebaregulaarseid südamerütme ja seejärel anda impulsside kaudu elektrilist stimulatsiooni, ilma et see piiraks või muudaks südame loomulikke liikumisi. Veelgi parem: tehnoloogia on ka optiliselt läbipaistev, võimaldades teadlastel kasutada välist optilise valguse allikat, et salvestada ja stimuleerida südant seadme kaudu.

Grafeentätoveeringu illustratsioon inimese südamel. (Pilt: Zexu Lin, Northwesterni ülikool) Ajakirjas avaldatud uuring Advanced Materials ("Grafeeni bioliides südame arütmia diagnoosimiseks ja raviks"). See tähistab seni kõige õhemat teadaolevat südameimplantaati. "Praeguste südamestimulaatorite ja defibrillaatorite üheks väljakutseks on see, et neid on raske südame pinnale kinnitada," ütles uuringu vanemautor Northwesterni Igor Efimov. «Näiteks defibrillaatori elektroodid on sisuliselt väga jämedatest juhtmetest tehtud mähised. Need juhtmed ei ole painduvad ja purunevad. Jäigad liidesed pehmete kudedega, nagu süda, võivad põhjustada mitmesuguseid tüsistusi. Seevastu meie pehme ja painduv seade ei ole mitte ainult pealetükkimatu, vaid sobib ka tihedalt ja sujuvalt otse südamele, et anda täpsemaid mõõtmisi. Eksperimentaalne kardioloog Efimov on Northwesterni McCormicki tehnikakooli biomeditsiinitehnika professor ja Northwesterni ülikooli Feinbergi meditsiinikooli meditsiiniprofessor. Uuringut juhtis ta koos TÜ teaduri Dmitri Kirejeviga. Zexu Lin, Ph.D. kandidaat Efimovi laboris, on töö esimene autor.

Imeline materjal

Südame rütmihäired, mida nimetatakse südame rütmihäireteks, tekivad siis, kui süda lööb kas liiga kiiresti või liiga aeglaselt. Kuigi mõned arütmiajuhtumid ei ole tõsised, võivad paljud juhtumid põhjustada südamepuudulikkust, insuldi ja isegi äkksurma. Tegelikult nõuavad arütmiaga seotud tüsistused Ameerika Ühendriikides igal aastal umbes 300,000 XNUMX inimelu. Arstid ravivad arütmiat tavaliselt siirdatavate südamestimulaatorite ja defibrillaatoritega, mis tuvastavad ebanormaalseid südamelööke ja seejärel korrigeerivad rütmi elektrilise stimulatsiooniga. Kuigi need seadmed on elupäästvad, võib nende jäik olemus piirata südame loomulikku liikumist, vigastada pehmeid kudesid, põhjustada ajutist ebamugavust ja põhjustada tüsistusi, nagu valulik turse, perforatsioonid, verehüübed, infektsioon ja palju muud. Neid väljakutseid silmas pidades püüdsid Efimov ja tema meeskond välja töötada bioühilduva seadme, mis sobiks ideaalselt pehmete, dünaamiliste kudedega. Pärast mitme materjali läbivaatamist otsustasid teadlased grafeeni, aatomiliselt õhukese süsinikuvormi kasuks. Tänu ülitugevale, kergele struktuurile ja suurepärasele juhtivusele on grafeenil potentsiaali paljudeks rakendusteks suure jõudlusega elektroonikas, ülitugevates materjalides ja energiaseadmetes. "Bioloogilise ühilduvuse põhjustel on grafeen eriti atraktiivne, " ütles Efimov. „Süsinik on elu alus, seega on see ohutu materjal, mida juba kasutatakse erinevates kliinilistes rakendustes. Samuti on see paindlik ja pehme, mis toimib hästi liidesena elektroonika ja pehme, mehaaniliselt aktiivse organi vahel. Grafeenist südame tätoveeringud

Grafeeni implantaat tätoveeringupaberile. (Pilt: Ning Liu, Texase ülikool Austinis)

Sihtmärgi tabamine

TÜ-s töötasid uuringu kaasautorid Dimitry Kireev ja Deji Akinwande juba sensoorsete võimetega grafeenist elektroonilisi tätoveeringuid (GET). Paindlikud ja kaalutud nende meeskonna e-tätoveeringud kleepuvad nahale, et jälgida pidevalt keha elutähtsaid näitajaid, sealhulgas vererõhku ning aju, südame ja lihaste elektrilist aktiivsust. Kuid kuigi e-tätoveeringud toimivad hästi naha pinnal, pidi Efimovi meeskond uurima uusi meetodeid nende seadmete kasutamiseks keha sees - otse südame pinnale. "See on täiesti erinev rakendusskeem," ütles Efimov. “Nahk on suhteliselt kuiv ja kergesti ligipääsetav. Ilmselgelt on süda rinnus sees, nii et sellele on raske ligi pääseda ja märjas keskkonnas. Teadlased töötasid välja täiesti uue tehnika grafeenitätoveeringu ümbritsemiseks ja kleepimiseks lööva südame pinnale. Esiteks kapseldasid nad grafeeni painduva elastse silikoonmembraani sisse - sellesse tehti auk, et võimaldada juurdepääsu sisemisele grafeenielektroodile. Seejärel asetasid nad õrnalt kuldse lindi (paksusega 10 mikronit) kapseldavale kihile, et olla elektriline ühendus grafeeni ja südame mõõtmiseks ja stimuleerimiseks kasutatava välise elektroonika vahel. Lõpuks panid nad selle südamele. Kõikide kihtide kogupaksus kokku on umbes 100 mikronit. Saadud seade püsis kehatemperatuuril aktiivselt peksleval südamel stabiilne 60 päeva, mis on võrreldav ajutiste südamestimulaatorite kestusega, mida kasutati sillana püsivate südamestimulaatoritega või rütmi juhtimiseks pärast operatsiooni või muid ravimeetodeid.

Optilised võimalused

Kasutades seadme läbipaistvat olemust, viisid Efimov ja tema meeskond läbi loomkatsetes optokardiograafia – kasutades valgust südamerütmi jälgimiseks ja moduleerimiseks. See mitte ainult ei paku uut võimalust südamehaiguste diagnoosimiseks ja raviks, vaid see avab ka uusi võimalusi optogeneetikaks, meetodiks üksikute rakkude kontrollimiseks ja jälgimiseks valgusega. Kuigi elektriline stimulatsioon võib korrigeerida südame ebanormaalset rütmi, on optiline stimulatsioon täpsem. Valguse abil saavad teadlased jälgida konkreetseid ensüüme ning uurida konkreetseid südame-, lihas- või närvirakke. "Me saame põhimõtteliselt ühendada elektrilised ja optilised funktsioonid üheks bioliideseks, " ütles Efimov. "Kuna grafeen on optiliselt läbipaistev, saame seda tegelikult läbi lugeda, mis annab meile palju suurema näidu tiheduse."