그래핀 '문신'은 빛으로 심장 부정맥을 치료합니다

플라톤에 의해 재발행

팔로워 : 0

17년 2023월 XNUMX일(나노 워크 뉴스) 노스웨스턴 대학과 텍사스 대학 오스틴(UT)이 이끄는 연구진은 다음과 같은 재료로 만든 최초의 심장 임플란트를 개발했습니다. 그래 핀, 초강력, 경량 및 전도성 특성을 갖춘 XNUMX차원 슈퍼 소재입니다. 어린이의 임시 문신과 외관이 유사한 새로운 그래핀 "문신" 임플란트는 머리카락 한 가닥보다 가늘지만 여전히 전통적인 심장박동기처럼 기능합니다. 그러나 기계적으로 신체와 호환되지 않는 단단하고 견고한 재료가 필요한 현재의 심장박동기 및 이식형 제세동기와는 달리, 새로운 장치는 심장에 부드럽게 녹아 불규칙한 심장 박동을 동시에 감지하고 치료합니다. 임플란트는 심장의 섬세한 윤곽에 맞춰질 만큼 얇고 유연하며, 심장 박동의 역동적인 움직임을 견딜 수 있을 만큼 신축성과 강성이 뛰어납니다. 연구진은 장치를 쥐 모델에 이식한 후 그래핀 문신이 불규칙한 심장 박동을 성공적으로 감지한 다음 심장의 자연스러운 움직임을 제한하거나 변경하지 않고 일련의 펄스를 통해 전기 자극을 전달할 수 있음을 입증했습니다. 더 좋은 점은 이 기술이 광학적으로 투명하기 때문에 연구자들이 외부 광학 광원을 사용하여 장치를 통해 심장을 기록하고 자극할 수 있다는 것입니다.

인간의 심장에 그래핀 문신을 그린 그림입니다. (이미지 : 노스웨스턴 대학교 Zexu Lin) 저널에 게재된 연구 고급 재료 (“심장부정맥 진단 및 치료를 위한 그래핀 바이오인터페이스”). 이는 현재까지 알려진 심장 임플란트 중 가장 얇은 것으로 기록됩니다. “현재 심박조율기와 제세동기의 과제 중 하나는 심장 표면에 부착하기 어렵다는 점입니다.”라고 해당 연구의 수석 저자인 Northwestern의 Igor Efimov가 말했습니다. “예를 들어 제세동기 전극은 본질적으로 매우 두꺼운 와이어로 만들어진 코일입니다. 이 전선은 유연성이 없어 부러집니다. 심장과 같은 연조직과의 단단한 접촉면은 다양한 합병증을 유발할 수 있습니다. 이와 대조적으로 우리의 부드럽고 유연한 장치는 눈에 띄지 않을 뿐만 아니라 심장에 직접적으로 밀착되어 원활하게 밀착되어 더욱 정확한 측정을 제공합니다.” 실험 심장병 전문의인 Efimov는 노스웨스턴 맥코믹 공과대학의 생의학 공학 교수이자 노스웨스턴 대학교 파인버그 의과대학의 의학 교수입니다. 그는 UT의 연구원인 Dmitry Kireev와 함께 연구를 공동 주도했습니다. Zexu Lin, Ph.D. Efimov 연구실의 후보자가 논문의 첫 번째 저자입니다.

기적의 소재

심장 부정맥으로 알려진 심장 박동 장애는 심장이 너무 빨리 또는 너무 느리게 박동할 때 발생합니다. 부정맥의 일부 사례는 심각하지 않지만 많은 경우 심부전, 뇌졸중, 심지어 급사로 이어질 수 있습니다. 실제로 부정맥과 관련된 합병증으로 인해 미국에서는 매년 약 300,000명이 사망하고 있습니다. 의사들은 일반적으로 비정상적인 심장 박동을 감지한 다음 전기 자극으로 박동을 교정하는 이식형 심박 조율기와 제세동기로 부정맥을 치료합니다. 이러한 장치는 생명을 구하는 반면, 그 견고한 특성은 심장의 자연스러운 움직임을 제한하고 연조직을 손상시키며 일시적인 불편함을 유발하고 통증이 있는 부기, 천공, 혈전, 감염 등과 같은 합병증을 유발할 수 있습니다. 이러한 과제를 염두에 두고 Efimov와 그의 팀은 부드럽고 역동적인 조직에 적합한 생체 적합 장치를 개발하려고 했습니다. 여러 재료를 검토한 후 연구자들은 원자적으로 얇은 형태의 탄소인 그래핀을 선택했습니다. 초강력, 경량 구조 및 우수한 전도성을 갖춘 그래핀은 고성능 전자 장치, 고강도 재료 및 에너지 장치 분야에서 다양한 응용 분야에 대한 잠재력을 가지고 있습니다. “생체 적합성 이유로 그래핀은 특히 매력적입니다.”라고 Efimov는 말했습니다. “탄소는 생명의 기본이기 때문에 이미 다양한 임상 응용 분야에서 사용되고 있는 안전한 소재입니다. 또한 유연하고 부드러워 전자 장치와 부드럽고 기계적으로 활동하는 기관 사이의 인터페이스로 잘 작동합니다.” 그래핀 하트 문신

문신 종이에 그래핀 이식. (이미지: Ning Liu, 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스)

뛰는 목표물에 맞히기

UT에서 공동 저자인 Dimitry Kireev와 Deji Akinwande는 이미 감지 기능을 갖춘 그래핀 전자 문신(GET)을 개발하고 있었습니다. 유연하고 무게가 없는 해당 팀의 e-타투는 피부에 부착되어 혈압과 뇌, 심장 및 근육의 전기적 활동을 포함한 신체의 활력 징후를 지속적으로 모니터링합니다. 그러나 e-문신은 피부 표면에서 잘 작동하지만 Efimov 팀은 이러한 장치를 신체 내부, 즉 심장 표면에 직접 사용하는 새로운 방법을 조사해야 했습니다. Efimov는 "완전히 다른 적용 방식입니다."라고 말했습니다. “피부는 비교적 건조하고 쉽게 접근할 수 있습니다. 분명히 심장은 가슴 안에 있기 때문에 접근하기 어렵고 습한 환경에서는 어렵습니다.” 연구진은 그래핀 문신을 감싸고 이를 심장 박동 표면에 부착하는 완전히 새로운 기술을 개발했습니다. 먼저, 그들은 내부 그래핀 전극에 접근할 수 있도록 구멍을 뚫어 유연하고 탄력 있는 실리콘 막 내부에 그래핀을 캡슐화했습니다. 그런 다음, 연구진은 심장을 측정하고 자극하는 데 사용되는 그래핀과 외부 전자 장치 사이의 전기적 상호 연결 역할을 하기 위해 캡슐화 층에 금 테이프(두께 10 마이크론)를 부드럽게 배치했습니다. 마지막으로 그들은 그것을 심장 위에 놓았습니다. 모든 층의 전체 두께를 합하면 총 약 100 마이크론입니다. 결과 장치는 체온에서 활발하게 박동하는 심장에서 60일 동안 안정적이었습니다. 이는 수술이나 기타 치료 후 영구 심박 조율기 또는 박동 관리에 대한 다리로 사용되는 임시 심박 조율기의 지속 시간과 비슷합니다.

광학 기회

장치의 투명한 특성을 활용하여 Efimov와 그의 팀은 동물 연구에서 빛을 사용하여 심장 박동을 추적하고 조절하는 검심검사를 수행했습니다. 이는 심장 질환을 진단하고 치료하는 새로운 방법을 제공할 뿐만 아니라 빛으로 단일 세포를 제어하고 모니터링하는 방법인 광유전학의 새로운 가능성을 열어줍니다. 전기 자극은 심장의 비정상적인 박동을 교정할 수 있지만 광학 자극은 더 정확합니다. 빛을 이용하여 연구자들은 특정 효소를 추적할 수 있을 뿐만 아니라 특정 심장, 근육 또는 신경 세포를 조사할 수 있습니다. "우리는 본질적으로 전기적 기능과 광학적 기능을 하나의 바이오 인터페이스로 결합할 수 있습니다"라고 Efimov는 말했습니다. "그래핀은 광학적으로 투명하기 때문에 실제로 읽을 수 있으며, 이는 훨씬 더 높은 밀도의 판독을 제공합니다."