'Tatuagem' de grafeno trata arritmia cardíaca com luz

17 de abril de 2023 (Notícias do Nanowerk) Pesquisadores liderados pela Northwestern University e pela University of Texas em Austin (UT) desenvolveram o primeiro implante cardíaco feito de grafeno, um supermaterial bidimensional com propriedades ultrafortes, leves e condutoras. Semelhante em aparência a uma tatuagem temporária de uma criança, o novo implante de “tatuagem” de grafeno é mais fino do que um único fio de cabelo, mas ainda funciona como um marca-passo clássico. Mas, ao contrário dos actuais pacemakers e desfibrilhadores implantados, que requerem materiais duros e rígidos que são mecanicamente incompatíveis com o corpo, o novo dispositivo funde-se suavemente com o coração para detectar e tratar simultaneamente batimentos cardíacos irregulares. O implante é fino e flexível o suficiente para se adaptar aos contornos delicados do coração, bem como elástico e forte o suficiente para suportar os movimentos dinâmicos de um coração batendo. Depois de implantar o dispositivo em um modelo de rato, os pesquisadores demonstraram que a tatuagem de grafeno poderia detectar com sucesso ritmos cardíacos irregulares e, em seguida, fornecer estimulação elétrica através de uma série de pulsos sem restringir ou alterar os movimentos naturais do coração. Melhor ainda: a tecnologia também é opticamente transparente, permitindo aos pesquisadores utilizar uma fonte externa de luz óptica para registrar e estimular o coração por meio do aparelho. Ilustração da tatuagem de grafeno em um coração humano. (Imagem: Zexu Lin, Universidade Northwestern) O estudo publicado na revista Materiais avançados (“Biointerface de grafeno para diagnóstico e tratamento de arritmia cardíaca”). Ele marca o implante cardíaco mais fino conhecido até o momento. “Um dos desafios dos atuais marca-passos e desfibriladores é que eles são difíceis de fixar na superfície do coração”, disse Igor Efimov, da Northwestern, autor sênior do estudo. “Os eletrodos do desfibrilador, por exemplo, são essencialmente bobinas feitas de fios muito grossos. Esses fios não são flexíveis e quebram. Interfaces rígidas com tecidos moles, como o coração, podem causar diversas complicações. Por outro lado, nosso dispositivo macio e flexível não é apenas discreto, mas também se adapta de forma íntima e perfeita diretamente ao coração para fornecer medições mais precisas.” Cardiologista experimental, Efimov é professor de engenharia biomédica na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern e professor de medicina na Escola de Medicina Feinberg da Universidade Northwestern. Ele co-liderou o estudo com Dmitry Kireev, pesquisador associado da UT. Zexu Lin, Ph.D. candidato no laboratório de Efimov, é o primeiro autor do artigo.

Material milagroso

Conhecidos como arritmias cardíacas, os distúrbios do ritmo cardíaco ocorrem quando o coração bate muito rápido ou muito devagar. Embora alguns casos de arritmia não sejam graves, muitos casos podem causar insuficiência cardíaca, acidente vascular cerebral e até morte súbita. Na verdade, complicações relacionadas à arritmia ceifam cerca de 300,000 vidas anualmente nos Estados Unidos. Os médicos geralmente tratam a arritmia com marcapassos e desfibriladores implantáveis ​​que detectam batimentos cardíacos anormais e corrigem o ritmo com estimulação elétrica. Embora estes dispositivos salvem vidas, a sua natureza rígida pode restringir os movimentos naturais do coração, ferir os tecidos moles, causar desconforto temporário e induzir complicações, como inchaço doloroso, perfurações, coágulos sanguíneos, infecções e muito mais. Com estes desafios em mente, Efimov e a sua equipa procuraram desenvolver um dispositivo biocompatível ideal para se adaptar a tecidos moles e dinâmicos. Depois de revisar vários materiais, os pesquisadores optaram pelo grafeno, uma forma de carbono atomicamente fina. Com sua estrutura ultraforte e leve e condutividade superior, o grafeno tem potencial para muitas aplicações em eletrônica de alto desempenho, materiais de alta resistência e dispositivos de energia. “Por razões de biocompatibilidade, o grafeno é particularmente atraente”, disse Efimov. “O carbono é a base da vida, por isso é um material seguro que já é utilizado em diversas aplicações clínicas. Também é flexível e macio, o que funciona bem como uma interface entre a eletrônica e um órgão macio e mecanicamente ativo.” Implante de grafeno em papel de tatuagem. (Imagem: Ning Liu, Universidade do Texas em Austin)

Acertar um alvo batido

Na UT, os coautores do estudo Dimitry Kireev e Deji Akinwande já estavam desenvolvendo tatuagens eletrônicas de grafeno (GETs) com capacidades de detecção. Flexíveis e leves, as tatuagens eletrônicas de sua equipe aderem à pele para monitorar continuamente os sinais vitais do corpo, incluindo a pressão arterial e a atividade elétrica do cérebro, coração e músculos. Mas, embora as tatuagens eletrônicas funcionem bem na superfície da pele, a equipe de Efimov precisava investigar novos métodos para usar esses dispositivos dentro do corpo – diretamente na superfície do coração. “É um esquema de aplicação completamente diferente”, disse Efimov. “A pele é relativamente seca e facilmente acessível. Obviamente, o coração fica dentro do peito, por isso é de difícil acesso e em ambiente úmido.” Os pesquisadores desenvolveram uma técnica totalmente nova para envolver a tatuagem de grafeno e aderi-la à superfície de um coração batendo. Primeiro, eles encapsularam o grafeno dentro de uma membrana de silicone flexível e elástica – com um furo para dar acesso ao eletrodo interno de grafeno. Em seguida, eles colocaram delicadamente uma fita dourada (com espessura de 10 mícrons) na camada encapsulante para servir como uma interligação elétrica entre o grafeno e a eletrônica externa usada para medir e estimular o coração. Finalmente, eles colocaram-no no coração. A espessura total de todas as camadas juntas mede cerca de 100 mícrons no total. O dispositivo resultante permaneceu estável por 60 dias em um coração batendo ativamente à temperatura corporal, o que é comparável à duração de marca-passos temporários usados ​​como pontes para marca-passos permanentes ou para controle do ritmo após cirurgia ou outras terapias.

oportunidades óticas

Aproveitando a natureza transparente do dispositivo, Efimov e sua equipe realizaram optocardiografia – usando luz para rastrear e modular o ritmo cardíaco – no estudo com animais. Isto não só oferece uma nova forma de diagnosticar e tratar doenças cardíacas, como também abre novas possibilidades para a optogenética, um método para controlar e monitorizar células individuais com luz. Embora a estimulação elétrica possa corrigir o ritmo anormal do coração, a estimulação óptica é mais precisa. Com a luz, os pesquisadores podem rastrear enzimas específicas, bem como interrogar células cardíacas, musculares ou nervosas específicas. “Podemos essencialmente combinar funções elétricas e ópticas em uma biointerface”, disse Efimov. “Como o grafeno é opticamente transparente, podemos lê-lo, o que nos dá uma densidade de leitura muito maior.”

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62828.php