Graphene 'tattoo' Treats Cardiac Arrhythmia With Light

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

17 april 2023 (Nanowerk NieuwsOnderzoekers onder leiding van Northwestern University en de Universiteit van Texas in Austin (UT) hebben het eerste hartimplantaat ontwikkeld grafeen, een tweedimensionaal supermateriaal met ultrasterke, lichtgewicht en geleidende eigenschappen. Het nieuwe 'tattoo'-implantaat van grafeen lijkt qua uiterlijk op de tijdelijke tatoeage van een kind en is dunner dan een enkele haarlok, maar functioneert nog steeds als een klassieke pacemaker. Maar in tegenstelling tot de huidige pacemakers en geïmplanteerde defibrillatoren, die harde, stijve materialen vereisen die mechanisch incompatibel zijn met het lichaam, versmelt het nieuwe apparaat zachtjes met het hart om tegelijkertijd onregelmatige hartslagen te detecteren en te behandelen. Het implantaat is dun en flexibel genoeg om zich aan te passen aan de delicate contouren van het hart, maar ook rekbaar en sterk genoeg om de dynamische bewegingen van een kloppend hart te weerstaan. Nadat ze het apparaat in een rattenmodel hadden geïmplanteerd, toonden de onderzoekers aan dat de grafeen-tatoeage met succes onregelmatige hartritmes kon detecteren en vervolgens elektrische stimulatie kon afgeven via een reeks pulsen zonder de natuurlijke bewegingen van het hart te beperken of te veranderen. Nog beter: de technologie is ook optisch transparant, waardoor de onderzoekers een externe bron van optisch licht kunnen gebruiken om het hart via het apparaat vast te leggen en te stimuleren.

Illustratie van de grafeen-tatoeage op een menselijk hart. (Afbeelding: Zexu Lin, Northwestern University) De studie gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen (“Grafeen bio-interface voor diagnose en behandeling van hartritmestoornissen”). Het is het dunste bekende hartimplantaat tot nu toe. "Een van de uitdagingen voor de huidige pacemakers en defibrillatoren is dat ze moeilijk op het oppervlak van het hart te bevestigen zijn", zegt Igor Efimov van Northwestern, senior auteur van het onderzoek. “Defibrillatorelektroden zijn bijvoorbeeld in wezen spoelen gemaakt van zeer dikke draden. Deze draden zijn niet flexibel en breken. Stijve interfaces met zachte weefsels, zoals het hart, kunnen verschillende complicaties veroorzaken. Ons zachte, flexibele apparaat is daarentegen niet alleen onopvallend, maar past zich ook nauw en naadloos rechtstreeks aan op het hart om nauwkeurigere metingen te leveren.” Efimov, experimenteel cardioloog, is hoogleraar biomedische technologie aan de McCormick School of Engineering in Northwestern en hoogleraar geneeskunde aan de Northwestern University Feinberg School of Medicine. Hij leidde het onderzoek samen met Dmitry Kireev, onderzoeksmedewerker aan de UT. Zexu Lin, een Ph.D. kandidaat in het laboratorium van Efimov, is de eerste auteur van het artikel.

Wondermateriaal

Hartritmestoornissen, bekend als hartritmestoornissen, treden op wanneer het hart te snel of te langzaam klopt. Hoewel sommige gevallen van aritmie niet ernstig zijn, kunnen veel gevallen leiden tot hartfalen, beroerte en zelfs een plotselinge dood. In feite eisen complicaties die verband houden met aritmie jaarlijks ongeveer 300,000 levens in de Verenigde Staten. Artsen behandelen aritmie gewoonlijk met implanteerbare pacemakers en defibrillatoren die abnormale hartslagen detecteren en vervolgens het ritme corrigeren met elektrische stimulatie. Hoewel deze apparaten levensreddend zijn, kan hun rigide karakter de natuurlijke bewegingen van het hart beperken, zachte weefsels beschadigen, tijdelijk ongemak veroorzaken en complicaties veroorzaken, zoals pijnlijke zwellingen, perforaties, bloedstolsels, infecties en meer. Met deze uitdagingen in het achterhoofd probeerden Efimov en zijn team een biocompatibel apparaat te ontwikkelen dat ideaal is om zich aan te passen aan zachte, dynamische weefsels. Na het beoordelen van meerdere materialen kwamen de onderzoekers uit op grafeen, een atomair dunne vorm van koolstof. Met zijn ultrasterke, lichtgewicht structuur en superieure geleidbaarheid heeft grafeen potentieel voor veel toepassingen in hoogwaardige elektronica, zeer sterke materialen en energieapparaten. “Omwille van de biocompatibiliteit is grafeen bijzonder aantrekkelijk”, zegt Efimov. “Koolstof is de basis van het leven, dus het is een veilig materiaal dat al in verschillende klinische toepassingen wordt gebruikt. Het is ook flexibel en zacht, wat goed werkt als interface tussen elektronica en een zacht, mechanisch actief orgel.” Grafeen hart-tatoeages

Grafeenimplantaat op tattoopapier. (Afbeelding: Ning Liu, Universiteit van Texas in Austin)

Een kloppend doelwit raken

Aan de UT waren de co-auteurs Dimitry Kireev en Deji Akinwande al bezig met het ontwikkelen van grafeen-elektronische tatoeages (GET's) met detectiemogelijkheden. De e-tatoeages van hun team zijn flexibel en gewichtloos en hechten zich aan de huid om voortdurend de vitale functies van het lichaam te monitoren, waaronder de bloeddruk en de elektrische activiteit van de hersenen, het hart en de spieren. Maar hoewel de e-tatoeages goed werken op het huidoppervlak, moest het team van Efimov nieuwe methoden onderzoeken om deze apparaten in het lichaam te gebruiken – rechtstreeks op het oppervlak van het hart. "Het is een heel ander toepassingsschema", zei Efimov. “De huid is relatief droog en gemakkelijk toegankelijk. Het is duidelijk dat het hart zich in de borstkas bevindt, dus het is moeilijk toegankelijk en bevindt zich in een natte omgeving.' De onderzoekers ontwikkelden een geheel nieuwe techniek om de grafeen-tatoeage te omhullen en op het oppervlak van een kloppend hart te plakken. Ten eerste hebben ze het grafeen ingekapseld in een flexibel, elastisch siliconenmembraan – met een gat erin om toegang te geven tot de interne grafeenelektrode. Vervolgens plaatsten ze voorzichtig gouden tape (met een dikte van 10 micron) op de inkapselende laag om te dienen als een elektrische verbinding tussen het grafeen en de externe elektronica die wordt gebruikt om het hart te meten en te stimuleren. Ten slotte plaatsten ze het op het hart. De totale dikte van alle lagen samen bedraagt in totaal ongeveer 100 micron. Het resulterende apparaat was 60 dagen stabiel op een actief kloppend hart op lichaamstemperatuur, wat vergelijkbaar is met de duur van tijdelijke pacemakers die worden gebruikt als brug naar permanente pacemakers of ritmebeheer na een operatie of andere therapieën.

Optische kansen

Door gebruik te maken van het transparante karakter van het apparaat voerden Efimov en zijn team optocardiografie uit – waarbij ze licht gebruikten om het hartritme te volgen en te moduleren – in de dierstudie. Dit biedt niet alleen een nieuwe manier om hartaandoeningen te diagnosticeren en te behandelen, de aanpak opent ook nieuwe mogelijkheden voor optogenetica, een methode om afzonderlijke cellen met licht te controleren en te monitoren. Terwijl elektrische stimulatie het abnormale hartritme kan corrigeren, is optische stimulatie nauwkeuriger. Met licht kunnen onderzoekers specifieke enzymen volgen en specifieke hart-, spier- of zenuwcellen ondervragen. "We kunnen in wezen elektrische en optische functies combineren in één bio-interface", zei Efimov. “Omdat grafeen optisch transparant is, kunnen we er daadwerkelijk doorheen lezen, waardoor we een veel hogere uitleesdichtheid krijgen.”