خالکوبی گرافن! درمان آریتمی قلب با نازک ترین ایمپلنت قلبی جهان

به گزارش خبرنگار خبرگزاری علم و فناوری آنا، محققان به رهبری دانشگاه نورث وسترن و دانشگاه تگزاس در آستین (UT) برای اولین بار با استفاده از گرافن، که یک ماده دوبعدی با خواص فوق‌العاده قوی، سبک و رسانا است یک ایمپلنت قلبی ساخته‌اند. این ایمپلنت جدید گرافن از نظر ظاهری شبیه به خالکوبی موقت کودک و نازک‌تر از یک تار مو است، اما همچنان مانند یک ضربان‌ساز کلاسیک عمل می‌کند. اما بر خلاف ضربان‌ساز‌های فعلی و دفیبریلاتور‌های کاشته‌شده، که به مواد سخت و سفت نیاز دارند که از نظر مکانیکی با بدن ناسازگار هستند، دستگاه جدید به آرامی با قلب ترکیب می‌شود تا به طور همزمان ضربان‌های نامنظم قلب را حس کرده و درمان کند.  

این ایمپلنت به اندازه کافی نازک و منعطف است تا با خطوط ظریف قلب مطابقت داشته باشد و همچنین به اندازه کافی کششی و قوی است که بتواند در برابر حرکات دینامیکی قلب تپنده مقاومت کند. پس از کاشت دستگاه در مدل موش، محققان نشان دادند که خالکوبی گرافن می‌تواند با موفقیت حس کند. ریتم قلب نامنظم است و سپس تحریک الکتریکی را از طریق یک سری پالس بدون محدود کردن یا تغییر دادن حرکات طبیعی قلب انجام می‌دهد.   یک ویژگی منحصر بفرد این فناوری این است که از نظر نوری شفاف است و به محققان این امکان را می‌دهد که از یک منبع خارجی نوری برای ضبط و تحریک قلب از طریق این دستگاه استفاده کنند. این  ایمپلنت نازک‌ترین ایمپلنت قلبی شناخته شده تا به امروز است.

ایگور افیموف، نویسنده ارشد این مطالعه، از دانشگاه نورث وسترن، می‌گوید: «یکی از چالش‌های پیس‌میکر‌ها و دفیبریلاتور‌های فعلی این است که چسباندن آن‌ها بر روی سطح قلب دشوار است. به عنوان مثال، الکترود‌های دفیبریلاتور اساساً سیم پیچ‌هایی هستند که از سیم‌های بسیار ضخیم ساخته شده اند. این سیم‌ها انعطاف پذیر نیستند و می‌شکنند. رابط‌های سفت و سخت با بافت‌های نرم، مانند قلب، می‌تواند عوارض مختلفی ایجاد کند. در مقابل، دستگاه نرم و منعطف ما نه تنها محجوب نیست، بلکه به طور دقیق و یکپارچه مستقیماً بر روی قلب منطبق می‌شود تا اندازه گیری‌های دقیق تری ارائه دهد.

تصویری از خالکوبی گرافن روی قلب انسان

**گرافن؛ ماده‌ای معجزه آسا

اختلالات ریتم قلب که به عنوان آریتمی قلبی شناخته می‌شود، زمانی رخ می‌دهد که قلب خیلی سریع یا خیلی آهسته می‌زند. در حالی که برخی از موارد آریتمی جدی نیستند، بسیاری از موارد می‌توانند منجر به نارسایی قلبی، سکته مغزی و حتی مرگ ناگهانی شوند. در واقع، عوارض مربوط به آریتمی سالانه جان حدود ۳۰۰۰۰۰ نفر را در ایالات متحده می‌گیرد. پزشکان معمولاً آریتمی را با ضربان‌ساز‌های قابل کاشت و دفیبریلاتور‌ها درمان می‌کنند که ضربان قلب غیرطبیعی را تشخیص می‌دهند و سپس ریتم را با تحریک الکتریکی اصلاح می‌کنند. در حالی که این دستگاه‌ها نجات دهنده هستند، ماهیت سفت آن‌ها ممکن است حرکات طبیعی قلب را محدود کند، به بافت‌های نرم آسیب برساند، باعث ناراحتی موقت و عوارضی مانند تورم دردناک، سوراخ شدن، لخته شدن خون، عفونت و ... شود.

با در نظر گرفتن این چالش‌ها، افیموف و تیمش به دنبال توسعه یک دستگاه زیست سازگار ایده‌آل برای انطباق با بافت‌های نرم و پویا بودند. پس از بررسی مواد متعدد، محققان بر روی گرافن، شکل نازک اتمی کربن، مستقر شدند. گرافن با ساختار فوق‌العاده قوی و سبک وزن و رسانایی عالی، پتانسیل و کارایی بالایی در الکترونیک، مواد با استحکام بالا و دستگاه‌های انرژی دارد.

افیموف گفت: " گرافن به دلایل سازگاری زیستی جذاب است. " کربن اساس زندگی است، بنابراین یک ماده ایمن است که در حال حاضر در کاربرد‌های بالینی مختلف استفاده می‌شود. همچنین انعطاف پذیر و نرم است که به خوبی به عنوان رابط بین الکترونیک و یک اندام نرم و مکانیکی فعال عمل می‌کند.

گرافن کاشته شده روی کاغذ خالکوبی

**تکنیکی جدید برای چسباندن ایمپلنت به قلب

دیمیتری افیموف و دجی آکین‌وانده، نویسندگان همکار این مطالعه، در حال توسعه خالکوبی‌های الکترونیکی گرافن (GETs) با قابلیت سنجش بودند. تاتو‌های الکترونیکی آن‌ها انعطاف‌پذیر و بی‌وزن هستند و به پوست می‌چسبند تا علائم حیاتی بدن از جمله فشار خون و فعالیت الکتریکی مغز، قلب و ماهیچه‌ها را به طور مداوم کنترل کنند. محققان باید روش‌های جدیدی را برای استفاده از این دستگاه‌ها در داخل بدن ( مستقیماً روی سطح قلب) بررسی کنند.  

افیموف گفت: «این یک طرح کاربردی کاملاً متفاوت است. پوست نسبتا خشک است و به راحتی قابل دسترسی است.  بدیهی است که قلب در داخل قفسه سینه است، بنابراین دسترسی به آن در یک محیط مرطوب دشوار است.»

محققان تکنیک کاملا جدیدی را برای پوشاندن خالکوبی گرافن و چسباندن آن به سطح قلب در حال تپش توسعه دادند. ابتدا، آن‌ها گرافن را درون یک غشای سیلیکونی انعطاف‌پذیر و الاستیک محصور کردند - با سوراخی که به الکترود گرافن داخلی دسترسی پیدا کند.  سپس به آرامی نوار طلایی (با ضخامت ۱۰ میکرون) را روی لایه محصور کننده قرار دادند تا به عنوان یک اتصال الکتریکی بین گرافن و الکترونیک خارجی  برای اندازه گیری و تحریک قلب عمل کند. محققان سرانجام آن را روی قلب گذاشتند ضخامت تمام لایه‌ها روی هم حدود ۱۰۰ میکرون است.

دستگاه به‌دست‌آمده به مدت ۶۰ روز روی یک قلب فعال در دمای بدن پایدار بود، که با مدت زمان ضربان‌ساز‌های موقتی که به‌عنوان پل برای ضربان‌ساز‌های دائمی یا مدیریت ریتم بعد از آن استفاده می‌شوند، قابل مقایسه است.  

این روش نه تنها راه جدیدی برای تشخیص و درمان بیماری‌های قلبی ارائه می‌دهد، بلکه فرصت‌های جدیدی را برای اپتوژنتیک، روشی برای کنترل و نظارت بر سلول‌های منفرد با نور می‌گشاید. در حالی که تحریک الکتریکی می‌تواند ریتم غیرطبیعی قلب را اصلاح کند، تحریک نوری از آن دقیق‌تر است. با استفاده از نور، محققان می‌توانند آنزیم‌های خاصی را ردیابی کنند و همچنین سلول‌های خاص قلب، ماهیچه یا عصبی را مورد بررسی و مطالعه قرار دهند.