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Jan 09, 2024

Arritmia cardiaca tratada con "tatuaje" de grafeno usando luz

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Investigadores liderados por la Universidad Northwestern y la Universidad de Texas en Austin (UT) han desarrollado el primer implante cardíaco hecho de grafeno, un súper material bidimensional con propiedades ultrarresistentes, livianas y conductoras.

De apariencia similar al tatuaje temporal de un niño, el nuevo implante de "tatuaje" de grafeno es más delgado que una sola hebra de cabello y aún así funciona como un marcapasos clásico. Pero a diferencia de los marcapasos actuales y los desfibriladores implantados, que requieren materiales duros y rígidos que son mecánicamente incompatibles con el cuerpo, el nuevo dispositivo se fusiona suavemente con el corazón para detectar y tratar simultáneamente los latidos cardíacos irregulares. El implante es lo suficientemente delgado y flexible para adaptarse a los delicados contornos del corazón, así como lo suficientemente elástico y fuerte para soportar los movimientos dinámicos de un corazón que late.

Después de implantar el dispositivo en un modelo de rata, los investigadores demostraron que el tatuaje de grafeno podía detectar con éxito ritmos cardíacos irregulares y luego generar estimulación eléctrica a través de una serie de pulsos sin restringir o alterar los movimientos naturales del corazón. Aún mejor: la tecnología también es ópticamente transparente, lo que permite a los investigadores utilizar una fuente externa de luz óptica para registrar y estimular el corazón a través del dispositivo.

El estudio se publicará el jueves (20 de abril) en la revista Advanced Materials. Marca el implante cardíaco más delgado conocido hasta la fecha.

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"Uno de los desafíos para los marcapasos y desfibriladores actuales es que son difíciles de colocar en la superficie del corazón", dijo Igor Efimov de Northwestern, autor principal del estudio. "Los electrodos de desfibrilador, por ejemplo, son esencialmente bobinas hechas de alambres muy gruesos. Estos alambres no son flexibles y se rompen. Las interfaces rígidas con los tejidos blandos, como el corazón, pueden causar varias complicaciones. Por el contrario, nuestro dispositivo blando y flexible es no solo es discreto, sino que también se adapta íntima y perfectamente al corazón para brindar mediciones más precisas".

Un cardiólogo experimental, Efimov es profesor de ingeniería biomédica en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y profesor de medicina en la Escuela de Medicina Feinberg de la Universidad de Northwestern. Codirigió el estudio con Dmitry Kireev, investigador asociado de la UT. Zexu Lin, un doctorado. candidato en el laboratorio de Efimov, es el primer autor del artículo.

Conocidos como arritmias cardíacas, los trastornos del ritmo cardíaco ocurren cuando el corazón late demasiado rápido o demasiado lento. Si bien algunos casos de arritmia no son graves, muchos casos pueden provocar insuficiencia cardíaca, accidente cerebrovascular e incluso muerte súbita. De hecho, las complicaciones relacionadas con la arritmia se cobran unas 300 000 vidas al año en los Estados Unidos. Los médicos suelen tratar la arritmia con marcapasos y desfibriladores implantables que detectan latidos cardíacos anormales y luego corrigen el ritmo con estimulación eléctrica. Si bien estos dispositivos salvan vidas, su naturaleza rígida puede restringir los movimientos naturales del corazón, lesionar los tejidos blandos, causar molestias temporales e inducir complicaciones, como hinchazón dolorosa, perforaciones, coágulos de sangre, infecciones y más.

Con estos desafíos en mente, Efimov y su equipo buscaron desarrollar un dispositivo biocompatible ideal para adaptarse a tejidos blandos y dinámicos. Después de revisar varios materiales, los investigadores se decidieron por el grafeno, una forma atómicamente delgada de carbono. Con su estructura liviana y ultrarresistente y su conductividad superior, el grafeno tiene potencial para muchas aplicaciones en electrónica de alto rendimiento, materiales de alta resistencia y dispositivos de energía.

"Por razones de biocompatibilidad, el grafeno es particularmente atractivo", dijo Efimov. "El carbono es la base de la vida, por lo que es un material seguro que ya se usa en diferentes aplicaciones clínicas. También es flexible y suave, lo que funciona bien como interfaz entre la electrónica y un órgano blando mecánicamente activo".

En la UT, los coautores del estudio Dimitry Kireev y Deji Akinwande ya estaban desarrollando tatuajes electrónicos de grafeno (GET) con capacidades de detección. Flexibles y sin peso, los tatuajes electrónicos de su equipo se adhieren a la piel para monitorear continuamente los signos vitales del cuerpo, incluida la presión arterial y la actividad eléctrica del cerebro, el corazón y los músculos.

Pero, aunque los tatuajes electrónicos funcionan bien en la superficie de la piel, el equipo de Efimov necesitaba investigar nuevos métodos para usar estos dispositivos dentro del cuerpo, directamente sobre la superficie del corazón.

"Es un esquema de aplicación completamente diferente", dijo Efimov. "La piel es relativamente seca y de fácil acceso. Obviamente, el corazón está dentro del tórax, por lo que es de difícil acceso y en un ambiente húmedo".

Los investigadores desarrollaron una técnica completamente nueva para encerrar el tatuaje de grafeno y adherirlo a la superficie de un corazón que late. Primero, encapsularon el grafeno dentro de una membrana de silicona elástica y flexible, con un orificio perforado para dar acceso al electrodo de grafeno interior. Luego, colocaron suavemente cinta de oro (con un grosor de 10 micras) sobre la capa de encapsulación para que sirviera como interconexión eléctrica entre el grafeno y la electrónica externa utilizada para medir y estimular el corazón. Finalmente, lo colocaron sobre el corazón. El grosor total de todas las capas juntas mide unas 100 micras en total.

El dispositivo resultante se mantuvo estable durante 60 días con un corazón que latía activamente a la temperatura corporal, lo que es comparable a la duración de los marcapasos temporales utilizados como puentes a los marcapasos permanentes o al control del ritmo después de una cirugía u otras terapias.

Aprovechando la naturaleza transparente del dispositivo, Efimov y su equipo realizaron una optocardiografía, utilizando luz para rastrear y modular el ritmo cardíaco, en el estudio con animales. Esto no solo ofrece una nueva forma de diagnosticar y tratar enfermedades del corazón, sino que el enfoque también abre nuevas posibilidades para la optogenética, un método para controlar y monitorear células individuales con luz.

Mientras que la estimulación eléctrica puede corregir el ritmo anormal del corazón, la estimulación óptica es más precisa. Con la luz, los investigadores pueden rastrear enzimas específicas, así como interrogar células cardíacas, musculares o nerviosas específicas.

"Esencialmente, podemos combinar funciones eléctricas y ópticas en una biointerfaz", dijo Efimov. "Debido a que el grafeno es ópticamente transparente, en realidad podemos leer a través de él, lo que nos brinda una densidad de lectura mucho mayor".

Referencia: Lin Z, Kireev D, Liu N, et al. Biointerfaz de grafeno para el diagnóstico y tratamiento de arritmias cardíacas. Materia Avanzada. 2023:2212190. doi: 10.1002/adma.202212190

Este artículo se ha vuelto a publicar a partir de los siguientes materiales. Nota: el material puede haber sido editado por su extensión y contenido. Para obtener más información, póngase en contacto con la fuente citada.