"خالکوبی" گرافن آریتمی قلبی را با نور درمان می کند

"خالکوبی" گرافن آریتمی قلبی را با نور درمان می کند

تمبر زمان: 17 آوریل 2023، 4:41 بعد از ظهر
گره منبع: 2591678
17 آوریل 2023 (اخبار نانوورکمحققان به رهبری دانشگاه نورث وسترن و دانشگاه تگزاس در آستین (UT) اولین ایمپلنت قلبی ساخته شده از گرافنیک ماده فوق العاده دو بعدی با خواص فوق العاده قوی، سبک و رسانا. از نظر ظاهری شبیه خالکوبی موقت کودک، کاشت جدید گرافن "خالکوبی" نازک‌تر از یک تار مو است اما همچنان مانند یک ضربان‌ساز کلاسیک عمل می‌کند. اما بر خلاف ضربان‌سازهای فعلی و دفیبریلاتورهای کاشته‌شده، که به مواد سخت و سفت و سختی نیاز دارند که از نظر مکانیکی با بدن ناسازگار هستند، دستگاه جدید به آرامی با قلب ترکیب می‌شود تا به طور همزمان ضربان‌های نامنظم قلب را حس کرده و درمان کند. ایمپلنت به اندازه کافی نازک و انعطاف پذیر است تا با خطوط ظریف قلب مطابقت داشته باشد و همچنین به اندازه کافی کششی و قوی است که بتواند در برابر حرکات دینامیکی قلب تپنده مقاومت کند. پس از کاشت دستگاه در یک مدل موش، محققان نشان دادند که خالکوبی گرافن می‌تواند با موفقیت ریتم‌های نامنظم قلب را حس کند و سپس تحریک الکتریکی را از طریق یک سری پالس‌ها بدون محدود کردن یا تغییر دادن حرکات طبیعی قلب انجام دهد. حتی بهتر: این فناوری همچنین از نظر نوری شفاف است و به محققان این امکان را می دهد که از منبع خارجی نور نوری برای ضبط و تحریک قلب از طریق دستگاه استفاده کنند. تصویری از خالکوبی گرافن روی قلب انسان تصویری از خالکوبی گرافن روی قلب انسان. (تصویر: Zexu Lin، دانشگاه نورث وسترن) این مطالعه در مجله منتشر شد مواد پیشرفته ("رابط زیستی گرافن برای تشخیص و درمان آریتمی قلبی"). این نازک ترین ایمپلنت قلبی شناخته شده تا به امروز را نشان می دهد. ایگور افیموف، نویسنده ارشد این مطالعه، از Northwestern، می‌گوید: «یکی از چالش‌های پیس‌مکرها و دفیبریلاتورهای فعلی این است که چسباندن آنها بر روی سطح قلب دشوار است. به عنوان مثال، الکترودهای دفیبریلاتور اساساً سیم پیچ هایی هستند که از سیم های بسیار ضخیم ساخته شده اند. این سیم ها انعطاف پذیر نیستند و می شکنند. رابط های سفت و سخت با بافت های نرم، مانند قلب، می تواند عوارض مختلفی ایجاد کند. در مقابل، دستگاه نرم و منعطف ما نه تنها محجوب نیست، بلکه به طور دقیق و یکپارچه مستقیماً بر روی قلب منطبق می شود تا اندازه گیری های دقیق تری ارائه دهد. Efimov یک متخصص قلب تجربی، استاد مهندسی زیست پزشکی در دانشکده مهندسی McCormick Northwestern و استاد پزشکی در دانشکده پزشکی Feinberg دانشگاه Northwestern است. او این مطالعه را با دمیتری کریف، یک همکار پژوهشی در UT رهبری کرد. زکسو لین، دکترای کاندیدای آزمایشگاه Efimov، اولین نویسنده مقاله است.

مواد معجزه آسا

اختلالات ریتم قلب که به عنوان آریتمی قلبی شناخته می شود، زمانی رخ می دهد که قلب خیلی سریع یا خیلی آهسته می زند. در حالی که برخی از موارد آریتمی جدی نیستند، بسیاری از موارد می توانند منجر به نارسایی قلبی، سکته مغزی و حتی مرگ ناگهانی شوند. در واقع، عوارض مربوط به آریتمی سالانه جان حدود 300,000 نفر را در ایالات متحده می گیرد. پزشکان معمولاً آریتمی را با ضربان‌سازهای قابل کاشت و دفیبریلاتورها درمان می‌کنند که ضربان قلب غیرطبیعی را تشخیص می‌دهند و سپس ریتم را با تحریک الکتریکی اصلاح می‌کنند. در حالی که این دستگاه ها نجات دهنده هستند، ماهیت سفت آنها ممکن است حرکات طبیعی قلب را محدود کند، به بافت های نرم آسیب برساند، باعث ناراحتی موقت و عوارضی مانند تورم دردناک، سوراخ شدن، لخته شدن خون، عفونت و غیره شود. با در نظر گرفتن این چالش‌ها، Efimov و تیمش به دنبال توسعه یک دستگاه زیست سازگار ایده‌آل برای انطباق با بافت‌های نرم و پویا بودند. پس از بررسی مواد متعدد، محققان بر روی گرافن، شکل نازک اتمی کربن، مستقر شدند. گرافن با ساختار فوق‌العاده قوی و سبک وزن و رسانایی عالی، پتانسیل کاربردهای زیادی در الکترونیک با کارایی بالا، مواد با استحکام بالا و دستگاه‌های انرژی دارد. افیموف گفت: "به دلایل سازگاری زیستی، گرافن به ویژه جذاب است." کربن اساس زندگی است، بنابراین یک ماده ایمن است که در حال حاضر در کاربردهای بالینی مختلف استفاده می شود. همچنین انعطاف پذیر و نرم است که به خوبی به عنوان رابط بین الکترونیک و یک اندام نرم و مکانیکی فعال عمل می کند. خالکوبی قلب گرافن کاشت گرافن روی کاغذ تاتو. (تصویر: نینگ لیو، دانشگاه تگزاس در آستین)

ضربه زدن به یک هدف کوبنده

در دانشگاه UT، دیمیتری کریف و دجی آکینوانده، نویسندگان همکار مطالعه، در حال توسعه خالکوبی‌های الکترونیکی گرافن (GETs) با قابلیت‌های سنجش بودند. خالکوبی‌های الکترونیکی تیم آنها انعطاف‌پذیر و بی‌وزن هستند و به پوست می‌چسبند تا علائم حیاتی بدن از جمله فشار خون و فعالیت الکتریکی مغز، قلب و ماهیچه‌ها را کنترل کنند. اما، در حالی که خالکوبی های الکترونیکی به خوبی روی سطح پوست کار می کنند، تیم Efimov باید روش های جدیدی را برای استفاده از این دستگاه ها در داخل بدن - مستقیماً روی سطح قلب - بررسی کند. Efimov گفت: "این یک طرح کاربردی کاملا متفاوت است." "پوست نسبتا خشک است و به راحتی قابل دسترسی است. بدیهی است که قلب در داخل قفسه سینه است، بنابراین دسترسی به آن و در یک محیط مرطوب دشوار است. محققان تکنیک کاملا جدیدی را برای پوشاندن خالکوبی گرافن و چسباندن آن به سطح قلب در حال تپنده توسعه دادند. ابتدا، آنها گرافن را درون یک غشای سیلیکونی انعطاف‌پذیر و الاستیک محصور کردند - با سوراخی که در آن سوراخ شده بود تا به الکترود گرافن داخلی دسترسی پیدا کند. سپس به آرامی نوار طلایی (با ضخامت 10 میکرون) را روی لایه محصور کننده قرار دادند تا به عنوان یک اتصال الکتریکی بین گرافن و الکترونیک خارجی مورد استفاده برای اندازه گیری و تحریک قلب عمل کند. سرانجام آن را روی قلب گذاشتند. ضخامت تمام لایه ها روی هم حدود 100 میکرون است. دستگاه حاصل به مدت 60 روز روی یک قلب فعال در دمای بدن پایدار بود که با مدت زمان ضربان سازهای موقتی که به عنوان پل برای ضربان سازهای دائمی یا مدیریت ریتم پس از جراحی یا سایر درمان ها استفاده می شوند قابل مقایسه است.

فرصت های نوری

Efimov و تیمش با استفاده از ماهیت شفاف دستگاه، اپتوکاردیوگرافی - با استفاده از نور برای ردیابی و تعدیل ریتم قلب - در مطالعه حیوانی انجام دادند. این روش نه تنها راه جدیدی برای تشخیص و درمان بیماری‌های قلبی ارائه می‌دهد، این رویکرد همچنین فرصت‌های جدیدی را برای اپتوژنتیک، روشی برای کنترل و نظارت بر سلول‌های منفرد با نور، باز می‌کند. در حالی که تحریک الکتریکی می تواند ریتم غیر طبیعی قلب را اصلاح کند، تحریک نوری دقیق تر است. با نور، محققان می توانند آنزیم های خاص را ردیابی کنند و همچنین سلول های قلبی، ماهیچه ای یا عصبی خاص را مورد بازجویی قرار دهند. افیموف گفت: «ما اساساً می توانیم عملکردهای الکتریکی و نوری را در یک رابط زیستی ترکیب کنیم. از آنجایی که گرافن از نظر نوری شفاف است، ما در واقع می‌توانیم از طریق آن بخوانیم، که به ما چگالی خواندن بسیار بالاتری می‌دهد.»

تمبر زمان:

بیشتر از نانورک