Исследователи разработали революционный сердечный имплантат на основе графена

Группа исследователей под руководством Северо-Западного университета и Техасского университета в Остине (Юта) разработала сердечный имплантат на основе графена. Внешне похожий на временную татуировку, новый графеновый «татуировочный» имплантат тоньше одной пряди волос, но по-прежнему функционирует как классический кардиостимулятор. Но в отличие от нынешних кардиостимуляторов и имплантированных дефибрилляторов, для которых требуются твердые, жесткие материалы, механически несовместимые с телом, новое устройство мягко прилегает к сердцу, чтобы одновременно обнаруживать и лечить нерегулярные сердечные сокращения. Имплантат тонкий и достаточно гибкий, чтобы соответствовать тонким контурам сердца, а также эластичный и достаточно прочный, чтобы выдерживать динамические движения бьющегося сердца.

После имплантации устройства в модель крысы исследователи продемонстрировали, что графеновая татуировка может успешно обнаруживать нерегулярные сердечные ритмы, а затем доставлять электрическую стимуляцию с помощью серии импульсов, не ограничивая и не изменяя естественные движения сердца. Технология также является оптически прозрачной, что позволяет исследователям использовать внешний источник оптического света для записи и стимуляции сердца через устройство.

«Одной из проблем современных кардиостимуляторов и дефибрилляторов является то, что их трудно прикрепить к поверхности сердца», — сказал Игорь Ефимов из Northwestern, 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».

Кардиолог-экспериментатор, Ефимов является профессором биомедицинской инженерии в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета и профессором медицины в Школе медицины Файнберга Северо-Западного университета. Он руководил исследованием вместе с Дмитрием Киреевым, научным сотрудником UT. Зесю Линь, доктор философии. кандидат в лаборатории Ефимова, первый автор статьи.

Известные как сердечные аритмии, нарушения сердечного ритма возникают, когда сердце бьется либо слишком быстро, либо слишком медленно. Хотя некоторые случаи аритмии не являются серьезными, многие случаи могут привести к сердечной недостаточности, инсульту и даже внезапной смерти. Фактически осложнения, связанные с аритмией, ежегодно уносят около 300 000 жизней в Соединенных Штатах. Врачи обычно лечат аритмию с помощью имплантируемых кардиостимуляторов и дефибрилляторов, которые обнаруживают аномальные сердечные сокращения, а затем корректируют ритм с помощью электрической стимуляции. Хотя эти устройства спасают жизни, их жесткая природа может ограничивать естественные движения сердца, повреждать мягкие ткани, вызывать временный дискомфорт и вызывать осложнения, такие как болезненные отеки, перфорации, тромбы, инфекции и многое другое.

Помня об этих проблемах, Ефимов и его команда стремились разработать биосовместимое устройство, идеально подходящее для мягких, динамичных тканей. Изучив множество материалов, исследователи остановились на графене. «Из соображений биосовместимости графен особенно привлекателен», — сказал Ефимов. «Углерод — основа жизни, поэтому это безопасный материал, который уже используется в различных клинических приложениях. Он также гибкий и мягкий, что хорошо работает в качестве интерфейса между электроникой и мягким, механически активным органом».

В UT соавторы исследования Дмитрий Киреев и Дежи Акинванде уже разрабатывали графеновые электронные татуировки (GET) с сенсорными возможностями. Гибкие и невесомые, электронные татуировки их команды прикрепляются к коже, чтобы постоянно контролировать жизненные показатели организма, включая кровяное давление и электрическую активность мозга, сердца и мышц. Но, хотя электронные татуировки хорошо работают на поверхности кожи, команде Ефимова нужно было исследовать новые методы использования этих устройств внутри тела — непосредственно на поверхности сердца.

«Это совсем другая схема применения», — сказал Ефимов. «Кожа относительно сухая и легкодоступная. Очевидно, что сердце находится внутри грудной клетки, поэтому к нему трудно получить доступ во влажной среде».

Исследователи разработали совершенно новую технику, заключающую татуировку в графен и прикрепляющую ее к поверхности бьющегося сердца. Во-первых, они поместили графен в гибкую эластичную силиконовую мембрану с пробитым в ней отверстием для доступа к внутреннему графеновому электроду. Затем они аккуратно поместили золотую ленту (толщиной 10 микрон) на герметизирующий слой, чтобы она служила электрическим соединением между графеном и внешней электроникой, используемой для измерения и стимуляции сердца. Наконец, они поместили его на сердце. Общая толщина всех слоев вместе составляет около 100 микрон.

Полученное устройство было стабильным в течение 60 дней при активно бьющемся сердце при температуре тела, что сравнимо со сроком службы временных кардиостимуляторов, используемых в качестве мостов к постоянным кардиостимуляторам или для управления ритмом после операции или других методов лечения.

Используя прозрачную природу устройства, Ефимов и его команда выполнили оптокардиографию — используя свет для отслеживания и модуляции сердечного ритма — в исследовании на животных. Это не только предлагает новый способ диагностики и лечения сердечных заболеваний, но и открывает новые возможности для оптогенетики, метода контроля и мониторинга отдельных клеток с помощью света.

В то время как электрическая стимуляция может исправить аномальный ритм сердца, оптическая стимуляция является более точной. С помощью света исследователи могут отслеживать определенные ферменты, а также исследовать конкретные сердечные, мышечные или нервные клетки.

«По сути, мы можем объединить электрические и оптические функции в один биоинтерфейс», — сказал Ефимов. «Поскольку графен оптически прозрачен, мы действительно можем читать сквозь него, что дает нам гораздо более высокую плотность считывания».