Mélanie Thomas
Des chercheurs dirigés par la Northwestern University et l’Université du Texas à Austin (UT) ont développé le premier implant cardiaque en graphène, un super matériau bidimensionnel aux propriétés ultra-résistantes, légères et conductrices.
Semblable en apparence au tatouage temporaire d’un enfant, le nouvel implant de “tatouage” au graphène est in addition fin qu’une seule mèche de cheveux, mais fonctionne toujours comme un stimulateur cardiaque classique. Mais contrairement aux stimulateurs cardiaques et aux défibrillateurs implantés actuels, qui nécessitent des matériaux durs et rigides qui sont mécaniquement incompatibles avec le corps, le nouvel appareil se fond doucement au cœur pour détecter et traiter simultanément les battements cardiaques irréguliers. L’implant est suffisamment mince et versatile pour se conformer aux contours délicats du cœur, ainsi que suffisamment extensible et solide pour résister aux mouvements dynamiques d’un cœur battant.
Après avoir implanté l’appareil dans un modèle de rat, les chercheurs ont démontré que le tatouage au graphène pouvait détecter avec succès des rythmes cardiaques irréguliers, puis délivrer une stimulation électrique par une série d’impulsions sans contraindre ni modifier les mouvements naturels du cœur. Mieux encore : la technologie est également optiquement transparente, ce qui permet aux chercheurs d’utiliser une resource externe de lumière optique pour enregistrer et stimuler le cœur à travers l’appareil.
L’étude sera publiée jeudi 20 avril dans la revue Highly developed Elements. Il s’agit de l’implant cardiaque le additionally fin connu à ce jour.
“L’un des défis des stimulateurs cardiaques et des défibrillateurs actuels est qu’ils sont difficiles à fixer sur la surface area du cœur”, a déclaré Igor Efimov de Northwestern, auteur principal de l’étude. “Les électrodes de défibrillateur, par exemple, sont essentiellement des bobines constituées de fils très épais. Ces fils ne sont pas flexibles et se cassent. Les interfaces rigides avec les tissus mous, comme le cœur, peuvent entraîner diverses problems. En revanche, notre dispositif souple et adaptable est non seulement discret mais aussi intimement et parfaitement conforme directement au cœur pour fournir des mesures moreover précises.”
Cardiologue expérimental, Efimov est professeur de génie biomédical à la McCormick College of Engineering de Northwestern et professeur de médecine à la Northwestern College Feinberg School of Medication. Il a co-dirigé l’étude avec Dmitry Kireev, chercheur associé à l’UT. Zexu Lin, un doctorat. candidat dans le laboratoire d’Efimov, est le premier auteur de l’article.
Matériel miracle
Connus sous le nom d’arythmies cardiaques, les troubles du rythme cardiaque surviennent lorsque le cœur bat trop rapidement ou trop lentement. Bien que certains cas d’arythmie ne soient pas graves, de nombreux cas peuvent entraîner une insuffisance cardiaque, un accident vasculaire cérébral et même une mort subite. En fait, les difficulties liées à l’arythmie font approximativement 300 000 morts chaque année aux États-Unis. Les médecins traitent généralement l’arythmie avec des stimulateurs cardiaques et des défibrillateurs implantables qui détectent les battements cardiaques anormaux, puis corrigent le rythme avec une stimulation électrique. Bien que ces dispositifs sauvent des vies, leur mother nature rigide peut restreindre les mouvements naturels du cœur, blesser les tissus mous, provoquer une gêne temporaire et induire des problems, telles qu’un gonflement douloureux, des perforations, des caillots sanguins, une infection, etc.
Avec ces défis à l’esprit, Efimov et son équipe ont cherché à développer un dispositif biocompatible idéal pour se conformer aux tissus mous et dynamiques. Après avoir examiné plusieurs matériaux, les chercheurs ont opté pour le graphène, une forme de carbone atomiquement mince. Avec sa framework extremely-résistante et légère et sa conductivité supérieure, le graphène a un potentiel pour de nombreuses purposes dans l’électronique haute overall performance, les matériaux haute résistance et les dispositifs énergétiques.
“Pour des raisons de biocompatibilité, le graphène est particulièrement attrayant”, a déclaré Efimov. “Le carbone est la base de la vie, c’est donc un matériau sûr qui est déjà utilisé dans différentes purposes cliniques. Il est également flexible et souple, ce qui fonctionne bien comme interface entre l’électronique et un organe souple et mécaniquement actif.”
Frapper une cible battante
À l’UT, les co-auteurs de l’étude, Dimitry Kireev et Deji Akinwande, développaient déjà des tatouages électroniques au graphène (GET) dotés de capacités de détection. Souples et légers, les tatouages électroniques de leur équipe adhèrent à la peau pour surveiller en permanence les signes vitaux du corps, y compris la pression artérielle et l’activité électrique du cerveau, du cœur et des muscles.
Mais, alors que les e-tatouages fonctionnent bien à la surface area de la peau, l’équipe d’Efimov devait étudier de nouvelles méthodes pour utiliser ces appareils à l’intérieur du corps – directement sur la area du cœur.
“C’est un schéma d’application complètement différent”, a déclaré Efimov. “La peau est relativement sèche et facilement obtainable. De toute évidence, le cœur est à l’intérieur de la poitrine, il est donc difficile d’accès et dans un environnement humide.”
Les chercheurs ont développé une system entièrement nouvelle pour envelopper le tatouage au graphène et le faire adhérer à la surface area d’un cœur battant. Tout d’abord, ils ont encapsulé le graphène à l’intérieur d’une membrane de silicone versatile et élastique – avec un trou percé pour donner accès à l’électrode de graphène intérieure. Ensuite, ils ont délicatement placé du ruban doré (d’une épaisseur de 10 microns) sur la couche d’encapsulation pour servir d’interconnexion électrique entre le graphène et l’électronique externe utilisée pour mesurer et stimuler le cœur. Enfin, ils l’ont placé sur le cœur. L’épaisseur totale de toutes les couches ensemble mesure approximativement 100 microns au full.
Le dispositif résultant était secure pendant 60 jours sur un cœur battant activement à la température du corps, ce qui est similar à la durée des stimulateurs cardiaques temporaires utilisés comme ponts vers des stimulateurs cardiaques permanents ou pour la gestion du rythme après une intervention chirurgicale ou d’autres thérapies.
Opportunités optiques
Tirant parti de la mother nature transparente de l’appareil, Efimov et son équipe ont effectué une optocardiographie – en utilisant la lumière pour suivre et moduler le rythme cardiaque – dans l’étude animale. Non seulement cela offre une nouvelle façon de diagnostiquer et de traiter les maladies cardiaques, mais l’approche ouvre également de nouvelles possibilités pour l’optogénétique, une méthode pour contrôler et surveiller les cellules individuelles avec de la lumière.
Alors que la stimulation électrique peut corriger un rythme cardiaque anormal, la stimulation optique est moreover précise. Avec la lumière, les chercheurs peuvent suivre des enzymes spécifiques et interroger des cellules cardiaques, musculaires ou nerveuses spécifiques.
“Nous pouvons essentiellement combiner les fonctions électriques et optiques en une seule biointerface”, a déclaré Efimov. “Parce que le graphène est optiquement transparent, nous pouvons réellement le lire, ce qui nous donne une densité de lecture beaucoup in addition élevée.”
L’étude, “Graphène biointerface pour le diagnostic et le traitement de l’arythmie cardiaque”, a été soutenue par les National Institutes of Wellness (numéros de subvention R21-HL152324, 3OT2OD023848 et R01-HL141470), la Fondation Leducq (subvention RHYTHM), l’Office of Naval Analysis ( numéro de subvention N00014-18-1-2706) et la Fondation Temple.
