גרפן 'קעקוע' מטפל בהפרעות קצב לב באור

גרפן 'קעקוע' מטפל בהפרעות קצב לב באור

חותמת זמן: 17 באפריל 2023 4:41
צומת המקור: 2591678
17 באפריל, 2023 (חדשות Nanowerk) חוקרים בראשות אוניברסיטת נורת'ווסטרן ואוניברסיטת טקסס באוסטין (UT) פיתחו את השתל הלבבי הראשון העשוי מ גרפן, חומר סופר דו מימדי בעל תכונות חזקות במיוחד, קלות משקל ומוליכות. בדומה למראה הקעקוע הזמני של ילד, שתל ה"קעקוע" החדש של גרפן דק יותר מקווצת שיער בודדת, אך עדיין מתפקד כמו קוצב לב קלאסי. אבל בניגוד לקוצבי הלב הנוכחיים ודפיברילטורים מושתלים, הדורשים חומרים קשים ונוקשים שאינם תואמים מבחינה מכנית לגוף, המכשיר החדש מתמזג ברכות אל הלב כדי לחוש ולטפל בו זמנית בפעימות לב לא סדירות. השתל דק וגמיש מספיק כדי להתאים לקווי המתאר העדינים של הלב וכן נמתח וחזק מספיק כדי לעמוד בתנועות הדינמיות של לב פועם. לאחר השתלת המכשיר במודל של חולדה, החוקרים הדגימו כי קעקוע הגרפן יכול לחוש בהצלחה קצב לב לא סדיר ולאחר מכן לספק גירוי חשמלי באמצעות סדרה של פולסים מבלי להגביל או לשנות את התנועות הטבעיות של הלב. אפילו טוב יותר: הטכנולוגיה גם שקופה אופטית, ומאפשרת לחוקרים להשתמש במקור חיצוני של אור אופטי כדי להקליט ולעורר את הלב דרך המכשיר. איור של קעקוע גרפן על לב אנושי איור של קעקוע גרפן על לב אנושי. (תמונה: Zexu Lin, Northwestern University) המחקר שפורסם בכתב העת חומרים מתקדמים (“Graphene biointerface for cardiac arrhythmia diagnosis and treatment”). הוא מסמן את השתל הלב הדק ביותר הידוע עד כה. "אחד האתגרים של קוצבי לב ודפיברילטורים נוכחיים הוא שקשה להדביק אותם על פני הלב", אמר איגור אפימוב של נורת'ווסטרן, המחבר הבכיר של המחקר. "אלקטרודות דפיברילטור, למשל, הן בעצם סלילים העשויים מחוטים עבים מאוד. החוטים הללו אינם גמישים, והם נשברים. ממשקים נוקשים עם רקמות רכות, כמו הלב, עלולים לגרום לסיבוכים שונים. לעומת זאת, המכשיר הרך והגמיש שלנו הוא לא רק לא פולשני אלא גם מתאים באופן אינטימי וחלק ישירות ללב כדי לספק מדידות מדויקות יותר". קרדיולוג ניסיוני, אפימוב הוא פרופסור להנדסה ביו-רפואית בבית הספר להנדסה מק'קורמיק של נורת'ווסטרן ופרופסור לרפואה בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת נורת'ווסטרן פיינברג. הוא הוביל את המחקר יחד עם דמיטרי קירייב, עמית מחקר ב-UT. Zexu Lin, Ph.D. מועמד במעבדה של אפימוב, הוא המחבר הראשון של המאמר.

חומר פלא

המכונה הפרעות קצב לב, הפרעות בקצב הלב מתרחשות כאשר הלב פועם מהר מדי או לאט מדי. בעוד שחלק מהמקרים של הפרעות קצב אינם חמורים, מקרים רבים עלולים להוביל לאי ספיקת לב, שבץ ואפילו מוות פתאומי. למעשה, סיבוכים הקשורים להפרעת קצב תובעים כ-300,000 חיים מדי שנה בארצות הברית. רופאים נוהגים לטפל בהפרעות קצב באמצעות קוצבי לב ודפיברילטורים הניתנים להשתלה המזהים פעימות לב חריגות ולאחר מכן מתקנים קצב באמצעות גירוי חשמלי. בעוד שמכשירים אלו מצילי חיים, טבעם הנוקשה עלול להגביל את התנועות הטבעיות של הלב, לפגוע ברקמות הרכות, לגרום לאי נוחות זמנית ולגרום לסיבוכים, כגון נפיחות כואבת, נקבים, קרישי דם, זיהום ועוד. בהתחשב באתגרים הללו, אפימוב וצוותו ביקשו לפתח מכשיר תואם ביו אידיאלי להתאמה לרקמות רכות ודינמיות. לאחר סקירת חומרים מרובים, החוקרים הסתפקו בגרפן, צורה דקה מבחינה אטומית של פחמן. עם המבנה החזק והקל משקל שלו והמוליכות המעולה שלו, לגרפן יש פוטנציאל ליישומים רבים באלקטרוניקה בעלת ביצועים גבוהים, חומרים בעלי חוזק גבוה והתקני אנרגיה. "מסיבות של תאימות ביולוגית, גרפן אטרקטיבי במיוחד", אמר אפימוב. "פחמן הוא הבסיס לחיים, אז זה חומר בטוח שכבר נעשה בו שימוש ביישומים קליניים שונים. הוא גם גמיש ורך, שעובד היטב כממשק בין אלקטרוניקה לאיבר רך ופעיל מבחינה מכנית". קעקועי לב גרפן השתלת גרפן על נייר קעקוע. (תמונה: נינג ליו, אוניברסיטת טקסס באוסטין)

פגיעה במטרה מכה

ב-UT, מחברי המחקר דימיטרי קירייב ודג'י אקינואנדה כבר פיתחו קעקועים אלקטרוניים של גרפן (GET) עם יכולות חישה. גמישים וחסרי משקל, הקעקועים האלקטרונים של הצוות שלהם נצמדים לעור כדי לנטר באופן רציף את הסימנים החיוניים של הגוף, כולל לחץ דם והפעילות החשמלית של המוח, הלב והשרירים. אבל, בעוד הקעקועים האלקטרונים עובדים היטב על פני העור, הצוות של Efimov היה צריך לחקור שיטות חדשות לשימוש במכשירים אלה בתוך הגוף - ישירות על פני הלב. "זו תוכנית יישום שונה לחלוטין", אמר אפימוב. "העור יבש יחסית ונגיש בקלות. ברור שהלב נמצא בתוך החזה, ולכן קשה לגשת אליו ובסביבה רטובה". החוקרים פיתחו טכניקה חדשה לחלוטין להקיף את קעקוע הגרפן ולהדביק אותו על פני השטח של לב פועם. ראשית, הם עטפו את הגרפן בתוך ממברנת סיליקון גמישה ואלסטית - עם חור שנחורר בה כדי לתת גישה לאלקטרודת הגרפן הפנימית. לאחר מכן, הם הניחו בעדינות סרט זהב (בעובי של 10 מיקרון) על שכבת המעטפת כדי לשמש כחיבור חשמלי בין הגרפן לאלקטרוניקה החיצונית המשמשת למדידה ולגירוי הלב. לבסוף, הם הניחו אותו על הלב. כל העובי של כל השכבות יחדיו הוא כ-100 מיקרון בסך הכל. ההתקן שהתקבל היה יציב במשך 60 יום על לב פועם פעיל בטמפרטורת הגוף, דבר הדומה למשך הזמן של קוצבי לב זמניים המשמשים כגשרים לקוצבים קבועים או ניהול קצב לאחר ניתוח או טיפולים אחרים.

הזדמנויות אופטיות

תוך מינוף אופיו השקוף של המכשיר, Efimov וצוותו ביצעו אופטוקרדיוגרפיה - תוך שימוש באור כדי לעקוב ולווסת את קצב הלב - במחקר בבעלי חיים. לא רק שזה מציע דרך חדשה לאבחון ולטפל במחלות לב, הגישה גם פותחת אפשרויות חדשות לאופטוגנטיקה, שיטה לשלוט ולנטר תאים בודדים באמצעות אור. בעוד שגירוי חשמלי יכול לתקן את הקצב החריג של הלב, גירוי אופטי הוא מדויק יותר. בעזרת אור, חוקרים יכולים לעקוב אחר אנזימים ספציפיים וכן לחקור תאי לב, שריר או עצב ספציפיים. "אנחנו יכולים למעשה לשלב פונקציות חשמליות ואופטיות לממשק ביולוגי אחד", אמר אפימוב. "מכיוון שגרפן שקוף אופטית, אנחנו יכולים לקרוא דרכו, מה שנותן לנו צפיפות קריאה הרבה יותר גבוהה."

בול זמן:

עוד מ ננוווק