Графенове «татуювання» лікує серцеву аритмію світлом

17 квітня 2023 (Новини Nanowerk) Дослідники під керівництвом Північно-Західного університету та Техаського університету в Остіні (Юта) розробили перший серцевий імплантат, виготовлений з графен, двовимірний суперматеріал із надміцними, легкими та провідними властивостями. Зовні схожий на дитяче тимчасове татуювання, новий графеновий імплантат «татуювання» тонший за одне пасмо волосся, але все ще функціонує як класичний кардіостимулятор. Але на відміну від нинішніх кардіостимуляторів і імплантованих дефібриляторів, для роботи з якими потрібні тверді, тверді матеріали, механічно несумісні з тілом, новий пристрій м’яко зливається із серцем, щоб одночасно відчувати та лікувати нерегулярне серцебиття. Імплантат досить тонкий і гнучкий, щоб відповідати делікатним контурам серця, а також досить еластичний і міцний, щоб витримати динамічні рухи серця, що б’ється. Після імплантації пристрою в модель щура дослідники продемонстрували, що графенове татуювання може успішно відчувати нерегулярні серцеві ритми, а потім забезпечувати електричну стимуляцію серією імпульсів, не обмежуючи та не змінюючи природних рухів серця. Навіть краще: технологія також є оптично прозорою, що дозволяє дослідникам використовувати зовнішнє джерело оптичного світла для запису та стимуляції серця через пристрій. Ілюстрація графенового татуювання на серці людини. (Зображення: Zexu Lin, Northwestern University) Дослідження опубліковано в журналі нові матеріали («Графеновий біоінтерфейс для діагностики та лікування серцевої аритмії»). Це найтонший відомий серцевий імплантат на сьогоднішній день. «Однією з проблем сучасних кардіостимуляторів і дефібриляторів є те, що їх важко прикріпити до поверхні серця», — сказав Ігор Єфімов з Northwestern, старший автор дослідження. «Наприклад, електроди дефібрилятора — це, по суті, котушки, зроблені з дуже товстого дроту. Ці дроти не гнучкі і ламаються. Жорсткі контакти з м’якими тканинами, такими як серце, можуть викликати різні ускладнення. Навпаки, наш м’який, гнучкий пристрій не тільки ненав’язливий, але також щільно та бездоганно прилягає безпосередньо до серця, щоб забезпечити більш точні вимірювання». Кардіолог-експериментатор, Єфімов є професором біомедичної інженерії в Інженерній школі Маккорміка Північно-Західного університету та професором медицини в медичній школі Фейнберга Північно-Західного університету. Він керував дослідженням разом із Дмитром Кірєєвим, науковим співробітником UT. Зексу Лінь, доктор філософії кандидат в лабораторію Єфімова, є першим автором статті.

Чудо-матеріал

Відомі як серцеві аритмії, порушення серцевого ритму виникають, коли серце б’ється надто швидко або надто повільно. Хоча деякі випадки аритмії не є серйозними, багато випадків можуть призвести до серцевої недостатності, інсульту та навіть раптової смерті. Насправді ускладнення, пов’язані з аритмією, щороку забирають близько 300,000 XNUMX життів у Сполучених Штатах. Лікарі зазвичай лікують аритмію за допомогою імплантованих кардіостимуляторів і дефібриляторів, які виявляють аномальне серцебиття, а потім коригують ритм за допомогою електричної стимуляції. Хоча ці пристрої рятують життя, їхня жорсткість може обмежувати природні рухи серця, травмувати м’які тканини, спричиняти тимчасовий дискомфорт і викликати ускладнення, такі як хворобливі набряки, перфорації, згустки крові, інфекції тощо. Пам’ятаючи про ці проблеми, Єфімов і його команда прагнули розробити біосумісний пристрій, ідеальний для адаптації до м’яких динамічних тканин. Переглянувши кілька матеріалів, дослідники зупинилися на графені, атомно тонкій формі вуглецю. Завдяки своїй надміцній, легкій структурі та чудовій провідності графен має потенціал для багатьох застосувань у високопродуктивній електроніці, високоміцних матеріалах та енергетичних пристроях. «З міркувань біосумісності графен особливо привабливий», — сказав Єфімов. «Вуглець є основою життя, тому це безпечний матеріал, який уже використовується в різних клінічних застосуваннях. Він також гнучкий і м’який, що добре працює як інтерфейс між електронікою та м’яким, механічно активним органом». Графеновий імплантат на папері для татуювання. (Зображення: Нін Лю, Техаський університет в Остіні)

Попадання в б'ючу ціль

В UT співавтори дослідження Димитрій Кірєєв і Деджі Акінванде вже розробляли графенові електронні татуювання (GET) із сенсорними можливостями. Гнучкі та невагомі, електронні татуювання їхньої команди приклеюються до шкіри, щоб постійно відстежувати життєво важливі показники організму, включаючи артеріальний тиск і електричну активність мозку, серця та м’язів. Але хоча електронні татуювання добре працюють на поверхні шкіри, команді Єфімова потрібно було дослідити нові методи використання цих пристроїв усередині тіла — безпосередньо на поверхні серця. «Зовсім інша схема подачі заявок», — сказав Єфімов. «Шкіра відносно суха і легкодоступна. Очевидно, що серце знаходиться всередині грудної клітки, тому до нього важко отримати доступ і у вологому середовищі». Дослідники розробили абсолютно нову техніку, щоб помістити графенове татуювання та прикріпити його до поверхні серця, що б’ється. Спочатку вони інкапсулювали графен всередину гнучкої еластичної силіконової мембрани — з отвором у ній, щоб забезпечити доступ до внутрішнього графенового електрода. Потім вони обережно помістили золоту стрічку (товщиною 10 мікрон) на шар інкапсуляції, щоб служити електричним з’єднанням між графеном і зовнішньою електронікою, яка використовується для вимірювання та стимуляції серця. Нарешті вони поклали його на серце. Загальна товщина всіх шарів становить приблизно 100 мікрон. Отриманий пристрій був стабільним протягом 60 днів на активно б’ється серці при температурі тіла, що можна порівняти з тривалістю роботи тимчасових кардіостимуляторів, які використовуються як мости до постійних кардіостимуляторів або керування ритмом після операції чи інших методів лікування.

Оптичні можливості

Використовуючи прозорість пристрою, Єфімов і його команда провели оптокардіографію — використовуючи світло для відстеження та модуляції серцевого ритму — під час дослідження на тваринах. Це не тільки пропонує новий спосіб діагностики та лікування серцевих захворювань, цей підхід також відкриває нові можливості для оптогенетики, методу контролю та моніторингу окремих клітин за допомогою світла. У той час як електрична стимуляція може виправити аномальний серцевий ритм, оптична стимуляція є більш точною. За допомогою світла дослідники можуть відстежувати певні ферменти, а також опитувати конкретні клітини серця, м’язів або нервів. «Ми можемо по суті поєднати електричні та оптичні функції в одному біоінтерфейсі», — сказав Єфімов. «Оскільки графен оптично прозорий, ми фактично можемо читати крізь нього, що дає нам набагато вищу щільність зчитування».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• джерело: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62828.php