Grafen 'dövme' Kardiyak Aritmiyi Işıkla Tedavi Ediyor

Plato tarafından yeniden yayınlandı

İzleyiciler: 0

17 Nis 2023 (Nanowerk Haberleri) Northwestern Üniversitesi ve Austin'deki Texas Üniversitesi (UT) liderliğindeki araştırmacılar, malzemeden yapılan ilk kalp implantını geliştirdiler. grafenultra güçlü, hafif ve iletken özelliklere sahip iki boyutlu bir süper malzeme. Görünüm olarak bir çocuğun geçici dövmesine benzeyen yeni grafen “dövme” implantı, tek bir saç telinden daha ince olmasına rağmen yine de klasik bir kalp pili gibi işlev görüyor. Ancak mekanik olarak vücutla uyumsuz sert malzemeler gerektiren mevcut kalp pilleri ve implante defibrilatörlerin aksine, yeni cihaz, düzensiz kalp atışlarını aynı anda algılayıp tedavi etmek için kalbe yumuşak bir şekilde karışıyor. İmplant, kalbin hassas hatlarına uyum sağlayacak kadar ince ve esnek olmasının yanı sıra, atan bir kalbin dinamik hareketlerine dayanabilecek kadar da esnek ve güçlüdür. Cihazı bir fare modeline yerleştirdikten sonra araştırmacılar, grafen dövmenin düzensiz kalp ritimlerini başarılı bir şekilde algılayabildiğini ve ardından kalbin doğal hareketlerini kısıtlamadan veya değiştirmeden bir dizi darbe yoluyla elektriksel uyarı verebildiğini gösterdi. Daha da iyisi: Teknoloji aynı zamanda optik olarak şeffaftır ve araştırmacıların harici bir optik ışık kaynağı kullanarak kalbi cihaz aracılığıyla kaydetmesine ve uyarmasına olanak tanır.

İnsan kalbindeki grafen dövmesinin çizimi

İnsan kalbindeki grafen dövmesinin illüstrasyonu. (Resim: Zexu Lin, Northwestern Üniversitesi) Dergide yayımlanan çalışma Gelişmiş malzemeler (“Kardiyak aritmi tanısı ve tedavisi için grafen biyoarayüz”). Bu, bugüne kadar bilinen en ince kalp implantıdır. Northwestern'den çalışmanın kıdemli yazarı Igor Efimov, "Mevcut kalp pilleri ve defibrilatörlerin karşılaştığı zorluklardan biri, bunların kalp yüzeyine yapıştırılmasının zor olmasıdır" dedi. "Örneğin defibrilatör elektrotları aslında çok kalın tellerden yapılmış bobinlerdir. Bu teller esnek değildir ve kırılırlar. Kalp gibi yumuşak dokularla olan sert arayüzler çeşitli komplikasyonlara neden olabilir. Buna karşılık, yumuşak, esnek cihazımız sadece göze çarpmamakla kalmıyor, aynı zamanda daha hassas ölçümler sağlamak için doğrudan kalbe tam ve kusursuz bir şekilde uyum sağlıyor." Deneysel bir kardiyolog olan Efimov, Northwestern McCormick Mühendislik Okulu'nda biyomedikal mühendisliği profesörü ve Northwestern Üniversitesi Feinberg Tıp Fakültesi'nde tıp profesörüdür. Çalışmayı UT'de araştırma görevlisi olan Dmitry Kireev ile birlikte yönetti. Zexu Lin, Ph.D. Efimov'un laboratuvarındaki aday, makalenin ilk yazarıdır.

Mucize malzeme

Kardiyak aritmiler olarak bilinen kalp ritmi bozuklukları, kalbin çok hızlı ya da çok yavaş atması sonucu ortaya çıkar. Bazı aritmi vakaları ciddi olmasa da çoğu vaka kalp yetmezliğine, felce ve hatta ani ölüme yol açabilir. Aslında aritmiye bağlı komplikasyonlar Amerika Birleşik Devletleri'nde yılda yaklaşık 300,000 kişinin ölümüne neden oluyor. Doktorlar genellikle aritmiyi, anormal kalp atışlarını algılayan ve daha sonra elektriksel uyarıyla ritmi düzelten implante edilebilir kalp pilleri ve defibrilatörlerle tedavi ederler. Bu cihazlar hayat kurtarıcı olsa da, sert yapıları kalbin doğal hareketlerini kısıtlayabilir, yumuşak dokulara zarar verebilir, geçici rahatsızlığa neden olabilir ve ağrılı şişlik, delinme, kan pıhtılaşması, enfeksiyon ve daha fazlası gibi komplikasyonlara neden olabilir. Bu zorlukları göz önünde bulundurarak Efimov ve ekibi, yumuşak, dinamik dokulara uyum sağlamak için ideal, biyo-uyumlu bir cihaz geliştirmeye çalıştı. Birden fazla materyali inceledikten sonra araştırmacılar, karbonun atomik olarak ince bir formu olan grafen üzerinde karar kıldılar. Ultra güçlü, hafif yapısı ve üstün iletkenliği ile grafen, yüksek performanslı elektronikler, yüksek mukavemetli malzemeler ve enerji cihazlarında birçok uygulama için potansiyele sahiptir. Efimov, "Biyo-uyumluluk nedeniyle grafen özellikle çekici" dedi. “Karbon yaşamın temelidir, dolayısıyla farklı klinik uygulamalarda halihazırda kullanılan güvenli bir malzemedir. Aynı zamanda esnek ve yumuşaktır; elektronik ile yumuşak, mekanik olarak aktif bir organ arasında bir arayüz olarak iyi çalışır.” Grafen kalp dövmeleri

Dövme kağıdına grafen implantı. (Resim: Ning Liu, Austin Texas Üniversitesi)

Dayak atan bir hedefi vurmak

UT'de çalışmanın ortak yazarları Dimitry Kireev ve Deji Akinwande, halihazırda algılama yetenekleri olan grafen elektronik dövmeler (GET'ler) geliştiriyorlardı. Ekibinin esnek ve ağırlıksız e-dövmeleri, kan basıncı ve beyin, kalp ve kasların elektriksel aktivitesi de dahil olmak üzere vücudun yaşamsal belirtilerini sürekli olarak izlemek için cilde yapışıyor. Ancak e-dövmeler cilt yüzeyinde iyi çalışıyor olsa da, Efimov ekibinin bu cihazları vücudun içinde, doğrudan kalbin yüzeyinde kullanmak için yeni yöntemler araştırması gerekiyordu. Efimov, "Bu tamamen farklı bir uygulama şeması" dedi. “Cildi nispeten kuru ve kolayca erişilebilir. Açıkçası, kalp göğsün içinde, bu yüzden ıslak bir ortamda ona ulaşmak zor.” Araştırmacılar, grafen dövmesini kaplayıp atan kalbin yüzeyine yapıştırmak için tamamen yeni bir teknik geliştirdiler. İlk olarak, grafeni esnek, elastik bir silikon membran içine kapsüllediler; iç grafen elektroduna erişim sağlamak için içine bir delik açıldı. Daha sonra, grafen ile kalbi ölçmek ve uyarmak için kullanılan harici elektronikler arasında elektriksel bir ara bağlantı görevi görmek üzere kapsülleyici katmanın üzerine altın bandı (10 mikron kalınlığında) yavaşça yerleştirdiler. Sonunda onu kalbin üzerine yerleştirdiler. Tüm katmanların toplam kalınlığı toplamda yaklaşık 100 mikron kadardır. Ortaya çıkan cihaz, vücut sıcaklığında aktif olarak atan bir kalpte 60 gün boyunca stabildi; bu, kalıcı kalp pillerine köprü olarak kullanılan geçici kalp pillerinin veya ameliyat veya diğer tedavilerden sonra ritim yönetiminin süresiyle karşılaştırılabilir.

Optik fırsatlar

Cihazın şeffaf doğasından yararlanan Efimov ve ekibi, hayvanlar üzerinde yapılan çalışmada kalp ritmini izlemek ve düzenlemek için ışık kullanarak optokardiyografi gerçekleştirdi. Bu yaklaşım sadece kalp rahatsızlıklarını teşhis ve tedavi etmek için yeni bir yol sunmakla kalmıyor, aynı zamanda tek hücreleri ışıkla kontrol etme ve izleme yöntemi olan optogenetik için de yeni olanaklar sunuyor. Elektriksel uyarım kalbin anormal ritmini düzeltebilirken, optik uyarım daha kesindir. Işık sayesinde araştırmacılar belirli enzimleri takip edebildiği gibi belirli kalp, kas veya sinir hücrelerini de sorgulayabiliyor. Efimov, "Aslında elektrik ve optik fonksiyonları tek bir biyo-arayüzde birleştirebiliriz" dedi. "Grafen optik olarak şeffaf olduğu için aslında onu okuyabiliyoruz, bu da bize çok daha yüksek bir okuma yoğunluğu sağlıyor."