Graphene 'tattoo' Treats Cardiac Arrhythmia With Light

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

17 kwietnia 2023 (Wiadomości Nanowerk) Naukowcy pod kierunkiem Northwestern University i University of Texas w Austin (UT) opracowali pierwszy implant serca wykonany z grafenu, dwuwymiarowy supermateriał o ultramocnych, lekkich i przewodzących właściwościach. Podobny wyglądem do tymczasowego tatuażu dziecka, nowy grafenowy implant „tatuaż” jest cieńszy niż pojedyncze pasmo włosów, a mimo to nadal działa jak klasyczny rozrusznik serca. Jednak w przeciwieństwie do obecnych rozruszników serca i wszczepionych defibrylatorów, które wymagają twardych, sztywnych materiałów, mechanicznie niezgodnych z ciałem, nowe urządzenie delikatnie dopasowuje się do serca, aby jednocześnie wykrywać i leczyć nieregularne bicie serca. Implant jest na tyle cienki i elastyczny, aby dopasowywać się do delikatnych konturów serca, a także rozciągliwy i wystarczająco mocny, aby wytrzymać dynamiczne ruchy bijącego serca. Po wszczepieniu urządzenia szczurowi naukowcy wykazali, że tatuaż grafenowy może skutecznie wykrywać nieregularne rytmy serca, a następnie dostarczać stymulację elektryczną za pomocą serii impulsów, nie ograniczając ani nie zmieniając naturalnych ruchów serca. Co więcej: technologia jest również optycznie przezroczysta, co pozwala naukowcom na wykorzystanie zewnętrznego źródła światła optycznego do rejestrowania i stymulacji serca za pomocą urządzenia.

Ilustracja przedstawiająca tatuaż grafenowy na ludzkim sercu. (Zdjęcie: Zexu Lin, Northwestern University) Badanie opublikowane w czasopiśmie Zaawansowane materiały („Biointerfejs grafenowy do diagnostyki i leczenia arytmii serca”). Jest to najcieńszy znany dotychczas implant serca. „Jednym z wyzwań stojących przed obecnymi rozrusznikami serca i defibrylatorami jest to, że trudno je przymocować do powierzchni serca” – powiedział Igor Efimov z Northwestern, starszy autor badania. „Na przykład elektrody do defibrylatorów to zasadniczo cewki wykonane z bardzo grubych drutów. Przewody te nie są elastyczne i pękają. Sztywne połączenia z tkankami miękkimi, takimi jak serce, mogą powodować różne komplikacje. Z kolei nasze miękkie, elastyczne urządzenie jest nie tylko dyskretne, ale także dokładnie i płynnie dopasowuje się bezpośrednio do serca, zapewniając bardziej precyzyjne pomiary. Efimov, kardiolog eksperymentalny, jest profesorem inżynierii biomedycznej w McCormick School of Engineering w Northwestern i profesorem medycyny w Northwestern University Feinberg School of Medicine. Współprowadził badanie wraz z Dmitrijem Kireevem, pracownikiem naukowym na UT. Zexu Lin, doktorant kandydat w laboratorium Efimowa, jest pierwszym autorem artykułu.

Materiał cud

Zaburzenia rytmu serca, zwane zaburzeniami rytmu serca, pojawiają się, gdy serce bije zbyt szybko lub zbyt wolno. Chociaż niektóre przypadki arytmii nie są poważne, wiele przypadków może prowadzić do niewydolności serca, udaru, a nawet nagłej śmierci. W rzeczywistości powikłania związane z arytmią powodują śmierć około 300,000 XNUMX osób rocznie w Stanach Zjednoczonych. Lekarze często leczą arytmię za pomocą wszczepialnych rozruszników serca i defibrylatorów, które wykrywają nieprawidłowe bicie serca, a następnie korygują rytm za pomocą stymulacji elektrycznej. Chociaż urządzenia te ratują życie, ich sztywny charakter może ograniczać naturalne ruchy serca, ranić tkanki miękkie, powodować tymczasowy dyskomfort i powodować powikłania, takie jak bolesny obrzęk, perforacje, skrzepy krwi, infekcja i inne. Mając na uwadze te wyzwania, Efimov i jego zespół starali się opracować biokompatybilne urządzenie, idealne do dopasowywania się do miękkich, dynamicznych tkanek. Po przejrzeniu wielu materiałów naukowcy zdecydowali się na grafen, atomowo cienką formę węgla. Dzięki swojej wyjątkowo mocnej, lekkiej strukturze i doskonałej przewodności grafen ma potencjał do wielu zastosowań w wysokowydajnej elektronice, materiałach o wysokiej wytrzymałości i urządzeniach energetycznych. „Ze względu na biokompatybilność grafen jest szczególnie atrakcyjny” – powiedział Efimov. „Węgiel jest podstawą życia, dlatego jest to bezpieczny materiał, który jest już stosowany w różnych zastosowaniach klinicznych. Jest także elastyczny i miękki, co doskonale sprawdza się jako interfejs pomiędzy elektroniką a miękkim, aktywnym mechanicznie organem.” Grafenowe tatuaże w kształcie serca

Implant grafenowy na papierze do tatuażu. (Zdjęcie: Ning Liu, Uniwersytet Teksasu w Austin)

Uderzanie w cel

Na Uniwersytecie UT współautorzy badania Dimitry Kireev i Deji Akinwande opracowywali już elektroniczne tatuaże grafenowe (GET) umożliwiające wykrywanie. Elastyczne i nieważkie e-tatuaże ich zespołu przylegają do skóry, aby stale monitorować parametry życiowe organizmu, w tym ciśnienie krwi oraz aktywność elektryczną mózgu, serca i mięśni. Chociaż e-tatuaże dobrze sprawdzają się na powierzchni skóry, zespół Efimova musiał zbadać nowe metody wykorzystania tych urządzeń wewnątrz ciała – bezpośrednio na powierzchni serca. „To zupełnie inny schemat zastosowania” – powiedział Efimov. „Skóra jest stosunkowo sucha i łatwo dostępna. Oczywiście serce znajduje się w klatce piersiowej, więc dostęp do niego jest utrudniony i odbywa się w wilgotnym środowisku. Naukowcy opracowali zupełnie nową technikę otaczania tatuażu grafenowego i przyklejania go do powierzchni bijącego serca. Najpierw zamknęli grafen w elastycznej, elastycznej membranie silikonowej – z wyciętym w niej otworem umożliwiającym dostęp do wewnętrznej elektrody grafenowej. Następnie delikatnie umieścili złotą taśmę (o grubości 10 mikronów) na warstwie kapsułkującej, która miała służyć jako elektryczne połączenie między grafenem a zewnętrznymi urządzeniami elektronicznymi używanymi do pomiaru i stymulacji serca. Na koniec umieścili go na sercu. Całkowita grubość wszystkich warstw wynosi łącznie około 100 mikronów. Powstałe urządzenie było stabilne przez 60 dni przy aktywnie bijącym sercu w temperaturze ciała, co jest porównywalne z czasem działania tymczasowych rozruszników serca używanych jako pomosty dla stałych rozruszników serca lub systemów kontroli rytmu po operacji lub innych terapiach.

Możliwości optyczne

Wykorzystując przezroczystość urządzenia, Efimov i jego zespół przeprowadzili w badaniu na zwierzętach optokardiografię, wykorzystując światło do śledzenia i modulowania rytmu serca. Zapewnia to nie tylko nowy sposób diagnozowania i leczenia chorób serca, ale otwiera także nowe możliwości optogenetyki, metody kontrolowania i monitorowania pojedynczych komórek za pomocą światła. Podczas gdy stymulacja elektryczna może skorygować nieprawidłowy rytm serca, stymulacja optyczna jest bardziej precyzyjna. Za pomocą światła badacze mogą śledzić określone enzymy, a także badać określone komórki serca, mięśni i nerwów. „Możemy zasadniczo połączyć funkcje elektryczne i optyczne w jeden biointerfejs” – powiedział Efimov. „Ponieważ grafen jest optycznie przezroczysty, możemy przez niego faktycznie czytać, co zapewnia znacznie większą gęstość odczytu”.