Un pacemaker di grafene che si “tatua” sul suore rileva ritmi cardiaci irregolari e quindi fornisce stimolazione elettrica ed essendo otticamente trasparente può essere regolato da una fonte di luce.
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 di grafene è più sottile di una singola ciocca di capelli, ma funziona come un pacemaker classico.
Ma a differenza degli attuali pacemaker e defibrillatori impiantati, che richiedono materiali duri e rigidi che sono meccanicamente incompatibili con il corpo, il nuovo dispositivo si fonde dolcemente con il cuore per rilevare e trattare contemporaneamente i battiti cardiaci irregolari.
L’impianto è abbastanza sottile e flessibile da adattarsi ai delicati contorni del cuore, nonché elastico e abbastanza forte da resistere ai 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 stimolazione elettrica attraverso una serie di impulsi senza vincolare 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 sarà pubblicato giovedì (20 aprile) sulla rivista Advanced Materials. Segna l’impianto cardiaco più sottile conosciuto fino ad oggi.
“Una delle sfide per gli attuali pacemaker e defibrillatori è che sono difficili da applicare sulla superficie del cuore”, ha detto Igor Efimov della Northwestern, autore senior dello studio.
“Gli elettrodi del defibrillatore, ad esempio, sono essenzialmente bobine fatte di 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 non è solo discreto, ma si adatta anche intimamente e perfettamente direttamente al cuore per fornire misurazioni più precise”.
Cardiologo sperimentale, Efimov è professore di ingegneria biomedica presso la McCormick School of Engineering della Northwestern e professore di medicina presso la 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.
Alcuni casi di aritmia non sono gravi, ma altri possono portare a insufficienza cardiaca, ictus e persino morte improvvisa.
I medici trattano comunemente l’aritmia con pacemaker e defibrillatori impiantabili che rilevano battiti cardiaci anormali e quindi correggono il ritmo con la stimolazione elettrica.
Ma questi dispositivi salvavita sono rigidi e possono limitare i movimenti naturali del cuore, ferire i tessuti molli, causare disagio temporaneo e indurre complicazioni, come gonfiore doloroso, perforazioni, coaguli di sangue, infezioni e altro ancora.
Con queste sfide in mente, Efimov e il suo team hanno cercato di sviluppare un dispositivo biocompatibile ideale per conformarsi a tessuti morbidi e dinamici.
Dopo aver esaminato più materiali, i ricercatori hanno optato per il grafene, una forma atomicamente sottile di carbonio.
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. “
Alla UT, i coautori dello studio Dimitry Kireev e Deji Akinwande stavano già sviluppando tatuaggi elettronici al grafene (GET) con capacità di rilevamento.
Flessibili e senza peso, i tatuaggi elettronici 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-tatuaggi 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 difficile accedervi 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 silicio flessibile ed elastica, con un foro perforato per dare accesso all’elettrodo di grafene interno.
Quindi, hanno posizionato delicatamente del 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, lo 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 batte attivamente a temperatura corporea, che è paragonabile alla durata dei pacemaker temporanei utilizzati come ponti per pacemaker permanenti o gestione del ritmo dopo l’intervento chirurgico o altre terapie.
Sfruttando la natura trasparente del dispositivo, Efimov e il suo team hanno eseguito l’optocardiografia – usando la luce per tracciare e modulare il ritmo cardiaco – nello studio sugli animali.
Non solo questo offre un nuovo modo di diagnosticare e trattare 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 molto più elevata di lettura”.
Immagine: Zexu Lin/Northwestern University
