Группа исследователей во главе с Северо-Западным университетом и Техасским университетом в Остине (Юта) разработала новый графеновый сердечный имплантат толщиной примерно с прядь волос, который отслеживает и корректирует аномальные сердечные ритмы с помощью света.
Нарушения сердечного ритма — сердечные аритмии — вызваны ошибочной передачей электрических сигналов в сердце, в результате чего оно бьется слишком быстро или слишком медленно. В некоторых случаях это может привести к сердечной недостаточности, инсульту и даже внезапной смерти.
Нарушения сердечного ритма обычно лечат с помощью имплантируемых кардиостимуляторов и дефибрилляторов, которые отслеживают и корректируют аномальные ритмы. Но эти устройства негибкие и могут сдавливать сердце, вызывая повреждение тканей и дискомфорт, а также повышая риск осложнений, таких как отек, перфорация, образование тромбов и инфекции.
Новый кардиостимулятор впервые сделан из прочного, легкого, биосовместимого «суперматериала» графена и является самым тонким на сегодняшний день. В отличие от существующих имплантируемых кардиостимуляторов и дефибрилляторов, этот приспосабливается к ткани сердца и при этом достаточно прочен, чтобы выдерживать нагрузки бьющегося сердца.
«Одной из проблем современных кардиостимуляторов и дефибрилляторов является то, что их трудно прикрепить к поверхности сердца», — сказал Игорь Ефимов, старший автор исследования. «Электроды дефибриллятора, например, представляют собой катушки, сделанные из очень толстых проводов. Эти провода не гибкие, и они рвутся. Жесткие интерфейсы с мягкими тканями, такими как сердце, могут вызывать различные осложнения. В отличие от этого, наше мягкое гибкое устройство не только ненавязчиво, но и тесно и плавно прилегает непосредственно к сердцу, обеспечивая более точные измерения».
Исследователи из UT уже разрабатывали графеновую электронную татуировку с сенсорными возможностями, которая прилипает к коже для постоянного контроля жизненно важных показателей, таких как кровяное давление и электрическая активность. В текущем исследовании исследователи использовали дизайн электронной татуировки UT для разработки устройства, которое могло бы работать внутри тела.
Они начали с того, что заключили электронную татуировку в гибкую силиконовую мембрану, а затем наклеили на нее золотую ленту толщиной примерно 10 микрон. Золото действует как электрическое соединение между графеном и электроникой, используемой для измерения и стимуляции сердца. В целом общая толщина устройства составила около 100 микрон. Для сравнения, средний человеческий волос имеет толщину около 70 микрон.
Графеновый имплантат сердца на бумаге для татуировок Нинг Лю/Техасский университет в Остине
Исследователи протестировали свое устройство на крысах и обнаружили, что оно может точно обнаруживать аритмии, а затем проводить электрическую стимуляцию, не ограничивая естественное движение сердца. Он был стабилен при активном сердце при температуре тела в течение 60 дней, примерно в то же время временные кардиостимуляторы используются в качестве моста к постоянным кардиостимуляторам.
Более того, прозрачность устройства дает еще больше преимуществ, говорят исследователи, которые использовали свет для мониторинга и контроля сердечного ритма (оптокардиография) у своих крыс. Оптическая стимуляция является более точным способом коррекции аритмий, чем электрическая стимуляция, и с помощью света можно отслеживать специфические ферменты и исследовать сердечные, нервные и мышечные клетки.
«Мы можем по существу объединить электрические и оптические функции в одну. биоинтерфейс», — сказал Ефимов. «Поскольку графен оптически прозрачен, мы действительно можем читать сквозь него, что дает нам гораздо более высокую плотность считывания».
Исследователи говорят, что использование света таким образом может обеспечить новый способ диагностики и лечения. сердечные заболевания.
Исследование будет опубликовано 20 апреля 2023 г. в журнале Advanced Materials.
