„Tatuajul” cu grafen tratează aritmia cardiacă cu lumină

„Tatuajul” cu grafen tratează aritmia cardiacă cu lumină

Marca temporală: 17 aprilie 2023 4:41
Nodul sursă: 2591678
17 aprilie 2023 (Știri Nanowerk) Cercetătorii conduși de Universitatea Northwestern și Universitatea Texas din Austin (UT) au dezvoltat primul implant cardiac realizat din grafen, un supermaterial bidimensional cu proprietăți ultra-puternice, ușoare și conductoare. Similar ca aspect cu tatuajul temporar al unui copil, noul implant de „tatuaj” cu grafen este mai subțire decât o singură șuviță de păr, dar încă funcționează ca un stimulator cardiac clasic. Dar, spre deosebire de stimulatoarele cardiace și defibrilatoarele implantate actuale, care necesită materiale dure, rigide, care sunt incompatibile mecanic cu corpul, noul dispozitiv se topește ușor cu inima pentru a detecta și trata simultan bătăile neregulate ale inimii. Implantul este suficient de subțire și flexibil pentru a se conforma contururilor delicate ale inimii, precum și suficient de elastic și de puternic pentru a rezista mișcărilor dinamice ale unei inimi care bate. După implantarea dispozitivului într-un model de șobolan, cercetătorii au demonstrat că tatuajul cu grafen ar putea simți cu succes ritmurile neregulate ale inimii și apoi să furnizeze stimulare electrică printr-o serie de impulsuri fără a constrânge sau modifica mișcările naturale ale inimii. Și mai bine: tehnologia este, de asemenea, transparentă optic, permițând cercetătorilor să folosească o sursă externă de lumină optică pentru a înregistra și a stimula inima prin intermediul dispozitivului. Ilustrație a tatuajului cu grafen pe o inimă umană Ilustrație a tatuajului cu grafen pe o inimă umană. (Imagine: Zexu Lin, Universitatea Northwestern) Studiul publicat în jurnal Materiale avansate („Biointerfață cu grafen pentru diagnosticul și tratamentul aritmiei cardiace”). Acesta marchează cel mai subțire implant cardiac cunoscut până în prezent. „Una dintre provocările pentru stimulatoarele cardiace și defibrilatoarele actuale este că sunt dificil de fixat pe suprafața inimii”, a spus Igor Efimov, autorul principal al studiului, de la Northwestern. „Electrozii defibrilatorului, de exemplu, sunt în esență bobine făcute din fire foarte groase. Aceste fire nu sunt flexibile și se rup. Interfețele rigide cu țesuturile moi, cum ar fi inima, pot provoca diverse complicații. În schimb, dispozitivul nostru moale și flexibil nu este doar discret, ci și se conformează intim și perfect direct pe inimă pentru a oferi măsurători mai precise.” Un cardiolog experimental, Efimov este profesor de inginerie biomedicală la Northwestern McCormick School of Engineering și profesor de medicină la Northwestern University Feinberg School of Medicine. El a condus studiul împreună cu Dmitry Kireev, un asociat de cercetare la UT. Zexu Lin, Ph.D. candidat în laboratorul lui Efimov, este primul autor al lucrării.

Material miraculos

Cunoscute sub numele de aritmii cardiace, tulburările de ritm cardiac apar atunci când inima bate fie prea repede, fie prea încet. În timp ce unele cazuri de aritmie nu sunt grave, multe cazuri pot duce la insuficiență cardiacă, accident vascular cerebral și chiar moarte subită. De fapt, complicațiile legate de aritmie provoacă aproximativ 300,000 de vieți anual în Statele Unite. Medicii tratează de obicei aritmia cu stimulatoare cardiace și defibrilatoare implantabile care detectează bătăile anormale ale inimii și apoi corectează ritmul cu stimulare electrică. În timp ce aceste dispozitive salvează vieți, natura lor rigidă poate constrânge mișcările naturale ale inimii, poate răni țesuturile moi, poate provoca disconfort temporar și poate provoca complicații, cum ar fi umflături dureroase, perforații, cheaguri de sânge, infecții și multe altele. Având în vedere aceste provocări, Efimov și echipa sa au căutat să dezvolte un dispozitiv bio-compatibil ideal pentru a se conforma țesuturilor moi și dinamice. După ce au analizat mai multe materiale, cercetătorii au optat pentru grafen, o formă de carbon subțire din punct de vedere atomic. Cu structura sa ultra-puternică, ușoară și conductivitatea superioară, grafenul are potențial pentru multe aplicații în electronice de înaltă performanță, materiale de înaltă rezistență și dispozitive energetice. „Din motive de biocompatibilitate, grafenul este deosebit de atractiv”, a spus Efimov. „Carbonul este baza vieții, deci este un material sigur care este deja folosit în diferite aplicații clinice. De asemenea, este flexibil și moale, ceea ce funcționează bine ca o interfață între electronică și un organ moale, activ mecanic.” Tatuaje inima cu grafen Implant de grafen pe hârtie de tatuaj. (Imagine: Ning Liu, Universitatea din Texas din Austin)

Lovirea unei ținte care bate

La UT, coautorii studiului Dimitry Kireev și Deji Akinwande dezvoltau deja tatuaje electronice cu grafen (GET) cu capacități de detectare. Flexibile și lipsite de greutate, e-tatuajele echipei lor aderă la piele pentru a monitoriza continuu semnele vitale ale corpului, inclusiv tensiunea arterială și activitatea electrică a creierului, inimii și mușchilor. Dar, în timp ce e-tatuajele funcționează bine pe suprafața pielii, echipa lui Efimov trebuia să investigheze noi metode de utilizare a acestor dispozitive în interiorul corpului - direct pe suprafața inimii. „Este o schemă de aplicare complet diferită”, a spus Efimov. „Pielea este relativ uscată și ușor accesibilă. Evident, inima se află în interiorul pieptului, deci este greu de accesat și într-un mediu umed.” Cercetătorii au dezvoltat o tehnică complet nouă pentru a acoperi tatuajul cu grafen și a-l adera la suprafața unei inimi care bate. În primul rând, au încapsulat grafenul într-o membrană flexibilă și elastică de silicon - cu o gaură perforată pentru a oferi acces la electrodul interior de grafen. Apoi, au plasat ușor bandă de aur (cu o grosime de 10 microni) pe stratul de încapsulare pentru a servi drept interconexiune electrică între grafen și electronicele externe utilizate pentru măsurarea și stimularea inimii. În cele din urmă, l-au pus pe inimă. Întreaga grosime a tuturor straturilor împreună măsoară aproximativ 100 de microni în total. Dispozitivul rezultat a fost stabil timp de 60 de zile pe o inimă care bate activ la temperatura corpului, ceea ce este comparabil cu durata stimulatoarelor cardiace temporare utilizate ca punți către stimulatoarele permanente sau managementul ritmului după intervenții chirurgicale sau alte terapii.

Oportunități optice

Folosind natura transparentă a dispozitivului, Efimov și echipa sa au efectuat optocardiografie - folosind lumina pentru a urmări și modula ritmul cardiac - în studiul pe animale. Aceasta nu numai că oferă o nouă modalitate de a diagnostica și trata afecțiunile cardiace, abordarea deschide și noi posibilități pentru optogenetică, o metodă de control și monitorizare a celulelor individuale cu lumină. În timp ce stimularea electrică poate corecta ritmul anormal al inimii, stimularea optică este mai precisă. Cu ajutorul luminii, cercetătorii pot urmări anumite enzime, precum și interoga anumite celule cardiace, musculare sau nervoase. „Putem combina, în esență, funcțiile electrice și optice într-o singură biointerfață”, a spus Efimov. „Deoarece grafenul este transparent din punct de vedere optic, putem citi prin el, ceea ce ne oferă o densitate mult mai mare de citire.”

Timestamp-ul:

Mai mult de la Nanowerk