Graphene 'tattoo' Treats Cardiac Arrhythmia With Light

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

17 Tháng Tư, 2023 (Tin tức Nanowerk) Các nhà nghiên cứu do Đại học Northwestern và Đại học Texas ở Austin (UT) dẫn đầu đã phát triển thiết bị cấy ghép tim đầu tiên được làm từ graphene, một siêu vật liệu hai chiều có đặc tính siêu bền, nhẹ và dẫn điện. Có hình dáng tương tự như hình xăm tạm thời của trẻ em, “hình xăm” cấy ghép graphene mới mỏng hơn một sợi tóc nhưng vẫn hoạt động giống như máy điều hòa nhịp tim cổ điển. Nhưng không giống như máy tạo nhịp tim hiện tại và máy khử rung tim được cấy ghép, vốn đòi hỏi vật liệu cứng, không tương thích về mặt cơ học với cơ thể, thiết bị mới nhẹ nhàng kết hợp với tim để đồng thời cảm nhận và điều trị nhịp tim không đều. Bộ cấy đủ mỏng và linh hoạt để phù hợp với những đường nét mỏng manh của tim cũng như đủ co giãn và chắc chắn để chịu được những chuyển động năng động của trái tim đang đập. Sau khi cấy thiết bị vào mô hình chuột, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng hình xăm graphene có thể cảm nhận thành công nhịp tim không đều và sau đó cung cấp kích thích điện thông qua một loạt xung mà không hạn chế hoặc thay đổi chuyển động tự nhiên của tim. Thậm chí tốt hơn: Công nghệ này còn trong suốt về mặt quang học, cho phép các nhà nghiên cứu sử dụng nguồn ánh sáng quang học bên ngoài để ghi lại và kích thích tim thông qua thiết bị.

Minh họa hình xăm graphene trên trái tim con người. (Ảnh: Zexu Lin, Đại học Northwestern) Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Vật liệu tiên tiến (“Giao diện sinh học graphene để chẩn đoán và điều trị rối loạn nhịp tim”). Nó đánh dấu cấy ghép tim mỏng nhất được biết đến cho đến nay. Igor Efimov, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Một trong những thách thức đối với máy điều hòa nhịp tim và máy khử rung tim hiện nay là chúng khó gắn vào bề mặt của tim”. “Ví dụ, các điện cực của máy khử rung tim về cơ bản là những cuộn dây được làm từ những sợi dây rất dày. Những dây này không linh hoạt và chúng bị đứt. Các bề mặt tiếp xúc cứng nhắc với các mô mềm, như tim, có thể gây ra nhiều biến chứng khác nhau. Ngược lại, thiết bị mềm, linh hoạt của chúng tôi không chỉ kín đáo mà còn gắn chặt và liền mạch trực tiếp vào tim để mang lại số đo chính xác hơn.” Là một bác sĩ tim mạch thực nghiệm, Efimov là giáo sư kỹ thuật y sinh tại Trường Kỹ thuật McCormick của Northwestern và là giáo sư y khoa tại Trường Y Feinberg thuộc Đại học Northwestern. Ông đồng chủ trì nghiên cứu với Dmitry Kireev, một cộng tác viên nghiên cứu tại UT. Zexu Lin, tiến sĩ. ứng cử viên trong phòng thí nghiệm của Efimov, là tác giả đầu tiên của bài báo.

Chất liệu kì diệu

Được gọi là rối loạn nhịp tim, rối loạn nhịp tim xảy ra khi tim đập quá nhanh hoặc quá chậm. Trong khi một số trường hợp rối loạn nhịp tim không nghiêm trọng thì nhiều trường hợp có thể dẫn đến suy tim, đột quỵ và thậm chí đột tử. Trên thực tế, các biến chứng liên quan đến chứng rối loạn nhịp tim đã cướp đi sinh mạng của khoảng 300,000 người mỗi năm ở Hoa Kỳ. Các bác sĩ thường điều trị chứng loạn nhịp tim bằng máy tạo nhịp tim và máy khử rung tim cấy ghép để phát hiện nhịp tim bất thường và sau đó điều chỉnh nhịp tim bằng kích thích điện. Mặc dù các thiết bị này có tác dụng cứu mạng nhưng bản chất cứng nhắc của chúng có thể hạn chế chuyển động tự nhiên của tim, làm tổn thương các mô mềm, gây khó chịu tạm thời và gây ra các biến chứng, chẳng hạn như sưng đau, thủng, đông máu, nhiễm trùng, v.v. Với những thách thức này, Efimov và nhóm của ông đã tìm cách phát triển một thiết bị tương thích sinh học lý tưởng để phù hợp với các mô mềm, năng động. Sau khi xem xét nhiều vật liệu, các nhà nghiên cứu đã quyết định chọn graphene, một dạng carbon mỏng cấp nguyên tử. Với cấu trúc siêu bền, nhẹ và độ dẫn điện vượt trội, graphene có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực điện tử hiệu suất cao, vật liệu cường độ cao và thiết bị năng lượng. Efimov cho biết: “Vì lý do tương thích sinh học, graphene đặc biệt hấp dẫn”. “Carbon là nền tảng của sự sống, vì vậy đây là vật liệu an toàn đã được sử dụng trong các ứng dụng lâm sàng khác nhau. Nó cũng linh hoạt và mềm mại, hoạt động tốt như một giao diện giữa thiết bị điện tử và cơ quan mềm hoạt động cơ học.” Hình xăm trái tim bằng graphene

Cấy Graphene lên giấy xăm. (Ảnh: Ning Liu, Đại học Texas ở Austin)

Đánh trúng mục tiêu

Tại UT, đồng tác giả nghiên cứu Dimitry Kireev và Deji Akinwande đã phát triển hình xăm điện tử graphene (GET) với khả năng cảm biến. Linh hoạt và không trọng lượng, các hình xăm điện tử của nhóm họ bám vào da để liên tục theo dõi các dấu hiệu quan trọng của cơ thể, bao gồm huyết áp và hoạt động điện của não, tim và cơ. Tuy nhiên, trong khi hình xăm điện tử hoạt động tốt trên bề mặt da, nhóm của Efimov cần nghiên cứu các phương pháp mới để sử dụng các thiết bị này bên trong cơ thể - trực tiếp lên bề mặt của tim. “Đó là một sơ đồ ứng dụng hoàn toàn khác,” Efimov nói. “Da tương đối khô và dễ tiếp cận. Rõ ràng, trái tim nằm trong lồng ngực nên rất khó tiếp cận và ở trong môi trường ẩm ướt.” Các nhà nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật hoàn toàn mới để bao bọc hình xăm graphene và dán nó lên bề mặt của một trái tim đang đập. Đầu tiên, họ bọc graphene bên trong một màng silicon dẻo, đàn hồi – với một lỗ được đục trên đó để tiếp cận điện cực graphene bên trong. Sau đó, họ nhẹ nhàng đặt dải băng vàng (có độ dày 10 micron) lên lớp bao bọc để làm kết nối điện giữa graphene và các thiết bị điện tử bên ngoài dùng để đo và kích thích tim. Cuối cùng, họ đặt nó vào trái tim. Toàn bộ độ dày của tất cả các lớp có tổng cộng khoảng 100 micron. Thiết bị thu được đã ổn định trong 60 ngày trên quả tim đang đập tích cực ở nhiệt độ cơ thể, tương đương với thời gian của máy điều hòa nhịp tim tạm thời được sử dụng làm cầu nối cho máy điều hòa nhịp tim vĩnh viễn hoặc quản lý nhịp sau phẫu thuật hoặc các liệu pháp khác.

cơ hội quang học

Tận dụng tính chất trong suốt của thiết bị, Efimov và nhóm của ông đã thực hiện phương pháp đo quang tim – sử dụng ánh sáng để theo dõi và điều chỉnh nhịp tim – trong nghiên cứu trên động vật. Điều này không chỉ mang lại một phương pháp mới để chẩn đoán và điều trị bệnh tim, phương pháp này còn mở ra những khả năng mới cho quang di truyền học, một phương pháp kiểm soát và theo dõi các tế bào đơn lẻ bằng ánh sáng. Trong khi kích thích điện có thể điều chỉnh nhịp tim bất thường thì kích thích quang học lại chính xác hơn. Với ánh sáng, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi các enzyme cụ thể cũng như thẩm vấn các tế bào tim, cơ hoặc thần kinh cụ thể. Efimov cho biết: “Về cơ bản, chúng tôi có thể kết hợp các chức năng điện và quang vào một giao diện sinh học. “Bởi vì graphene trong suốt về mặt quang học nên chúng tôi thực sự có thể đọc qua nó, điều này mang lại cho chúng tôi mật độ đọc cao hơn nhiều.”