Un tatuaje de grafeno, activado por luz, podría utilizarse en lugar del marcapasos para el tratamiento de arritmias cardíacas

Publicado originalmente en Drug Target Review. 

Este artículo describe el desarrollo del primer implante cardíaco hecho de grafeno, más fino que un mechón de cabello, pero que funciona como un marcapasos clásico. Se funde suavemente con el corazón para detectar y tratar los latidos cardíacos irregulares, haciéndolo ideal para adaptarse a tejidos blandos y dinámicos.

El corazón es esencialmente un músculo que bombea, controlado por señales eléctricas. Estas señales pueden interrumpirse por varias razones, lo que puede conducir a una serie de afecciones cardíacas potencialmente peligrosas, como un paro cardíaco.

Tradicionalmente, un marcapasos puede resolver la interrupción del latido cardíaco. Consiste en un generador de pulsos, que emite impulsos eléctricos al corazón a través de cables. Si el marcapasos detecta que el corazón ha perdido un latido o está latiendo demasiado lento, envía señales a un ritmo constante.

Sin embargo, una nueva investigación sugiere que un nuevo tipo de implante puede reemplazar al marcapasos tradicional.

Un equipo de investigadores. liderados por la Universidad Northwestern y la Universidad de Texas en Austin (UT), Estados Unidos, han desarrollado el primer implante cardíaco hecho de grafeno, un súper material bidimensional, ultrarresistente, ligero y con propiedades superconductoras de electricidad.

Similar en apariencia al tatuaje temporal de un niño, el nuevo implante de "tatuaje" de grafeno es más delgado que un pelo, pero funciona como un marcapasos clásico. Publicado en Advanced Materials, este nuevo implante cardíaco sería el más delgado de los conocidos hasta la fecha.

 Tatuaje de grafeno en solución (Crédito: Ning Liu / Universidad de Texas en Austin)

Sin embargo, a diferencia de los marcapasos actuales y los implantes de desfibriladores, que requieren materiales duros y rígidos, mecánicamente incompatibles con el cuerpo, el nuevo dispositivo se funde suavemente con el corazón para simultáneamente detectar y tratar los latidos cardíacos irregulares. El implante es lo suficientemente delgado y flexible como para adaptarse a los delicados contornos del corazón, así como lo suficientemente elástico y fuerte como para soportar los movimientos dinámicos de un corazón latiendo.

Después de implantar el dispositivo en una rata, el equipo demostró que el tatuaje de grafeno podía detectar con éxito ritmos cardíacos irregulares y luego administrar 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.

"Uno de los desafíos para los marcapasos y desfibriladores actuales es que son difíciles de colocar en la superficie del corazón", dijo el autor principal del estudio Igor Efimov, Profesor de Ingeniería Biomédica. en la Escuela de Ingeniería McCormick. y Profesor de Medicina en la Facultad de Medicina Feinberg. de la Universidad Northwestern.

"Los electrodos del desfibrilador, por ejemplo, son esencialmente bobinas hechas de cables muy gruesos. Estos cables no son flexibles y se rompen. Las interfaces rígidas con los tejidos blandos, como el corazón, pueden causar diversas complicaciones. Por el contrario, nuestro dispositivo, suave y flexible, no solo es discreto, sino que también se ajusta íntima y perfectamente, directamente sobre el corazón, para ofrecer mediciones más precisas".

Material milagroso

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 pueden provocar insuficiencia cardíaca, accidente cerebrovascular e incluso muerte súbita.

Los médicos comúnmente tratan la arritmia con marcapasos implantables y desfibriladores, 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, dañar los tejidos blandos, causar molestias temporales e inducir complicaciones, como hinchazón dolorosa, perforaciones, coágulos de sangre e infección.

Con estos desafíos en mente, el equipo buscó desarrollar un dispositivo biocompatible ideal para adaptarse a tejidos blandos y dinámicos. Después de revisar múltiples materiales, los investigadores se decidieron por el grafeno, una forma atómicamente delgada de carbono. Con su estructura ultra fuerte y liviana y su superconductividad, 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", explicó Efimov. "También es flexible y suave, lo que es de gran utilidad como interfaz entre la electrónica y un órgano suave y mecánicamente activo".

En la Universidad de Tejas, los coautores del estudio Dimitry Kireev y Deji Akinwande ya estaban desarrollando tatuajes electrónicos de grafeno (GETs) con capacidades de detección. Flexibles e ingrávidos, los tatuajes electrónicos diseñados por su equipo se adhieren a la piel para controlar continuamente los signos vitales del cuerpo, incluida la presión arterial y la actividad eléctrica del cuerpo. cerebro, corazón y músculos.

 

Ilustración del tatuaje de grafeno en un corazón humano. (Crédito: Zexu Lin / Northwestern University)

Aunque al principio los tatuajes electrónicos funcionaban bien colocados sobre 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 método de aplicación completamente diferente", explicó Efimov. "La piel es relativamente seca y de fácil acceso. Obviamente, el corazón está dentro del pecho, por lo que es de difícil acceso y está en un ambiente húmedo".

Por lo tanto, se desarrolló una técnica completamente nueva para encerrar el tatuaje de grafeno y adherirlo a la superficie de un corazón latiendo:

·         Primero, encapsularon el grafeno dentro de una membrana de silicona flexible y elástica, con un orificio perforado que permita el acceso al electrodo interior de grafeno.

·         Luego, colocaron suavemente cinta de oro (con un grosor de 10 micras) sobre la capa encapsulante, que sirviera como una interconexión eléctrica entre el grafeno y la electrónica externa utilizada para medir y estimular el corazón.

·         Finalmente, lo colocaron en el corazón. El grosor total de todas las capas juntas mide aproximadamente 100 micras en total.

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

Oportunidades ópticas

Aprovechando la naturaleza transparente del dispositivo, Efimov y su equipo realizaron optocardiografía, utilizando luz para rastrear y modular el ritmo cardíaco en el estudio con animales. Esto no solo ofreció una nueva forma de diagnosticar y tratar enfermedades cardíacas, 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 de un corazón, la estimulación óptica es más precisa. Con la luz, los investigadores pueden rastrear enzimas específicas, así como interrogar células específicas del corazón, músculo o nervios.

"Básicamente, podemos combinar funciones eléctricas y ópticas en una biointerfaz, porque el grafeno es ópticamente transparente, lo que nos da una densidad de lectura mucho mayor". Efimov concluyó.

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