Grafenska "tetovaža" srčno aritmijo zdravi s svetlobo

17. april 2023 (Nanowerk novice) Raziskovalci pod vodstvom Northwestern University in University of Texas v Austinu (UT) so razvili prvi srčni vsadek iz Graphene, dvodimenzionalni super material z ultra močnimi, lahkimi in prevodnimi lastnostmi. Po videzu podoben otroškemu začasnemu tatuju, je novi grafenski vsadek "tattoo" tanjši od enega samega pramena las, vendar še vedno deluje kot klasični srčni spodbujevalnik. Toda za razliko od sedanjih srčnih spodbujevalnikov in vsajenih defibrilatorjev, ki zahtevajo trde, toge materiale, ki so mehansko nezdružljivi s telesom, se nova naprava mehko zlije s srcem, da hkrati zaznava in zdravi nepravilne srčne utripe. Implantat je dovolj tanek in prožen, da se prilagodi nežnim obrisom srca, pa tudi dovolj raztegljiv in močan, da prenese dinamične gibe utripajočega srca. Po vsaditvi naprave v model podgane so raziskovalci dokazali, da lahko tetovaža z grafenom uspešno zaznava nepravilne srčne ritme in nato zagotavlja električno stimulacijo s serijo impulzov, ne da bi omejila ali spremenila naravno gibanje srca. Še bolje: tehnologija je tudi optično pregledna, kar raziskovalcem omogoča uporabo zunanjega vira optične svetlobe za snemanje in stimulacijo srca prek naprave. Ilustracija tetovaže grafena na človeškem srcu. (Slika: Zexu Lin, Northwestern University) Študija, objavljena v reviji Napredni materiali ("Biovmesnik grafena za diagnozo in zdravljenje srčne aritmije"). Označuje najtanjši znani srčni vsadek doslej. "Eden od izzivov trenutnih srčnih spodbujevalnikov in defibrilatorjev je, da jih je težko pritrditi na površino srca," je povedal Igor Efimov iz Northwestern, višji avtor študije. »Defibrilatorske elektrode so na primer v bistvu tuljave iz zelo debelih žic. Te žice niso upogljive in se zlomijo. Togi vmesniki z mehkimi tkivi, kot je srce, lahko povzročijo različne zaplete. Nasprotno pa naša mehka, prilagodljiva naprava ni le nemoteča, ampak se tudi intimno in brezhibno prilega neposredno srcu, da zagotavlja natančnejše meritve.« Eksperimentalni kardiolog Efimov je profesor biomedicinskega inženiringa na Northwestern's McCormick School of Engineering in profesor medicine na Northwestern University Feinberg School of Medicine. Študijo je vodil skupaj z Dmitrijem Kirejevim, znanstvenim sodelavcem na UT. Zexu Lin, dr. kandidat v laboratoriju Efimova, je prvi avtor prispevka.

Čudežni material

Motnje srčnega ritma, znane kot srčne aritmije, se pojavijo, ko srce bije prehitro ali prepočasi. Medtem ko nekateri primeri aritmije niso resni, lahko mnogi povzročijo srčno popuščanje, možgansko kap in celo nenadno smrt. Dejansko zapleti, povezani z aritmijo, zahtevajo približno 300,000 življenj letno v Združenih državah. Zdravniki običajno zdravijo aritmijo z vsadljivimi srčnimi spodbujevalniki in defibrilatorji, ki zaznajo nenormalne srčne utripe in nato popravijo ritem z električno stimulacijo. Medtem ko te naprave rešujejo življenja, lahko njihova togost omeji naravno gibanje srca, poškoduje mehka tkiva, povzroči začasno nelagodje in povzroči zaplete, kot so boleče otekline, perforacije, krvni strdki, okužbe in drugo. S temi izzivi v mislih sta Efimov in njegova ekipa skušala razviti biokompatibilno napravo, idealno za prilagoditev mehkim, dinamičnim tkivom. Po pregledu več materialov so se raziskovalci odločili za grafen, atomsko tanko obliko ogljika. S svojo izjemno močno, lahko strukturo in vrhunsko prevodnostjo ima grafen potencial za številne aplikacije v visoko zmogljivi elektroniki, materialih visoke trdnosti in energetskih napravah. "Zaradi biokompatibilnosti je grafen še posebej privlačen," je dejal Efimov. »Ogljik je osnova življenja, zato je varen material, ki se že uporablja v različnih kliničnih aplikacijah. Je tudi prožen in mehak, kar dobro deluje kot vmesnik med elektroniko in mehkim, mehansko aktivnim organom.« Grafenski vsadek na tattoo papirju. (Slika: Ning Liu, Teksaška univerza v Austinu)

Zadetek premagljive tarče

Na UT sta soavtorja študije Dimitry Kireev in Deji Akinwande že razvijala grafenske elektronske tetovaže (GET) z zmožnostmi zaznavanja. Prilagodljive in breztežne, e-tetovaže njihove ekipe se prilepijo na kožo in nenehno spremljajo vitalne znake telesa, vključno s krvnim tlakom in električno aktivnostjo možganov, srca in mišic. Toda medtem ko e-tetovaže dobro delujejo na površini kože, je Efimova ekipa morala raziskati nove metode za uporabo teh naprav v telesu - neposredno na površini srca. "To je popolnoma drugačna shema uporabe," je dejal Efimov. »Koža je relativno suha in lahko dostopna. Očitno je srce v prsnem košu, zato je težko dostopno in v mokrem okolju.” Raziskovalci so razvili povsem novo tehniko, s katero so grafensko tetovažo obdali in prilepili na površino utripajočega srca. Najprej so inkapsulirali grafen v prožno, elastično silikonsko membrano - z luknjo, ki je bila luknja v njej, da bi omogočila dostop do notranje grafenske elektrode. Nato so nežno namestili zlati trak (z debelino 10 mikronov) na inkapsulacijsko plast, ki je služila kot električna povezava med grafenom in zunanjo elektroniko, ki se uporablja za merjenje in stimulacijo srca. Na koncu so ga položili na srce. Celotna debelina vseh plasti skupaj meri približno 100 mikronov. Nastala naprava je bila stabilna 60 dni na aktivno utripajočem srcu pri telesni temperaturi, kar je primerljivo s trajanjem začasnih srčnih spodbujevalnikov, ki se uporabljajo kot mostovi do trajnih srčnih spodbujevalnikov ali za upravljanje ritma po operaciji ali drugih terapijah.

Optične priložnosti

Efimov in njegova ekipa sta v študiji na živalih izkoristila pregledno naravo naprave in izvedla optokardiografijo - z uporabo svetlobe za sledenje in modulacijo srčnega ritma. Ne samo, da to ponuja nov način za diagnosticiranje in zdravljenje bolezni srca, pristop odpira tudi nove možnosti za optogenetiko, metodo za nadzor in spremljanje posameznih celic s svetlobo. Medtem ko lahko električna stimulacija popravi nenormalen srčni ritem, je optična stimulacija natančnejša. S svetlobo lahko raziskovalci sledijo določenim encimom in zaslišujejo določene srčne, mišične ali živčne celice. "V bistvu lahko združimo električne in optične funkcije v en biovmesnik," je dejal Efimov. "Ker je grafen optično prozoren, ga lahko dejansko beremo, kar nam daje veliko večjo gostoto branja."

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• Kovanje prihodnosti z Adryenn Ashley. Dostopite tukaj.
• vir: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62828.php