Le "tatouage" au graphène traite l'arythmie cardiaque avec la lumière

Le "tatouage" au graphène traite l'arythmie cardiaque avec la lumière

Horodatage: 17 avril 2023 4h41
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17 avril 2023 (Actualités Nanowerk) Des chercheurs dirigés par l'Université Northwestern et l'Université du Texas à Austin (UT) ont développé le premier implant cardiaque fabriqué à partir de graphène, un super matériau bidimensionnel aux propriétés ultra résistantes, légères et conductrices. Semblable en apparence au tatouage temporaire d’un enfant, le nouvel implant « tatouage » en graphène est plus fin qu’une simple mèche de cheveux tout en fonctionnant comme un stimulateur cardiaque classique. Mais contrairement aux stimulateurs cardiaques et aux défibrillateurs implantés actuels, qui nécessitent des matériaux durs et rigides mécaniquement incompatibles avec le corps, le nouveau dispositif se fond en douceur au cœur pour détecter et traiter simultanément les battements cardiaques irréguliers. L’implant est suffisamment fin et flexible pour épouser les contours délicats du cœur, mais également suffisamment extensible et solide pour résister aux mouvements dynamiques d’un cœur qui bat. Après avoir implanté le dispositif dans un modèle de rat, les chercheurs ont démontré que le tatouage au graphène pouvait détecter avec succès des rythmes cardiaques irréguliers, puis délivrer une stimulation électrique par une série d’impulsions sans contraindre ni altérer les mouvements naturels du cœur. Mieux encore : la technologie est également optiquement transparente, permettant aux chercheurs d'utiliser une source externe de lumière optique pour enregistrer et stimuler le cœur via l'appareil. Illustration du tatouage au graphène sur un cœur humain Illustration du tatouage au graphène sur un cœur humain. (Image : Zexu Lin, Université Northwestern) L'étude publiée dans la revue Matériaux avancés (« Biointerface de graphène pour le diagnostic et le traitement de l'arythmie cardiaque »). Il s’agit de l’implant cardiaque le plus fin connu à ce jour. "L'un des défis des stimulateurs cardiaques et défibrillateurs actuels est qu'ils sont difficiles à fixer sur la surface du cœur", a déclaré Igor Efimov de Northwestern, auteur principal de l'étude. « Les électrodes des défibrillateurs, par exemple, sont essentiellement des bobines constituées de fils très épais. Ces fils ne sont pas flexibles et se cassent. Les interfaces rigides avec les tissus mous, comme le cœur, peuvent entraîner diverses complications. En revanche, notre dispositif souple et flexible est non seulement discret, mais s'adapte également de manière intime et transparente directement au cœur pour fournir des mesures plus précises. Cardiologue expérimental, Efimov est professeur de génie biomédical à la McCormick School of Engineering de Northwestern et professeur de médecine à la Feinberg School of Medicine de l'Université Northwestern. Il a codirigé l'étude avec Dmitry Kireev, associé de recherche à l'UT. Zexu Lin, titulaire d'un doctorat. candidat dans le laboratoire d’Efimov, est le premier auteur de l’article.

Matériel miracle

Connus sous le nom d’arythmies cardiaques, les troubles du rythme cardiaque surviennent lorsque le cœur bat trop vite ou trop lentement. Bien que certains cas d’arythmie ne soient pas graves, de nombreux cas peuvent entraîner une insuffisance cardiaque, un accident vasculaire cérébral et même une mort subite. En fait, les complications liées à l'arythmie coûtent la vie à environ 300,000 XNUMX personnes chaque année aux États-Unis. Les médecins traitent généralement l'arythmie avec des stimulateurs cardiaques et des défibrillateurs implantables qui détectent les battements cardiaques anormaux, puis corrigent le rythme avec une stimulation électrique. Bien que ces dispositifs sauvent des vies, leur nature rigide peut limiter les mouvements naturels du cœur, blesser les tissus mous, provoquer un inconfort temporaire et provoquer des complications, telles qu'un gonflement douloureux, des perforations, des caillots sanguins, une infection, etc. Ayant ces défis à l’esprit, Efimov et son équipe ont cherché à développer un dispositif biocompatible idéal pour s’adapter aux tissus mous et dynamiques. Après avoir examiné plusieurs matériaux, les chercheurs ont opté pour le graphène, une forme de carbone atomiquement fine. Grâce à sa structure ultra résistante et légère et à sa conductivité supérieure, le graphène présente un potentiel pour de nombreuses applications dans l'électronique haute performance, les matériaux à haute résistance et les dispositifs énergétiques. "Pour des raisons de biocompatibilité, le graphène est particulièrement attractif", a déclaré Efimov. « Le carbone est la base de la vie, c’est donc un matériau sûr qui est déjà utilisé dans différentes applications cliniques. Il est également flexible et doux, ce qui fonctionne bien comme interface entre l’électronique et un organe souple et mécaniquement actif. Tatouages ​​​​de coeur en graphène Implant de graphène sur papier de tatouage. (Image : Ning Liu, Université du Texas à Austin)

Atteindre une cible battante

À l'UT, les co-auteurs de l'étude, Dimitry Kireev et Deji Akinwande, développaient déjà des tatouages ​​électroniques au graphène (GET) dotés de capacités de détection. Flexibles et légers, les tatouages ​​électroniques de leur équipe adhèrent à la peau pour surveiller en permanence les signes vitaux du corps, notamment la tension artérielle et l’activité électrique du cerveau, du cœur et des muscles. Mais même si les tatouages ​​électroniques fonctionnent bien à la surface de la peau, l’équipe d’Efimov devait étudier de nouvelles méthodes pour utiliser ces appareils à l’intérieur du corps, directement à la surface du cœur. "C'est un schéma de candidature complètement différent", a déclaré Efimov. « La peau est relativement sèche et facilement accessible. Évidemment, le cœur est à l’intérieur de la poitrine, donc il est difficile d’y accéder et dans un environnement humide. Les chercheurs ont développé une toute nouvelle technique pour envelopper le tatouage au graphène et le faire adhérer à la surface d’un cœur battant. Tout d’abord, ils ont encapsulé le graphène dans une membrane de silicone flexible et élastique, percée d’un trou pour donner accès à l’électrode intérieure de graphène. Ensuite, ils ont délicatement placé du ruban doré (d’une épaisseur de 10 microns) sur la couche d’encapsulation pour servir d’interconnexion électrique entre le graphène et l’électronique externe utilisée pour mesurer et stimuler le cœur. Finalement, ils l'ont placé sur le cœur. L’épaisseur totale de toutes les couches mesure environ 100 microns au total. Le dispositif résultant était stable pendant 60 jours sur un cœur battant activement à la température du corps, ce qui est comparable à la durée des stimulateurs cardiaques temporaires utilisés comme ponts vers les stimulateurs cardiaques permanents ou pour la gestion du rythme après une intervention chirurgicale ou d'autres thérapies.

Opportunités optiques

Tirant parti de la nature transparente de l’appareil, Efimov et son équipe ont réalisé une optocardiographie – en utilisant la lumière pour suivre et moduler le rythme cardiaque – dans le cadre de l’étude animale. Non seulement cela offre une nouvelle façon de diagnostiquer et de traiter les maladies cardiaques, mais cette approche ouvre également de nouvelles possibilités pour l’optogénétique, une méthode permettant de contrôler et de surveiller des cellules individuelles grâce à la lumière. Si la stimulation électrique peut corriger un rythme cardiaque anormal, la stimulation optique est plus précise. Grâce à la lumière, les chercheurs peuvent suivre des enzymes spécifiques et interroger des cellules cardiaques, musculaires ou nerveuses spécifiques. "Nous pouvons essentiellement combiner les fonctions électriques et optiques en une seule biointerface", a déclaré Efimov. "Le graphène étant optiquement transparent, nous pouvons le lire, ce qui nous donne une densité de lecture beaucoup plus élevée."

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