Illustration of the implant on a human heart. Credit: Zexu Lin
由美国西北大学和德克萨斯大学奥斯汀分校（UT）领导的研究人员开发了第一个由石墨烯制成的心脏植入物，石墨烯是一种具有超强，轻质和导电性能的二维超级材料。
在外观上与儿童的临时纹身相似，新的石墨烯“纹身”植入物比一根头发更细，但仍然像经典的起搏器一样起作用。但与目前的起搏器和植入式除颤器不同，这些起搏器和植入式除颤器需要与身体机械不相容的坚硬刚性材料，新设备柔和地融合到心脏上，同时感知和治疗不规则的心跳。植入物足够薄且灵活，以符合心脏的精细轮廓，并且具有足够的弹性和强度，可以承受跳动的心脏的动态运动。
在将该设备植入大鼠模型后，研究人员证明石墨烯纹身可以成功感知不规则的心律，然后通过一系列脉冲传递电刺激，而不会限制或改变心脏的自然运动。更好的是：该技术也是光学透明的，允许研究人员使用外部光源通过设备记录和刺激心脏。
该研究将于周四（4月20日）发表在《先进材料》杂志上。它标志着迄今为止已知最薄的心脏植入物。
“目前起搏器和除颤器面临的挑战之一是它们很难贴在心脏表面，”该研究的资深作者西北大学的Igor Efimov说。“例如，除颤器电极本质上是由非常粗的电线制成的线圈。这些电线不灵活，并且会断裂。与软组织（如心脏）的刚性界面会导致各种并发症。相比之下，我们柔软、灵活的设备不仅不显眼，而且直接紧密无缝地贴合心脏，提供更精确的测量。
作为一名实验心脏病专家，Efimov是西北大学麦考密克工程学院的生物医学工程教授和西北大学范伯格医学院的医学教授。他与UT的研究助理Dmitry Kireev共同领导了这项研究。叶菲莫夫实验室的博士候选人Zexu Lin是该论文的第一作者。
奇迹材料
被称为心律失常，当心脏跳动太快或太慢时就会发生心律失常。虽然有些心律失常病例并不严重，但许多病例可导致心力衰竭、中风甚至猝死。事实上，在美国，与心律失常有关的并发症每年夺走约30万人的生命。医生通常使用植入式起搏器和除颤器治疗心律失常，这些起搏器和除颤器检测异常心跳，然后通过电刺激纠正心律。虽然这些设备可以挽救生命，但它们的僵硬性质可能会限制心脏的自然运动，伤害软组织，引起暂时的不适并诱发并发症，如疼痛肿胀、穿孔、血栓、感染等。
“我们柔软、灵活的设备不仅不显眼，而且紧密无缝地直接贴合心脏，以提供更精确的测量。”
– 伊戈尔·叶菲莫夫，生物医学工程师
考虑到这些挑战，Efimov和他的团队寻求开发一种生物相容性设备，非常适合柔软，动态的组织。在审查了多种材料后，研究人员选择了石墨烯，一种原子薄的碳形式。凭借其超强、轻质的结构和优越的导电性，石墨烯在高性能电子、高强度材料和能源器件中具有许多应用潜力。
“出于生物相容性的原因，石墨烯特别有吸引力，”Efimov说。“碳是生命的基础，因此它是一种安全的材料，已经用于不同的临床应用。它也是柔韧和柔软的，可以很好地作为电子设备和柔软的机械活动器官之间的接口。
Hitting a beating target
在UT，研究合著者Dimitry Kireev和Deji Akinwande已经在开发具有传感功能的石墨烯电子纹身（GET）。灵活且轻盈，他们团队的电子纹身粘附在皮肤上，以持续监测身体的生命体征，包括血压以及大脑、心脏和肌肉的电活动
纹身纸上的石墨烯心脏植入物。
但是，虽然电子纹身在皮肤表面效果很好，但Efimov的团队需要研究在体内使用这些设备的新方法 – 直接在心脏表面。
“这是一个完全不同的应用方案，”叶菲莫夫说。“皮肤相对干燥，容易接近。显然，心脏在胸部内，因此很难进入并且在潮湿的环境中。
研究人员开发了一种全新的技术来包裹石墨烯纹身并将其粘附在跳动的心脏表面。首先，他们将石墨烯封装在一个柔性、有弹性的硅胶膜内——在膜上打一个孔，以便进入内部石墨烯电极。然后，他们轻轻地将金带（厚度为10微米）放在封装层上，作为石墨烯和用于测量和刺激心脏的外部电子设备之间的电互连。最后，他们把它放在心脏上。所有层的整个厚度加起来总共约为 100 微米。
由此产生的装置在体温下在活跃跳动的心脏上稳定60天，这与手术或其他治疗后用作永久性起搏器或节律管理的桥梁的临时起搏器的持续时间相当。
光学机会
利用该设备的透明特性，Efimov和他的团队在动物研究中进行了光心动图检查 – 使用光来跟踪和调节心律。这不仅提供了一种诊断和治疗心脏疾病的新方法，而且这种方法还为光遗传学开辟了新的可能性，光遗传学是一种用光控制和监测单细胞的方法。
虽然电刺激可以纠正心脏的异常节律，但光刺激更精确。通过光，研究人员可以跟踪特定的酶以及询问特定的心脏，肌肉或神经细胞。
“我们基本上可以将电气和光学功能结合到一个生物界面中，”Efimov说。“因为石墨烯是光学透明的，我们实际上可以读通它，这给了我们更高的读数密度。
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