Graphene 'รอยสัก' รักษาภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะด้วยแสง

17 เม.ย. 2023 (ข่าวนาโนเวิร์ค) นักวิจัยที่นำโดย Northwestern University และ University of Texas at Austin (UT) ได้พัฒนาอุปกรณ์ปลูกถ่ายหัวใจชิ้นแรกที่ทำจาก กราฟีนซึ่งเป็นวัสดุซุปเปอร์สองมิติที่มีคุณสมบัติแข็งแรงเป็นพิเศษ น้ำหนักเบา และเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า กราฟีน “รอยสัก” ที่ปลูกถ่ายใหม่มีลักษณะคล้ายกับรอยสักชั่วคราวของเด็ก โดยมีความบางกว่าเส้นผมเพียงเส้นเดียว แต่ยังคงทำงานเหมือนกับเครื่องกระตุ้นหัวใจแบบคลาสสิก แต่แตกต่างจากเครื่องกระตุ้นหัวใจและเครื่องกระตุ้นหัวใจแบบฝังในปัจจุบันซึ่งต้องใช้วัสดุแข็งและแข็งซึ่งกลไกเข้ากันไม่ได้กับร่างกาย อุปกรณ์ใหม่จะผสานเข้ากับหัวใจอย่างนุ่มนวลเพื่อรับรู้และรักษาการเต้นของหัวใจที่ผิดปกติไปพร้อมๆ กัน รากฟันเทียมมีความบางและยืดหยุ่นพอที่จะปรับให้เข้ากับรูปทรงที่ละเอียดอ่อนของหัวใจ อีกทั้งมีความยืดหยุ่นและแข็งแรงพอที่จะทนต่อการเคลื่อนไหวแบบไดนามิกของหัวใจที่เต้นอยู่ หลังจากปลูกฝังอุปกรณ์ดังกล่าวเป็นแบบจำลองหนู นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่ารอยสักกราฟีนสามารถรับรู้จังหวะการเต้นของหัวใจที่ผิดปกติได้สำเร็จ จากนั้นจึงส่งการกระตุ้นทางไฟฟ้าผ่านชุดพัลส์ต่างๆ โดยไม่บังคับหรือเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติของหัวใจ ยิ่งไปกว่านั้น: เทคโนโลยีนี้ยังมีความโปร่งใสในการมองเห็นอีกด้วย ช่วยให้นักวิจัยสามารถใช้แหล่งกำเนิดแสงจากแสงภายนอกเพื่อบันทึกและกระตุ้นหัวใจผ่านอุปกรณ์ได้ ภาพประกอบของรอยสักกราฟีนบนหัวใจมนุษย์ (ภาพ: Zexu Lin, Northwestern University) การศึกษาที่ตีพิมพ์ในวารสาร วัสดุขั้นสูง (“กราฟีนไบโออินเทอร์เฟซสำหรับการวินิจฉัยและการรักษาภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ”). โดยถือเป็นการปลูกถ่ายหัวใจที่บางที่สุดที่รู้จักจนถึงปัจจุบัน “หนึ่งในความท้าทายสำหรับเครื่องกระตุ้นหัวใจและเครื่องกระตุ้นหัวใจในปัจจุบันก็คือ พวกมันยากที่จะติดบนพื้นผิวของหัวใจ” อิกอร์ เอฟิมอฟ จาก Northwestern ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษาวิจัยกล่าว “อิเล็กโทรดของเครื่องกระตุ้นหัวใจโดยพื้นฐานแล้วเป็นขดลวดที่ทำจากสายไฟที่หนามาก สายไฟเหล่านี้ไม่ยืดหยุ่นและขาด การเชื่อมต่อกับเนื้อเยื่ออ่อน เช่น หัวใจ อาจทำให้เกิดอาการแทรกซ้อนต่างๆ ได้ ในทางตรงกันข้าม อุปกรณ์ที่นุ่มนวลและยืดหยุ่นของเราไม่เพียงแต่ไม่เกะกะเท่านั้น แต่ยังปรับให้เข้ากับหัวใจโดยตรงและไร้รอยต่อเพื่อให้การวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้น” Efimov เป็นแพทย์โรคหัวใจทดลอง เป็นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์ที่ McCormick School of Engineering ของ Northwestern และเป็นศาสตราจารย์ด้านการแพทย์ที่ Northwestern University Feinberg School of Medicine เขาร่วมเป็นผู้นำการศึกษาร่วมกับ Dmitry Kireev ผู้ร่วมงานวิจัยของ UT Zexu Lin ปริญญาเอก ผู้สมัครในห้องทดลองของ Efimov เป็นผู้เขียนบทความคนแรก

วัสดุมหัศจรรย์

เรียกว่าภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะ ความผิดปกติของจังหวะการเต้นของหัวใจเกิดขึ้นเมื่อหัวใจเต้นเร็วเกินไปหรือช้าเกินไป แม้ว่าบางกรณีของภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะจะไม่ร้ายแรง แต่หลายกรณีอาจทำให้เกิดภาวะหัวใจล้มเหลว โรคหลอดเลือดสมอง และอาจถึงขั้นเสียชีวิตกะทันหันได้ ในความเป็นจริง ภาวะแทรกซ้อนที่เกี่ยวข้องกับภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะคร่าชีวิตผู้คนประมาณ 300,000 รายต่อปีในสหรัฐอเมริกา แพทย์มักรักษาภาวะหัวใจเต้นผิดปกติด้วยเครื่องกระตุ้นหัวใจและเครื่องกระตุ้นหัวใจแบบฝัง ซึ่งจะตรวจจับการเต้นของหัวใจผิดปกติ จากนั้นแก้ไขจังหวะด้วยการกระตุ้นด้วยไฟฟ้า แม้ว่าอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยชีวิตได้ แต่ลักษณะที่เข้มงวดอาจจำกัดการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติของหัวใจ ทำร้ายเนื้อเยื่ออ่อน ทำให้รู้สึกไม่สบายชั่วคราว และทำให้เกิดอาการแทรกซ้อน เช่น อาการบวมที่เจ็บปวด การเจาะทะลุ ลิ่มเลือด การติดเชื้อ และอื่นๆ เมื่อคำนึงถึงความท้าทายเหล่านี้ Efimov และทีมงานของเขาจึงพยายามพัฒนาอุปกรณ์ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการปรับให้เข้ากับเนื้อเยื่ออ่อนที่เคลื่อนไหวได้ หลังจากตรวจสอบวัสดุหลายชนิดแล้ว นักวิจัยก็ตัดสินใจเลือกกราฟีน ซึ่งเป็นคาร์บอนรูปแบบบางที่มีอะตอม ด้วยโครงสร้างที่แข็งแกร่งเป็นพิเศษ น้ำหนักเบา และการนำไฟฟ้าที่เหนือกว่า กราฟีนมีศักยภาพสำหรับการใช้งานหลายอย่างในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง วัสดุที่มีความแข็งแรงสูง และอุปกรณ์พลังงาน “ด้วยเหตุผลด้านความเข้ากันได้ทางชีวภาพ กราฟีนจึงมีความน่าสนใจเป็นพิเศษ” Efimov กล่าว “คาร์บอนเป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต ดังนั้นจึงเป็นวัสดุที่ปลอดภัยซึ่งถูกนำไปใช้ในการใช้งานทางคลินิกต่างๆ นอกจากนี้ยังมีความยืดหยุ่นและอ่อนนุ่ม ซึ่งทำงานได้ดีในฐานะส่วนเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กับอวัยวะที่อ่อนนุ่มและมีกลไกการทำงาน” การฝังกราฟีนบนกระดาษสัก (ภาพ: Ning Liu มหาวิทยาลัยเท็กซัส ออสติน)

โจมตีเป้าหมายที่ตี

ที่ UT ผู้ร่วมเขียนการศึกษา Dimitry Kireev และ Deji Akinwande กำลังพัฒนารอยสักอิเล็กทรอนิกส์แบบกราฟีน (GET) ที่มีความสามารถในการตรวจจับอยู่แล้ว รอยสักอิเล็กทรอนิกส์ของทีมมีความยืดหยุ่นและไร้น้ำหนัก โดยจะยึดติดกับผิวหนังเพื่อตรวจดูสัญญาณชีพของร่างกายอย่างต่อเนื่อง รวมถึงความดันโลหิตและกิจกรรมทางไฟฟ้าของสมอง หัวใจ และกล้ามเนื้อ แต่ในขณะที่รอยสักอิเล็กทรอนิกส์ทำงานได้ดีบนพื้นผิวของผิวหนัง ทีมของ Efimov จำเป็นต้องตรวจสอบวิธีการใหม่ๆ ในการใช้อุปกรณ์เหล่านี้ภายในร่างกาย — ลงบนพื้นผิวของหัวใจโดยตรง “มันเป็นรูปแบบการใช้งานที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง” Efimov กล่าว “ผิวค่อนข้างแห้งและเข้าถึงได้ง่าย แน่นอนว่าหัวใจอยู่ในหน้าอก ดังนั้นจึงเข้าถึงได้ยากและอยู่ในสภาพแวดล้อมที่เปียกชื้น” นักวิจัยได้พัฒนาเทคนิคใหม่ทั้งหมดในการหุ้มรอยสักกราฟีนและยึดติดกับพื้นผิวของหัวใจที่กำลังเต้น ขั้นแรก พวกเขาห่อหุ้มกราฟีนไว้ภายในเมมเบรนซิลิโคนที่ยืดหยุ่นและยืดหยุ่น โดยเจาะรูเข้าไปเพื่อให้สามารถเข้าถึงอิเล็กโทรดกราฟีนภายในได้ จากนั้น พวกเขาค่อย ๆ วางเทปทองคำ (ความหนา 10 ไมครอน) ลงบนชั้นห่อหุ้มเพื่อทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมไฟฟ้าระหว่างกราฟีนและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายนอกที่ใช้ในการวัดและกระตุ้นหัวใจ ในที่สุดพวกเขาก็วางมันลงบนหัวใจ ความหนาทั้งหมดของทุกชั้นรวมกันมีความหนารวมประมาณ 100 ไมครอน อุปกรณ์ที่ได้จะเสถียรเป็นเวลา 60 วันเมื่อหัวใจเต้นแรงที่อุณหภูมิร่างกาย ซึ่งเทียบได้กับระยะเวลาของเครื่องกระตุ้นหัวใจชั่วคราวที่ใช้เป็นสะพานเชื่อมต่อกับเครื่องกระตุ้นหัวใจแบบถาวรหรือการจัดการจังหวะหลังการผ่าตัดหรือการรักษาอื่นๆ

โอกาสทางแสง

Efimov และทีมงานของเขาใช้ประโยชน์จากลักษณะที่โปร่งใสของอุปกรณ์ โดยทำการตรวจสายตาโดยใช้แสงเพื่อติดตามและปรับจังหวะการเต้นของหัวใจในการศึกษาในสัตว์ทดลอง สิ่งนี้ไม่เพียงนำเสนอวิธีใหม่ในการวินิจฉัยและรักษาโรคหัวใจเท่านั้น วิธีการนี้ยังเปิดความเป็นไปได้ใหม่ๆ สำหรับออพโตเจเนติกส์ ซึ่งเป็นวิธีการควบคุมและติดตามเซลล์เดี่ยวด้วยแสง แม้ว่าการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าสามารถแก้ไขจังหวะที่ผิดปกติของหัวใจได้ แต่การกระตุ้นด้วยแสงจะมีความแม่นยำมากกว่า ด้วยแสง นักวิจัยสามารถติดตามเอนไซม์จำเพาะ ตลอดจนซักถามเซลล์หัวใจ กล้ามเนื้อ หรือเซลล์ประสาทโดยเฉพาะ “เราสามารถรวมฟังก์ชันทางไฟฟ้าและออปติคัลไว้ในอินเทอร์เฟซทางชีวภาพเดียวได้” Efimov กล่าว “เนื่องจากกราฟีนมีความโปร่งใสเชิงแสง เราจึงสามารถอ่านผ่านกราฟได้จริง ซึ่งทำให้เรามีการอ่านข้อมูลที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นมาก”

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• การสร้างอนาคตโดย Adryenn Ashley เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62828.php