Grafena 'tato' mengobati aritmia jantung dengan cahaya

17 Apr 2023 (Berita Nanowerk) Para peneliti yang dipimpin oleh Northwestern University dan University of Texas di Austin (UT) telah mengembangkan implan jantung pertama yang terbuat dari bahan tersebut graphene, material super dua dimensi dengan sifat sangat kuat, ringan, dan konduktif. Mirip dengan tato temporer anak-anak, implan “tato” graphene baru ini lebih tipis dari sehelai rambut namun tetap berfungsi seperti alat pacu jantung klasik. Namun tidak seperti alat pacu jantung dan defibrilator implan saat ini, yang memerlukan bahan keras dan kaku yang secara mekanis tidak sesuai dengan tubuh, perangkat baru ini secara lembut menyatu dengan jantung untuk merasakan dan mengobati detak jantung tidak teratur secara bersamaan. Implan ini tipis dan cukup fleksibel untuk menyesuaikan dengan kontur halus jantung serta cukup elastis dan kuat untuk menahan gerakan dinamis jantung yang berdetak. Setelah menanamkan perangkat tersebut ke model tikus, para peneliti menunjukkan bahwa tato graphene berhasil merasakan irama jantung yang tidak teratur dan kemudian memberikan rangsangan listrik melalui serangkaian denyut tanpa membatasi atau mengubah gerakan alami jantung. Bahkan lebih baik lagi: Teknologi ini juga transparan secara optik, memungkinkan para peneliti menggunakan sumber cahaya optik eksternal untuk merekam dan menstimulasi jantung melalui perangkat. Ilustrasi tato graphene di hati manusia. (Gambar: Zexu Lin, Northwestern University) Studi ini dipublikasikan di jurnal advanced Material (“Graphene biointerface for cardiac arrhythmia diagnosis and treatment”). Ini menandai implan jantung tertipis yang diketahui hingga saat ini. “Salah satu tantangan bagi alat pacu jantung dan defibrilator saat ini adalah sulitnya menempel pada permukaan jantung,” kata Igor Efimov dari Northwestern, penulis senior studi tersebut. “Elektroda defibrilator, misalnya, pada dasarnya adalah kumparan yang terbuat dari kabel yang sangat tebal. Kabel ini tidak fleksibel dan putus. Antarmuka yang kaku dengan jaringan lunak, seperti jantung, dapat menyebabkan berbagai komplikasi. Sebaliknya, perangkat kami yang lembut dan fleksibel tidak hanya tidak mengganggu tetapi juga pas dan mulus sesuai dengan jantung untuk memberikan pengukuran yang lebih tepat.” Seorang ahli jantung eksperimental, Efimov adalah profesor teknik biomedis di Sekolah Teknik McCormick Northwestern dan profesor kedokteran di Fakultas Kedokteran Universitas Northwestern Feinberg. Dia memimpin penelitian bersama Dmitry Kireev, rekan peneliti di UT. Zexu Lin, seorang Ph.D. kandidat di laboratorium Efimov, adalah penulis pertama makalah tersebut.

Bahan ajaib

Dikenal sebagai aritmia jantung, gangguan irama jantung terjadi ketika jantung berdetak terlalu cepat atau terlalu lambat. Meskipun beberapa kasus aritmia tidak serius, banyak kasus dapat menyebabkan gagal jantung, stroke, dan bahkan kematian mendadak. Faktanya, komplikasi yang berhubungan dengan aritmia merenggut sekitar 300,000 nyawa setiap tahunnya di Amerika Serikat. Dokter biasanya mengobati aritmia dengan alat pacu jantung dan defibrilator implan yang mendeteksi detak jantung abnormal dan kemudian memperbaiki ritme dengan stimulasi listrik. Meskipun perangkat ini dapat menyelamatkan nyawa, sifatnya yang kaku dapat membatasi gerakan alami jantung, melukai jaringan lunak, menyebabkan ketidaknyamanan sementara dan menyebabkan komplikasi, seperti pembengkakan yang menyakitkan, perforasi, pembekuan darah, infeksi, dan banyak lagi. Dengan mempertimbangkan tantangan-tantangan ini, Efimov dan timnya berupaya mengembangkan perangkat bio-kompatibel yang ideal agar sesuai dengan jaringan lunak dan dinamis. Setelah meninjau beberapa bahan, para peneliti memilih graphene, suatu bentuk karbon yang atomnya tipis. Dengan strukturnya yang sangat kuat, ringan, dan konduktivitas yang unggul, graphene memiliki potensi untuk banyak aplikasi dalam elektronik berkinerja tinggi, material berkekuatan tinggi, dan perangkat energi. “Untuk alasan bio-kompatibilitas, graphene sangat menarik,” kata Efimov. “Karbon adalah dasar kehidupan, jadi ini adalah bahan aman yang telah digunakan dalam berbagai aplikasi klinis. Ia juga fleksibel dan lembut, yang berfungsi dengan baik sebagai penghubung antara elektronik dan organ lunak yang aktif secara mekanis.” Implan graphene pada kertas tato. (Gambar: Ning Liu, Universitas Texas di Austin)

Mencapai sasaran pemukulan

Di UT, rekan penulis studi Dimitry Kireev dan Deji Akinwande telah mengembangkan tato elektronik graphene (GET) dengan kemampuan penginderaan. Fleksibel dan tidak berbobot, tato elektronik tim mereka menempel pada kulit untuk terus memantau tanda-tanda vital tubuh, termasuk tekanan darah dan aktivitas listrik otak, jantung, dan otot. Namun, meski tato elektronik bekerja dengan baik di permukaan kulit, tim Efimov perlu menyelidiki metode baru untuk menggunakan perangkat ini di dalam tubuh – langsung ke permukaan jantung. “Ini adalah skema lamaran yang sangat berbeda,” kata Efimov. “Kulit relatif kering dan mudah dijangkau. Tentu saja jantungnya ada di dalam dada, sehingga sulit diakses dan berada di lingkungan yang basah.” Para peneliti mengembangkan teknik baru untuk membungkus tato graphene dan menempelkannya pada permukaan jantung yang berdetak. Pertama, mereka merangkum graphene di dalam membran silikon yang fleksibel dan elastis – dengan lubang dilubangi untuk memberikan akses ke elektroda graphene bagian dalam. Kemudian, mereka dengan hati-hati menempelkan pita emas (dengan ketebalan 10 mikron) ke lapisan enkapsulasi untuk berfungsi sebagai interkoneksi listrik antara graphene dan elektronik eksternal yang digunakan untuk mengukur dan menstimulasi jantung. Akhirnya, mereka menempatkannya di jantung. Seluruh ketebalan semua lapisan berukuran total sekitar 100 mikron. Perangkat yang dihasilkan stabil selama 60 hari pada jantung yang berdetak aktif pada suhu tubuh, yang sebanding dengan durasi alat pacu jantung sementara yang digunakan sebagai jembatan ke alat pacu jantung permanen atau manajemen ritme setelah operasi atau terapi lainnya.

Peluang optik

Memanfaatkan sifat transparan perangkat, Efimov dan timnya melakukan optokardiografi – menggunakan cahaya untuk melacak dan memodulasi ritme jantung – dalam penelitian pada hewan. Hal ini tidak hanya menawarkan cara baru untuk mendiagnosis dan mengobati penyakit jantung, pendekatan ini juga membuka kemungkinan baru untuk optogenetika, sebuah metode untuk mengontrol dan memantau sel tunggal dengan cahaya. Meskipun rangsangan listrik dapat memperbaiki ritme jantung yang tidak normal, rangsangan optik lebih tepat. Dengan cahaya, peneliti dapat melacak enzim tertentu serta menginterogasi sel jantung, otot, atau saraf tertentu. “Pada dasarnya kami dapat menggabungkan fungsi listrik dan optik ke dalam satu biointerface,” kata Efimov. “Karena graphene transparan secara optik, kita benar-benar dapat membacanya, sehingga memberikan kepadatan pembacaan yang jauh lebih tinggi.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• Platoblockchain. Intelijen Metaverse Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Mencetak Masa Depan bersama Adryenn Ashley. Akses Di Sini.
• Sumber: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62828.php