Татуировка из графена лечит сердечную аритмию светом

Татуировка из графена лечит сердечную аритмию светом

Отметка времени: 17 апреля 2023 г., 4:41
Исходный узел: 2591678
17 апреля 2023 г. (Новости Наноуэрк) Исследователи под руководством Северо-Западного университета и Техасского университета в Остине (Юта) разработали первый сердечный имплантат, изготовленный из графен, двухмерный суперматериал со сверхпрочными, легкими и проводящими свойствами. Внешне похожий на временную татуировку ребенка, новый графеновый «татуировочный» имплантат тоньше одной пряди волос, но по-прежнему функционирует как классический кардиостимулятор. Но в отличие от нынешних кардиостимуляторов и имплантированных дефибрилляторов, для которых требуются твердые, жесткие материалы, механически несовместимые с телом, новое устройство мягко прилегает к сердцу, чтобы одновременно обнаруживать и лечить нерегулярные сердечные сокращения. Имплантат тонкий и достаточно гибкий, чтобы соответствовать тонким контурам сердца, а также эластичный и достаточно прочный, чтобы выдерживать динамические движения бьющегося сердца. После имплантации устройства в модель крысы исследователи продемонстрировали, что графеновая татуировка может успешно обнаруживать нерегулярные сердечные ритмы, а затем доставлять электрическую стимуляцию с помощью серии импульсов, не ограничивая и не изменяя естественные движения сердца. Еще лучше: технология также является оптически прозрачной, что позволяет исследователям использовать внешний источник оптического света для записи и стимуляции сердца через устройство. Иллюстрация графеновой татуировки на сердце человека Иллюстрация графеновой татуировки на человеческом сердце. (Изображение: Zexu Lin, Северо-Западный университет) Исследование, опубликованное в журнале Передовые материалы («Графеновый биоинтерфейс для диагностики и лечения сердечных аритмий»). На сегодняшний день это самый тонкий из известных сердечных имплантатов. «Одной из проблем современных кардиостимуляторов и дефибрилляторов является то, что их трудно прикрепить к поверхности сердца», — сказал Игорь Ефимов из Northwestern, старший автор исследования. «Электроды дефибриллятора, например, представляют собой катушки, сделанные из очень толстых проводов. Эти провода не гибкие, и они рвутся. Жесткие интерфейсы с мягкими тканями, такими как сердце, могут вызывать различные осложнения. В отличие от этого, наше мягкое гибкое устройство не только ненавязчиво, но и тесно и плавно прилегает непосредственно к сердцу, обеспечивая более точные измерения». Кардиолог-экспериментатор, Ефимов является профессором биомедицинской инженерии в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета и профессором медицины в Школе медицины Файнберга Северо-Западного университета. Он руководил исследованием вместе с Дмитрием Киреевым, научным сотрудником UT. Зесю Линь, доктор философии. кандидат в лаборатории Ефимова, первый автор статьи.

Чудо-материал

Известные как сердечные аритмии, нарушения сердечного ритма возникают, когда сердце бьется либо слишком быстро, либо слишком медленно. Хотя некоторые случаи аритмии не являются серьезными, многие случаи могут привести к сердечной недостаточности, инсульту и даже внезапной смерти. Фактически осложнения, связанные с аритмией, ежегодно уносят около 300,000 XNUMX жизней в Соединенных Штатах. Врачи обычно лечат аритмию с помощью имплантируемых кардиостимуляторов и дефибрилляторов, которые обнаруживают аномальные сердечные сокращения, а затем корректируют ритм с помощью электрической стимуляции. Хотя эти устройства спасают жизни, их жесткая природа может ограничивать естественные движения сердца, повреждать мягкие ткани, вызывать временный дискомфорт и вызывать осложнения, такие как болезненные отеки, перфорации, тромбы, инфекции и многое другое. Помня об этих проблемах, Ефимов и его команда стремились разработать биосовместимое устройство, идеально подходящее для мягких, динамичных тканей. Изучив несколько материалов, исследователи остановились на графене, атомарно тонкой форме углерода. Благодаря своей сверхпрочной, легкой структуре и превосходной проводимости графен имеет потенциал для многих применений в высокопроизводительной электронике, высокопрочных материалах и энергетических устройствах. «Из соображений биосовместимости графен особенно привлекателен», — сказал Ефимов. «Углерод — основа жизни, поэтому это безопасный материал, который уже используется в различных клинических приложениях. Он также гибкий и мягкий, что хорошо работает в качестве интерфейса между электроникой и мягким, механически активным органом». Графеновые татуировки сердца Графеновый имплантат на бумаге для татуировок. (Изображение: Нинг Лю, Техасский университет в Остине)

Попадание в цель

В UT соавторы исследования Дмитрий Киреев и Дежи Акинванде уже разрабатывали графеновые электронные татуировки (GET) с сенсорными возможностями. Гибкие и невесомые, электронные татуировки их команды прикрепляются к коже, чтобы постоянно контролировать жизненные показатели организма, включая кровяное давление и электрическую активность мозга, сердца и мышц. Но, хотя электронные татуировки хорошо работают на поверхности кожи, команде Ефимова нужно было исследовать новые методы использования этих устройств внутри тела — непосредственно на поверхности сердца. «Это совсем другая схема применения», — сказал Ефимов. «Кожа относительно сухая и легкодоступная. Очевидно, что сердце находится внутри грудной клетки, поэтому к нему трудно получить доступ во влажной среде». Исследователи разработали совершенно новую технику, заключающую татуировку в графен и прикрепляющую ее к поверхности бьющегося сердца. Во-первых, они поместили графен в гибкую эластичную силиконовую мембрану с пробитым в ней отверстием для доступа к внутреннему графеновому электроду. Затем они аккуратно поместили золотую ленту (толщиной 10 микрон) на герметизирующий слой, чтобы она служила электрическим соединением между графеном и внешней электроникой, используемой для измерения и стимуляции сердца. Наконец, они поместили его на сердце. Общая толщина всех слоев вместе составляет около 100 микрон. Полученное устройство было стабильным в течение 60 дней при активно бьющемся сердце при температуре тела, что сравнимо со сроком службы временных кардиостимуляторов, используемых в качестве мостов к постоянным кардиостимуляторам или для управления ритмом после операции или других методов лечения.

Оптические возможности

Используя прозрачную природу устройства, Ефимов и его команда выполнили оптокардиографию — используя свет для отслеживания и модуляции сердечного ритма — в исследовании на животных. Это не только предлагает новый способ диагностики и лечения сердечных заболеваний, но и открывает новые возможности для оптогенетики, метода контроля и мониторинга отдельных клеток с помощью света. В то время как электрическая стимуляция может исправить аномальный ритм сердца, оптическая стимуляция является более точной. С помощью света исследователи могут отслеживать определенные ферменты, а также исследовать конкретные сердечные, мышечные или нервные клетки. «По сути, мы можем объединить электрические и оптические функции в один биоинтерфейс», — сказал Ефимов. «Поскольку графен оптически прозрачен, мы действительно можем читать сквозь него, что дает нам гораздо более высокую плотность считывания».

Отметка времени:

Больше от нанотехнология