Aritmia cardiaca-Immagine: impianto di grafene su carta da tatuaggio. Credito: Ning Liu/Università del Texas ad Austin-
I ricercatori guidati dalla Northwestern University e dall’Università del Texas ad Austin (UT) hanno sviluppato il primo impianto cardiaco realizzato in grafene, un super materiale bidimensionale con proprietà ultra resistenti, leggere e conduttive.
Simile nell’aspetto al tatuaggio temporaneo di un bambino, il nuovo impianto “tatuaggio” in grafene è più sottile di una singola ciocca di capelli, ma funziona ancora come un classico pacemaker. Ma a differenza degli attuali pacemaker e defibrillatori impiantati, che richiedono materiali duri e rigidi meccanicamente incompatibili con il corpo, il nuovo dispositivo si fonde dolcemente con il cuore per rilevare e trattare simultaneamente i battiti cardiaci irregolari. L’impianto è abbastanza sottile e flessibile da conformarsi ai delicati contorni del cuore, nonché elastico e abbastanza forte da sopportare i movimenti dinamici di un cuore che batte.
Dopo aver impiantato il dispositivo in un modello di ratto, i ricercatori hanno dimostrato che il tatuaggio al grafene potrebbe rilevare con successo ritmi cardiaci irregolari e quindi fornire stimoli elettrici attraverso una serie di impulsi senza limitare o alterare i movimenti naturali del cuore. Ancora meglio: la tecnologia è anche otticamente trasparente, consentendo ai ricercatori di utilizzare una fonte esterna di luce ottica per registrare e stimolare il cuore attraverso il dispositivo.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Advanced Materials e segna l’impianto cardiaco più sottile conosciuto fino ad oggi.
“Una delle sfide per gli attuali pacemaker e defibrillatori è che sono difficili da apporre sulla superficie del cuore”, ha affermato Igor Efimov della Northwestern, autore senior dello studio. “Gli elettrodi del defibrillatore, ad esempio, sono essenzialmente bobine costituite da fili molto spessi. Questi fili non sono flessibili e si rompono. Le interfacce rigide con i tessuti molli, come il cuore, possono causare varie complicazioni. Al contrario, il nostro dispositivo morbido e flessibile è non solo non invadente, ma si adatta anche intimamente e senza soluzione di continuità direttamente al cuore per fornire misurazioni più precise“.
Cardiologo sperimentale, Efimov è Professore di ingegneria biomedica alla McCormick School of Engineering della Northwestern e Professore di medicina alla Feinberg School of Medicine della Northwestern University. Ha co-condotto lo studio con Dmitry Kireev, ricercatore associato presso UT. Zexu Lin, un dottorando nel laboratorio di Efimov, è il primo autore dell’articolo.
Materiale miracoloso
Conosciuti come aritmie cardiache, i disturbi del ritmo cardiaco si verificano quando il cuore batte troppo velocemente o troppo lentamente. Mentre alcuni casi di aritmia non sono gravi, molti casi possono portare a insufficienza cardiaca, ictus e persino morte improvvisa. In effetti, le complicazioni legate all’aritmia mietono circa 300.000 vittime ogni anno negli Stati Uniti. I medici comunemente trattano l’aritmia con pacemaker e defibrillatori impiantabili che rilevano battiti cardiaci anomali e quindi correggono il ritmo con la stimolazione elettrica. Mentre questi dispositivi sono salvavita, la loro natura rigida può limitare i movimenti naturali del cuore, ferire i tessuti molli, causare disagio temporaneo e indurre complicazioni, come gonfiori dolorosi, perforazioni, coaguli di sangue, infezioni e altro.
Con queste sfide in mente, Efimov e il suo team hanno cercato di sviluppare un dispositivo biocompatibile ideale per conformarsi ai tessuti molli e dinamici. Dopo aver esaminato più materiali, i ricercatori hanno optato per il grafene, una forma di carbonio atomicamente sottile. Con la sua struttura ultra resistente e leggera e la conduttività superiore, il grafene ha il potenziale per molte applicazioni nell’elettronica ad alte prestazioni, nei materiali ad alta resistenza e nei dispositivi energetici.
“Per ragioni di biocompatibilità, il grafene è particolarmente attraente“, ha detto Efimov. “Il carbonio è la base della vita, quindi è un materiale sicuro che è già utilizzato in diverse applicazioni cliniche. È anche flessibile e morbido, che funziona bene come interfaccia tra l’elettronica e un organo morbido e meccanicamente attivo“.
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Colpire un bersaglio battente
All’UT, i coautori dello studio Dimitry Kireev e Deji Akinwande stavano già sviluppando tatuaggi elettronici in grafene (GET) con capacità di rilevamento. Flessibili e senza peso, gli e-tattoo del loro team aderiscono alla pelle per monitorare continuamente i segni vitali del corpo, tra cui la pressione sanguigna e l’attività elettrica del cervello, del cuore e dei muscoli.
Ma, mentre gli e-tattoo funzionano bene sulla superficie della pelle, il team di Efimov aveva bisogno di studiare nuovi metodi per utilizzare questi dispositivi all’interno del corpo, direttamente sulla superficie del cuore.
“È uno schema di applicazione completamente diverso”, ha detto Efimov. “La pelle è relativamente secca e facilmente accessibile. Ovviamente, il cuore è all’interno del torace, quindi è di difficile accesso e in un ambiente umido“.
I ricercatori hanno sviluppato una tecnica completamente nuova per racchiudere il tatuaggio di grafene e farlo aderire alla superficie di un cuore pulsante. In primo luogo, hanno incapsulato il grafene all’interno di una membrana di silicone flessibile ed elastica, con un foro perforato per consentire l’accesso all’elettrodo di grafene interno. Quindi, hanno posizionato delicatamente un nastro d’oro (con uno spessore di 10 micron) sullo strato incapsulante per fungere da interconnessione elettrica tra il grafene e l’elettronica esterna utilizzata per misurare e stimolare il cuore. Alla fine, l’hanno messo sul cuore. L‘intero spessore di tutti gli strati insieme misura circa 100 micron in totale.
Il dispositivo risultante è rimasto stabile per 60 giorni su un cuore che batteva attivamente a temperatura corporea, che è paragonabile alla durata dei pacemaker temporanei utilizzati come ponti per pacemaker permanenti o per la gestione del ritmo dopo un intervento chirurgico o altre terapie.
Opportunità ottiche
Sfruttando la natura trasparente del dispositivo, Efimov e il suo team hanno eseguito l’optocardiografia, utilizzando la luce per tracciare e modulare il ritmo cardiaco, nello studio sugli animali. Questo non solo offre un nuovo modo per diagnosticare e curare i disturbi cardiaci, ma l’approccio apre anche nuove possibilità per l’optogenetica, un metodo per controllare e monitorare le singole cellule con la luce.
Mentre la stimolazione elettrica può correggere il ritmo anormale di un cuore, la stimolazione ottica è più precisa. Con la luce, i ricercatori possono tracciare enzimi specifici e interrogare specifiche cellule cardiache, muscolari o nervose.
“Possiamo essenzialmente combinare funzioni elettriche e ottiche in un’unica biointerfaccia”, ha detto Efimov. “Poiché il grafene è otticamente trasparente, possiamo effettivamente leggerlo, il che ci dà una densità di lettura molto più elevata”.
Fonte: Advanced Materials
