Grafen 'tatovering' behandler hjertearytmi med lys

Publisert av Platon

Følgere: 0

17. april 2023 (Nanowerk Nyheter) Forskere ledet av Northwestern University og University of Texas i Austin (UT) har utviklet det første hjerteimplantatet laget av graphene, et todimensjonalt supermateriale med ultrasterke, lette og ledende egenskaper. I likhet med et barns midlertidige tatovering, er det nye grafen-"tatoveringsimplantatet" tynnere enn en enkelt hårstrå, men fungerer fortsatt som en klassisk pacemaker. Men i motsetning til dagens pacemakere og implanterte defibrillatorer, som krever harde, stive materialer som er mekanisk uforenlige med kroppen, smelter den nye enheten mykt sammen med hjertet for samtidig å registrere og behandle uregelmessige hjerteslag. Implantatet er tynt og fleksibelt nok til å tilpasse seg hjertets delikate konturer, samt stretchy og sterkt nok til å tåle de dynamiske bevegelsene til et bankende hjerte. Etter å ha implantert enheten i en rottemodell, demonstrerte forskerne at grafen-tatoveringen kunne registrere uregelmessige hjerterytmer og deretter levere elektrisk stimulering gjennom en serie pulser uten å begrense eller endre hjertets naturlige bevegelser. Enda bedre: Teknologien er også optisk gjennomsiktig, slik at forskerne kan bruke en ekstern kilde til optisk lys for å registrere og stimulere hjertet gjennom enheten.

Illustrasjon av grafen-tatoveringen på et menneskelig hjerte. (Bilde: Zexu Lin, Northwestern University) Studien publisert i tidsskriftet Advanced Materials (“Graphene biointerface for cardiac arrhythmia diagnosis and treatment”). Det markerer det tynneste kjente hjerteimplantatet til dags dato. "En av utfordringene for nåværende pacemakere og defibrillatorer er at de er vanskelige å feste på overflaten av hjertet," sa Northwesterns Igor Efimov, studiens seniorforfatter. "Defibrillatorelektroder, for eksempel, er i hovedsak spoler laget av veldig tykke ledninger. Disse ledningene er ikke fleksible, og de går i stykker. Stive grensesnitt med bløtvev, som hjertet, kan forårsake ulike komplikasjoner. Derimot er vår myke, fleksible enhet ikke bare diskret, men tilpasser seg også intimt og sømløst direkte til hjertet for å levere mer presise målinger." En eksperimentell kardiolog, Efimov er professor i biomedisinsk ingeniørfag ved Northwesterns McCormick School of Engineering og professor i medisin ved Northwestern University Feinberg School of Medicine. Han ledet studien sammen med Dmitry Kireev, en forskningsassistent ved UT. Zexu Lin, en Ph.D. kandidat i Efimovs laboratorium, er avisens første forfatter.

Mirakelmateriale

Kjent som hjertearytmier, hjerterytmeforstyrrelser oppstår når hjertet slår enten for raskt eller for sakte. Mens noen tilfeller av arytmi ikke er alvorlige, kan mange tilfeller føre til hjertesvikt, hjerneslag og til og med plutselig død. Faktisk krever komplikasjoner relatert til arytmi rundt 300,000 XNUMX liv årlig i USA. Leger behandler vanligvis arytmier med implanterbare pacemakere og defibrillatorer som oppdager unormale hjerteslag og deretter korrigerer rytmen med elektrisk stimulering. Selv om disse enhetene er livreddende, kan deres stive natur begrense hjertets naturlige bevegelser, skade bløtvev, forårsake midlertidig ubehag og indusere komplikasjoner, som smertefull hevelse, perforeringer, blodpropp, infeksjon og mer. Med disse utfordringene i tankene, forsøkte Efimov og teamet hans å utvikle en biokompatibel enhet ideell for å tilpasse seg mykt, dynamisk vev. Etter å ha gjennomgått flere materialer, slo forskerne seg på grafen, en atomisk tynn form for karbon. Med sin ultrasterke, lette struktur og overlegne ledningsevne har grafen potensial for mange bruksområder innen høyytelseselektronikk, høystyrkematerialer og energienheter. "Av biokompatibilitetsgrunner er grafen spesielt attraktivt," sa Efimov. «Karbon er grunnlaget for livet, så det er et trygt materiale som allerede brukes i forskjellige kliniske applikasjoner. Den er også fleksibel og myk, som fungerer godt som et grensesnitt mellom elektronikk og et mykt, mekanisk aktivt organ.» Grafen hjerte tatoveringer

Grafenimplantat på tatoveringspapir. (Bilde: Ning Liu, University of Texas i Austin)

Å treffe et bankende mål

Ved UT utviklet studiemedforfatterne Dimitry Kireev og Deji Akinwande allerede grafen elektroniske tatoveringer (GETs) med sanseevne. Fleksible og vektløse, teamets e-tatoveringer fester seg til huden for kontinuerlig å overvåke kroppens vitale tegn, inkludert blodtrykk og den elektriske aktiviteten til hjernen, hjertet og musklene. Men mens e-tatoveringene fungerer bra på hudens overflate, trengte Efimovs team å undersøke nye metoder for å bruke disse enhetene inne i kroppen - direkte på overflaten av hjertet. "Det er en helt annen søknadsordning," sa Efimov. "Huden er relativt tørr og lett tilgjengelig. Selvfølgelig er hjertet inne i brystet, så det er vanskelig å få tilgang til i et vått miljø.» Forskerne utviklet en helt ny teknikk for å omslutte grafen-tatoveringen og feste den til overflaten av et bankende hjerte. Først kapslet de grafenet inne i en fleksibel, elastisk silikonmembran - med et hull i den for å gi tilgang til den indre grafenelektroden. Deretter plasserte de forsiktig gulltape (med en tykkelse på 10 mikron) på det innkapslende laget for å tjene som en elektrisk forbindelse mellom grafenet og den eksterne elektronikken som brukes til å måle og stimulere hjertet. Til slutt plasserte de den på hjertet. Hele tykkelsen på alle lag måler til sammen ca. 100 mikron. Den resulterende enheten var stabil i 60 dager på et aktivt bankende hjerte ved kroppstemperatur, noe som kan sammenlignes med varigheten av midlertidige pacemakere brukt som broer til permanente pacemakere eller rytmebehandling etter kirurgi eller andre terapier.

Optiske muligheter

Ved å utnytte enhetens gjennomsiktige natur utførte Efimov og teamet hans optokardiografi - ved å bruke lys for å spore og modulere hjerterytmen - i dyrestudiet. Ikke bare gir dette en ny måte å diagnostisere og behandle hjerteplager, tilnærmingen åpner også nye muligheter for optogenetikk, en metode for å kontrollere og overvåke enkeltceller med lys. Mens elektrisk stimulering kan korrigere et hjertes unormale rytme, er optisk stimulering mer presis. Med lys kan forskere spore spesifikke enzymer samt forhøre spesifikke hjerte-, muskel- eller nerveceller. "Vi kan i hovedsak kombinere elektriske og optiske funksjoner i ett biogrensesnitt," sa Efimov. "Fordi grafen er optisk gjennomsiktig, kan vi faktisk lese gjennom det, noe som gir oss en mye høyere avlesningstetthet."