導 語
心律失常是由異常的心臟電信號引起的，可導致心臟跳動過快或過慢，這可能會導致心力衰竭、卒中甚至猝死，對人的生命安全有很大威脅，因此，多項研究展開了關于心律失常預判和治療方案的探索。近日，西北大學和德克薩斯大學奧斯汀分校合作開發(fā)了一種新型石墨烯心臟植入傳感器，可通過光信號來監(jiān)測和調節(jié)異常的心臟節(jié)律功能，而其厚度僅相當于一絲頭發(fā)。這項前沿研究發(fā)表在了《Advanced Materials》雜志上。
心律失常是一類嚴重的心血管疾病，既可單獨發(fā)作，亦可伴發(fā)于其他心血管疾病，可突然發(fā)作而致猝死，亦可持續(xù)發(fā)作導致心力衰竭，其危害性不言而喻，對于心律失常的預防和治療的研究便尤為關鍵。近日，西北大學和德克薩斯大學奧斯汀分校合作開發(fā)了一種新型石墨烯心臟植入物，其厚度僅相當于一絲頭發(fā)，可以實現(xiàn)通過光信號來監(jiān)測和調節(jié)異常的心臟節(jié)律功能。這項前沿研究發(fā)表在了《Advanced Materials》雜志上。
現(xiàn)階段，通常使用可以監(jiān)測和糾正異常心律的植入式起搏器和除顫器治療心律失常，然而，這些設備不靈活，且對受體心臟有所限制，并可能造成組織損傷和不適，這增加了腫脹、穿孔、血栓和感染等并發(fā)癥的風險。
該研究提出的新型起搏器是首個由堅固、輕質、生物相容性“超級材料”石墨烯制成的起搏器，也是迄今為止最薄的起搏器。與現(xiàn)有的植入式起搏器和除顫器不同，該裝置可以在心臟組織上完成自我塑造，同時足以承受心臟跳動的嚴酷考驗。
研究人員將該裝置植入大鼠模型后，證明了石墨烯紋身可以成功地感知不規(guī)則的心律，更值得一提的是，該技術也是光學透明的，這允許研究人員使用外部光源來記錄該設備刺激心臟的過程。
2、研究概述
考慮到現(xiàn)有研究所面臨的挑戰(zhàn)，這項研究主要作者西北大學的Igor Efimov及其團隊人員試圖開發(fā)一種生物相容性的理想裝置，以匹配柔軟的、動態(tài)的組織。在嘗試了多種材料后，研究人員最終選定了石墨烯。石墨烯的輕質結構和優(yōu)越的導電性，在高性能電子、高強度材料和能源器件等領域具有廣泛的應用潛力。Efimov表示：“由于生物相容性的原因，我們對石墨烯有獨特的興趣，碳是生命的基礎，是一種安全的材料，也很靈活和柔軟，已經被用于不同的臨床康復中，石墨烯可以很好地作為電子設備和柔軟的、機械活躍的器官之間的連接材料。”
Efimov進一步闡述:“目前的起搏器和除顫器很難固定在心臟表面，除顫器電極基本上都是由非常粗的電線制成的線圈。這些電線不柔韌，在使用過程中可能會斷，與心臟等軟組織的剛性界面接觸可能會引起各種并發(fā)癥。相比之下，我們的設備柔軟、靈活、體積小而且可以直接與心臟緊密無縫地連接，從而提供更精確的測量。”
紋身紙上的石墨烯心臟植入物
在西北大學，該研究的共同作者Dimitry Kireev和Deji Akinwande開發(fā)了具有傳感功能的石墨烯電子紋身(GETs)。該團隊的電子紋身靈活且輕便，可以粘附在皮膚上用于持續(xù)監(jiān)測身體的生命體征，包括了血壓以及大腦、心臟和肌肉的電生理信號。雖然電子紋身在皮膚表面效果很好，但Efimov的團隊需要研究直接在心臟表面使用的傳感器。Efimov說表示：“這是一個完全不同的應用情景，皮膚相對干燥，容易接觸。心臟在胸腔內，顯然在潮濕的環(huán)境中實現(xiàn)生理信號監(jiān)測更加困難。”
因此，該研究團隊提出了將石墨烯傳感器包裹起來，并將其粘在心臟表面的全新技術。首先，將石墨烯封裝在一個彈性的硅酮膜中，并在膜上穿孔，以便接觸內部的石墨烯電極。然后，輕輕地將金膠帶(厚度為10微米)放在封裝層上，作為石墨烯和用于測量和刺激心臟的外部電子設備之間的電氣連接，并放在心臟上。所有層的厚度總和約為100微米。該裝置在常規(guī)體溫且心臟積極跳動的情況下可穩(wěn)定60天，這與手術或其他治療后臨時起搏器的持續(xù)時間相當。
3、研究意義
利用所研制設備的透明特性，Efimov和他的團隊在動物研究中利用光跟蹤了該設備調節(jié)心臟節(jié)律的工作過程和效果。這項技術不僅為診斷和治療心臟疾病提供了一種全新方法，也為光遺傳學開辟了全新的可能性。雖然電刺激可以糾正心臟的異常節(jié)律，但光學刺激顯然更加精確。有了光信號，研究人員可以追蹤特定的酶，也可以研究特定的心臟、肌肉或神經細胞。
Efimov表示：“我們可以將光電功能結合到一個生物界面中，因為石墨烯是光學透明的，可以直接讀數(shù)，這使得讀數(shù)的精度更高。”
內容來源：https://news.northwestern.edu/stories/2023/04/graphene-tattoo-treats-cardiac-arrhythmia-with-light/
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