Graphene 'tattoo' Treats Cardiac Arrhythmia With Light

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

17. huhtikuuta 2023 (Nanowerk-uutiset) Northwestern Universityn ja Texasin yliopiston Austinissa (UT) johtamat tutkijat ovat kehittäneet ensimmäisen sydämen implantin, joka on valmistettu grafeeni, kaksiulotteinen supermateriaali, jolla on erittäin vahvat, kevyet ja johtavat ominaisuudet. Ulkonäöltään lapsen väliaikaista tatuointia muistuttava uusi grafeeni "tatuointi"-implantti on ohuempi kuin yksi hiussäike, mutta toimii silti kuin klassinen sydämentahdistin. Mutta toisin kuin nykyiset sydämentahdistimet ja implantoidut defibrillaattorit, jotka vaativat kovia, jäykkiä materiaaleja, jotka eivät ole mekaanisesti yhteensopivia kehon kanssa, uusi laite sulautuu pehmeästi sydämeen tunnistaakseen ja hoitaakseen samanaikaisesti epäsäännölliset sydämenlyönnit. Implantti on riittävän ohut ja joustava mukautuakseen sydämen herkkiin muotoihin sekä riittävän joustava ja vahva kestämään sykkivän sydämen dynaamisia liikkeitä. Sen jälkeen kun laite oli istutettu rottamalliin, tutkijat osoittivat, että grafeenitatuointi pystyi onnistuneesti havaitsemaan epäsäännölliset sydämen rytmit ja välittämään sitten sähköistä stimulaatiota pulssisarjan kautta ilman, että se rajoittaisi tai muuttaisi sydämen luonnollisia liikkeitä. Vielä parempi: Tekniikka on myös optisesti läpinäkyvä, joten tutkijat voivat käyttää ulkoista optista valonlähdettä tallentaakseen ja stimuloidakseen sydäntä laitteen kautta.

Kuva grafeenitatuoinnista ihmisen sydämessä. (Kuva: Zexu Lin, Northwestern University) Tutkimus julkaistiin lehdessä Advanced Materials ("Grafeenin biorajapinta sydämen rytmihäiriöiden diagnosointiin ja hoitoon"). Se on tähän mennessä ohuin tunnettu sydänimplantti. "Yksi nykyisten sydämentahdistimien ja defibrillaattorien haasteista on, että niitä on vaikea kiinnittää sydämen pintaan", sanoi Northwesternin Igor Efimov, tutkimuksen vanhempi kirjoittaja. ”Esimerkiksi defibrillaattorielektrodit ovat pohjimmiltaan erittäin paksuista langoista tehtyjä keloja. Nämä johdot eivät ole joustavia ja ne katkeavat. Jäykät rajapinnat pehmytkudosten, kuten sydämen, kanssa voivat aiheuttaa erilaisia komplikaatioita. Sitä vastoin pehmeä, joustava laitteemme ei ole vain huomaamaton, vaan se mukautuu myös tiiviisti ja saumattomasti suoraan sydämeen ja antaa tarkempia mittauksia." Kokeellinen kardiologi Efimov on biolääketieteen tekniikan professori Northwesternin McCormick School of Engineeringissa ja lääketieteen professori Northwestern Universityn Feinbergin lääketieteellisessä tiedekunnassa. Hän johti tutkimusta yhdessä UT:n tutkija Dmitri Kireevin kanssa. Zexu Lin, tohtori ehdokas Efimovin laboratoriossa, on paperin ensimmäinen kirjoittaja.

Ihme materiaalia

Sydämen rytmihäiriöitä kutsutaan sydämen rytmihäiriöiksi, kun sydän lyö joko liian nopeasti tai liian hitaasti. Vaikka jotkut rytmihäiriötapaukset eivät ole vakavia, monet tapaukset voivat johtaa sydämen vajaatoimintaan, aivohalvaukseen ja jopa äkilliseen kuolemaan. Itse asiassa rytmihäiriöihin liittyvät komplikaatiot vaativat noin 300,000 XNUMX ihmishenkeä vuosittain Yhdysvalloissa. Lääkärit hoitavat yleensä rytmihäiriöitä implantoitavilla sydämentahdistimilla ja defibrillaattoreilla, jotka havaitsevat epänormaalit sydämenlyönnit ja korjaavat sitten rytmin sähköstimulaatiolla. Vaikka nämä laitteet ovat hengenpelastavia, niiden jäykkä luonne voi rajoittaa sydämen luonnollisia liikkeitä, vahingoittaa pehmytkudoksia, aiheuttaa tilapäistä epämukavuutta ja aiheuttaa komplikaatioita, kuten kivuliasta turvotusta, perforaatioita, verihyytymiä, infektioita ja paljon muuta. Nämä haasteet mielessään Efimov ja hänen tiiminsä pyrkivät kehittämään bioyhteensopivan laitteen, joka on ihanteellinen mukautumaan pehmeisiin, dynaamisiin kudoksiin. Tutkittuaan useita materiaaleja tutkijat päätyivät grafeeniin, atomi ohueen hiilen muotoon. Erittäin vahvan, kevyen rakenteensa ja erinomaisen johtavuutensa ansiosta grafeenilla on potentiaalia moniin sovelluksiin korkean suorituskyvyn elektroniikassa, erittäin lujissa materiaaleissa ja energialaitteissa. "Bioyhteensopivuuden vuoksi grafeeni on erityisen houkutteleva", Efimov sanoi. ”Hiili on elämän perusta, joten se on turvallinen materiaali, jota käytetään jo erilaisissa kliinisissä sovelluksissa. Se on myös joustava ja pehmeä, mikä toimii hyvin rajapintana elektroniikan ja pehmeän, mekaanisesti aktiivisen elimen välillä. Grafeenisydäntatuoinnit

Grafeeni-implantti tatuointipaperille. (Kuva: Ning Liu, Texasin yliopisto Austinissa)

Lyönnettyyn maaliin osuminen

UT:ssa tutkimuksen kirjoittajat Dimitry Kireev ja Deji Akinwande kehittivät jo grafeenielektronisia tatuointeja (GET), joissa oli tunnistuskyky. Joustavat ja painottomat, heidän tiiminsä e-tatuoinnit kiinnittyvät ihoon ja valvovat jatkuvasti kehon elintoimintoja, mukaan lukien verenpainetta sekä aivojen, sydämen ja lihasten sähköistä toimintaa. Mutta vaikka e-tatuoinnit toimivat hyvin ihon pinnalla, Efimovin tiimin oli tutkittava uusia menetelmiä näiden laitteiden käyttämiseksi kehon sisällä - suoraan sydämen pinnalle. "Se on täysin erilainen sovellusjärjestelmä", Efimov sanoi. ”Iho on suhteellisen kuiva ja helposti tavoitettavissa. Ilmeisesti sydän on rinnassa, joten siihen on vaikea päästä käsiksi ja märässä ympäristössä. Tutkijat kehittivät täysin uuden tekniikan grafeenitatuoinnin koteloimiseksi ja sen kiinnittämiseksi sykkivän sydämen pintaan. Ensin he kapseloivat grafeenin joustavan, elastisen silikonikalvon sisään – siihen tehtiin reikä, joka antoi pääsyn sisäiseen grafeenielektrodiin. Sitten he asettivat varovasti kultanauhan (paksuus 10 mikronia) kapseloivalle kerrokselle toimimaan sähköisenä liitäntänä grafeenin ja sydämen mittaamiseen ja stimuloimiseen käytettävän ulkoisen elektroniikan välillä. Lopulta he asettivat sen sydämelle. Kaikkien kerrosten koko paksuus on yhteensä noin 100 mikronia. Tuloksena saatu laite pysyi vakaana 60 päivää aktiivisesti sykkivällä sydämellä kehon lämpötilassa, mikä on verrattavissa väliaikaisten tahdistinten kestoon, jota käytettiin sillana pysyviin tahdistimeen tai rytmin hallintaan leikkauksen tai muiden hoitojen jälkeen.

Optiset mahdollisuudet

Hyödyntämällä laitteen läpinäkyvää luonnetta Efimov ja hänen tiiminsä suorittivat optokardiografiaa - käyttämällä valoa sydämen rytmin seuraamiseen ja modulointiin - eläintutkimuksessa. Tämä ei ainoastaan tarjoa uutta tapaa diagnosoida ja hoitaa sydänsairauksia, vaan lähestymistapa avaa myös uusia mahdollisuuksia optogenetiikkaan, menetelmään hallita ja seurata yksittäisiä soluja valolla. Vaikka sähköstimulaatio voi korjata sydämen epänormaalia rytmiä, optinen stimulaatio on tarkempaa. Valolla tutkijat voivat seurata tiettyjä entsyymejä sekä tutkia tiettyjä sydän-, lihas- tai hermosoluja. "Voimme olennaisesti yhdistää sähköiset ja optiset toiminnot yhdeksi biorajapinnaksi", Efimov sanoi. "Koska grafeeni on optisesti läpinäkyvää, voimme itse asiassa lukea sen läpi, mikä antaa meille paljon suuremman tiheyden."