Grafen "tatuering" behandlar hjärtarytmi med ljus

Grafen "tatuering" behandlar hjärtarytmi med ljus

Tidsstämpel: 17 april 2023 4:41
Källnod: 2591678
17 april 2023 (Nanowerk Nyheter) Forskare ledda av Northwestern University och University of Texas i Austin (UT) har utvecklat det första hjärtimplantatet tillverkat av grafen, ett tvådimensionellt supermaterial med ultrastarka, lätta och ledande egenskaper. Liknande utseende som ett barns tillfälliga tatuering, är det nya grafen-"tatuering"-implantatet tunnare än ett enda hårstrå men fungerar fortfarande som en klassisk pacemaker. Men till skillnad från nuvarande pacemakers och implanterade defibrillatorer, som kräver hårda, styva material som är mekaniskt inkompatibla med kroppen, smälter den nya enheten mjukt ihop med hjärtat för att samtidigt känna av och behandla oregelbundna hjärtslag. Implantatet är tillräckligt tunt och flexibelt för att anpassa sig till hjärtats ömtåliga konturer samt stretchigt och starkt nog att motstå de dynamiska rörelserna av ett bankande hjärta. Efter att ha implanterat enheten i en råttmodell, visade forskarna att grafentatueringen framgångsrikt kunde känna av oregelbundna hjärtrytmer och sedan leverera elektrisk stimulering genom en serie pulser utan att begränsa eller ändra hjärtats naturliga rörelser. Ännu bättre: Tekniken är också optiskt transparent, vilket gör att forskarna kan använda en extern källa av optiskt ljus för att spela in och stimulera hjärtat genom enheten. Illustration av grafentatueringen på ett mänskligt hjärta Illustration av grafentatueringen på ett mänskligt hjärta. (Bild: Zexu Lin, Northwestern University) Studien publicerad i tidskriften Advanced Materials ("Graphene biointerface för diagnos och behandling av hjärtarytmi"). Det markerar det tunnaste kända hjärtimplantatet hittills. "En av utmaningarna för nuvarande pacemakers och defibrillatorer är att de är svåra att fästa på hjärtats yta", säger Northwesterns Igor Efimov, studiens seniorförfattare. "Defibrillatorelektroder, till exempel, är i huvudsak spolar gjorda av mycket tjocka ledningar. Dessa trådar är inte flexibla och de går sönder. Stela gränssnitt med mjuka vävnader, som hjärtat, kan orsaka olika komplikationer. Däremot är vår mjuka, flexibla enhet inte bara diskret utan anpassar sig också intimt och sömlöst direkt till hjärtat för att leverera mer exakta mätningar.” En experimentell kardiolog, Efimov är professor i biomedicinsk teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering och professor i medicin vid Northwestern University Feinberg School of Medicine. Han ledde studien tillsammans med Dmitry Kireev, en forskarassistent vid UT. Zexu Lin, en Ph.D. kandidat i Efimovs laboratorium, är tidningens första författare.

Mirakelmaterial

Känd som hjärtarytmier, hjärtrytmrubbningar uppstår när hjärtat slår antingen för snabbt eller för långsamt. Även om vissa fall av arytmi inte är allvarliga, kan många fall leda till hjärtsvikt, stroke och till och med plötslig död. Faktum är att komplikationer relaterade till arytmi kräver cirka 300,000 XNUMX liv årligen i USA. Läkare behandlar vanligtvis arytmier med implanterbara pacemakers och defibrillatorer som upptäcker onormala hjärtslag och sedan korrigerar rytmen med elektrisk stimulering. Även om dessa enheter är livräddande, kan deras stela natur begränsa hjärtats naturliga rörelser, skada mjuka vävnader, orsaka tillfälligt obehag och framkalla komplikationer, såsom smärtsam svullnad, perforationer, blodproppar, infektion och mer. Med dessa utmaningar i åtanke, försökte Efimov och hans team att utveckla en biokompatibel enhet idealisk för att anpassa sig till mjuka, dynamiska vävnader. Efter att ha granskat flera material, slog forskarna sig på grafen, en atomärt tunn form av kol. Med sin ultrastarka, lätta struktur och överlägsna konduktivitet har grafen potential för många tillämpningar inom högpresterande elektronik, höghållfasta material och energienheter. "Av biokompatibilitetsskäl är grafen särskilt attraktivt," sa Efimov. ”Kol är grunden för livet, så det är ett säkert material som redan används i olika kliniska tillämpningar. Den är också flexibel och mjuk, vilket fungerar bra som ett gränssnitt mellan elektronik och ett mjukt, mekaniskt aktivt organ.” Grafen hjärtatatueringar Grafenimplantat på tatueringspapper. (Bild: Ning Liu, University of Texas i Austin)

Att träffa ett slagen mål

Vid UT utvecklade studiemedförfattarna Dimitry Kireev och Deji Akinwande redan grafen elektroniska tatueringar (GET) med avkänningskapacitet. Flexibla och viktlösa, deras teams e-tatueringar fäster på huden för att kontinuerligt övervaka kroppens vitala tecken, inklusive blodtryck och den elektriska aktiviteten i hjärnan, hjärtat och musklerna. Men medan e-tatueringarna fungerar bra på hudens yta, behövde Efimovs team undersöka nya metoder för att använda dessa enheter inuti kroppen - direkt på hjärtats yta. "Det är ett helt annat applikationsschema," sa Efimov. ”Huden är relativt torr och lättillgänglig. Uppenbarligen är hjärtat inne i bröstet, så det är svårt att komma åt och i en våt miljö.” Forskarna utvecklade en helt ny teknik för att omsluta grafentatueringen och fästa den på ytan av ett bankande hjärta. Först kapslade de grafenet inuti ett flexibelt, elastiskt silikonmembran - med ett hål i det för att ge tillgång till den inre grafenelektroden. Sedan placerade de försiktigt guldtejp (med en tjocklek av 10 mikron) på det inkapslande lagret för att fungera som en elektrisk sammankoppling mellan grafenet och den externa elektroniken som används för att mäta och stimulera hjärtat. Till slut placerade de den på hjärtat. Hela tjockleken på alla lager tillsammans mäter cirka 100 mikron totalt. Den resulterande enheten var stabil i 60 dagar på ett aktivt slagande hjärta vid kroppstemperatur, vilket är jämförbart med varaktigheten av temporära pacemakers som används som bryggor till permanenta pacemakers eller rytmhantering efter operation eller andra terapier.

Optiska möjligheter

Med hjälp av enhetens transparenta natur utförde Efimov och hans team optokardiografi - med hjälp av ljus för att spåra och modulera hjärtrytmen - i djurstudien. Detta erbjuder inte bara ett nytt sätt att diagnostisera och behandla hjärtsjukdomar, tillvägagångssättet öppnar också nya möjligheter för optogenetik, en metod för att kontrollera och övervaka enskilda celler med ljus. Medan elektrisk stimulering kan korrigera ett hjärtas onormala rytm, är optisk stimulering mer exakt. Med ljus kan forskare spåra specifika enzymer samt förhöra specifika hjärt-, muskel- eller nervceller. "Vi kan i huvudsak kombinera elektriska och optiska funktioner till ett biogränssnitt," sa Efimov. "Eftersom grafen är optiskt transparent kan vi faktiskt läsa igenom det, vilket ger oss en mycket högre avläsningstäthet."

Tidsstämpel:

Mer från Nanoverk