Il "tatuaggio" di grafene tratta l'aritmia cardiaca con la luce

Il "tatuaggio" di grafene tratta l'aritmia cardiaca con la luce

Timestamp: 17 aprile 2023 4:41
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17 aprile 2023 (Notizie Nanowerk) Ricercatori guidati dalla Northwestern University e dall'Università del Texas ad Austin (UT) hanno sviluppato il primo impianto cardiaco costituito da grafene, un super materiale bidimensionale con proprietà ultra resistenti, leggere e conduttive. Simile nell'aspetto al tatuaggio temporaneo di un bambino, il nuovo impianto per “tatuaggio” in grafene è più sottile di una singola ciocca di capelli ma funziona ancora come un classico pacemaker. Ma a differenza degli attuali pacemaker e defibrillatori impiantati, che richiedono materiali duri e rigidi meccanicamente incompatibili con il corpo, il nuovo dispositivo si fonde dolcemente con il cuore per rilevare e trattare contemporaneamente i battiti cardiaci irregolari. L'impianto è abbastanza sottile e flessibile da adattarsi ai delicati contorni del cuore, nonché abbastanza elastico e forte da resistere ai movimenti dinamici di un cuore che batte. Dopo aver impiantato il dispositivo in un modello di ratto, i ricercatori hanno dimostrato che il tatuaggio al grafene poteva rilevare con successo ritmi cardiaci irregolari e quindi fornire stimolazione elettrica attraverso una serie di impulsi senza limitare o alterare i movimenti naturali del cuore. Ancora meglio: la tecnologia è anche otticamente trasparente, consentendo ai ricercatori di utilizzare una fonte esterna di luce ottica per registrare e stimolare il cuore attraverso il dispositivo. Illustrazione del tatuaggio al grafene su un cuore umano Illustrazione del tatuaggio al grafene su un cuore umano. (Immagine: Zexu Lin, Northwestern University) Lo studio pubblicato sulla rivista Materiale avanzato (“Biointerfaccia in grafene per la diagnosi e il trattamento delle aritmie cardiache”). Si tratta dell'impianto cardiaco più sottile conosciuto fino ad oggi. "Una delle sfide per gli attuali pacemaker e defibrillatori è che sono difficili da fissare sulla superficie del cuore", ha affermato Igor Efimov della Northwestern, autore senior dello studio. “Gli elettrodi del defibrillatore, ad esempio, sono essenzialmente bobine costituite da fili molto spessi. Questi fili non sono flessibili e si rompono. Le interfacce rigide con i tessuti molli, come il cuore, possono causare varie complicazioni. Al contrario, il nostro dispositivo morbido e flessibile non solo è discreto, ma si adatta anche intimamente e senza soluzione di continuità direttamente al cuore per fornire misurazioni più precise”. Cardiologo sperimentale, Efimov è professore di ingegneria biomedica presso la McCormick School of Engineering della Northwestern e professore di medicina presso la Feinberg School of Medicine della Northwestern University. Ha co-condotto lo studio con Dmitry Kireev, un ricercatore associato presso l'UT. Zexu Lin, un dottorato di ricerca. candidato nel laboratorio di Efimov, è il primo autore dell'articolo.

Materiale miracoloso

Conosciuti come aritmie cardiache, i disturbi del ritmo cardiaco si verificano quando il cuore batte troppo velocemente o troppo lentamente. Sebbene alcuni casi di aritmia non siano gravi, molti casi possono portare a insufficienza cardiaca, ictus e persino morte improvvisa. Infatti, le complicazioni legate all’aritmia mietono circa 300,000 vittime ogni anno negli Stati Uniti. I medici comunemente trattano l’aritmia con pacemaker e defibrillatori impiantabili che rilevano battiti cardiaci anomali e quindi correggono il ritmo con la stimolazione elettrica. Sebbene questi dispositivi siano salvavita, la loro natura rigida può limitare i movimenti naturali del cuore, danneggiare i tessuti molli, causare disagio temporaneo e indurre complicazioni, come gonfiore doloroso, perforazioni, coaguli di sangue, infezioni e altro ancora. Tenendo presenti queste sfide, Efimov e il suo team hanno cercato di sviluppare un dispositivo biocompatibile ideale per conformarsi ai tessuti molli e dinamici. Dopo aver esaminato diversi materiali, i ricercatori hanno optato per il grafene, una forma di carbonio atomicamente sottile. Grazie alla sua struttura ultra resistente e leggera e alla conduttività superiore, il grafene ha un potenziale per molte applicazioni nell'elettronica ad alte prestazioni, nei materiali ad alta resistenza e nei dispositivi energetici. “Per ragioni di biocompatibilità, il grafene è particolarmente attraente”, ha affermato Efimov. “Il carbonio è la base della vita, quindi è un materiale sicuro che viene già utilizzato in diverse applicazioni cliniche. È anche flessibile e morbido, il che funziona bene come interfaccia tra l’elettronica e un organo morbido e meccanicamente attivo”. Tatuaggi cuore in grafene Impianto di grafene su carta da tatuaggio. (Immagine: Ning Liu, Università del Texas ad Austin)

Colpire un bersaglio battente

All’UT, i coautori dello studio Dimitry Kireev e Deji Akinwande stavano già sviluppando tatuaggi elettronici al grafene (GET) con capacità di rilevamento. Flessibili e senza peso, gli e-tatuaggi del loro team aderiscono alla pelle per monitorare continuamente i segni vitali del corpo, tra cui la pressione sanguigna e l'attività elettrica del cervello, del cuore e dei muscoli. Ma, mentre gli e-tatuaggi funzionano bene sulla superficie della pelle, il team di Efimov aveva bisogno di studiare nuovi metodi per utilizzare questi dispositivi all’interno del corpo, direttamente sulla superficie del cuore. "È uno schema di applicazione completamente diverso", ha detto Efimov. “La pelle è relativamente secca e facilmente accessibile. Ovviamente il cuore è all'interno del torace, quindi è di difficile accesso e in un ambiente umido." I ricercatori hanno sviluppato una tecnica completamente nuova per racchiudere il tatuaggio in grafene e farlo aderire alla superficie di un cuore che batte. Innanzitutto, hanno incapsulato il grafene all’interno di una membrana di silicone flessibile ed elastica, con un foro praticato per consentire l’accesso all’elettrodo di grafene interno. Quindi, hanno posizionato delicatamente un nastro dorato (con uno spessore di 10 micron) sullo strato incapsulante per fungere da interconnessione elettrica tra il grafene e l’elettronica esterna utilizzata per misurare e stimolare il cuore. Alla fine lo posizionarono sul cuore. L'intero spessore di tutti gli strati insieme misura circa 100 micron in totale. Il dispositivo risultante è rimasto stabile per 60 giorni su un cuore che batte attivamente alla temperatura corporea, che è paragonabile alla durata dei pacemaker temporanei utilizzati come ponti verso pacemaker permanenti o per la gestione del ritmo dopo un intervento chirurgico o altre terapie.

Opportunità ottiche

Sfruttando la natura trasparente del dispositivo, Efimov e il suo team hanno eseguito l'optocardiografia, utilizzando la luce per tracciare e modulare il ritmo cardiaco, nello studio sugli animali. Questo non solo offre un nuovo modo per diagnosticare e curare i disturbi cardiaci, ma l’approccio apre anche nuove possibilità per l’optogenetica, un metodo per controllare e monitorare le singole cellule con la luce. Mentre la stimolazione elettrica può correggere il ritmo anomalo del cuore, la stimolazione ottica è più precisa. Con la luce, i ricercatori possono monitorare enzimi specifici e interrogare specifiche cellule cardiache, muscolari o nervose. "Possiamo essenzialmente combinare funzioni elettriche e ottiche in un'unica biointerfaccia", ha detto Efimov. "Poiché il grafene è otticamente trasparente, possiamo effettivamente leggerlo, il che ci dà una densità di lettura molto più elevata."

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