导 语
心律失常是由异常的心脏电信号引起的，可导致心脏跳动过快或过慢，这可能会导致心力衰竭、卒中甚至猝死，对人的生命安全有很大威胁，因此，多项研究展开了关于心律失常预判和治疗方案的探索。近日，西北大学和德克萨斯大学奥斯汀分校合作开发了一种新型石墨烯心脏植入传感器，可通过光信号来监测和调节异常的心脏节律功能，而其厚度仅相当于一丝头发。这项前沿研究发表在了《Advanced Materials》杂志上。
心律失常是一类严重的心血管疾病，既可单独发作，亦可伴发于其他心血管疾病，可突然发作而致猝死，亦可持续发作导致心力衰竭，其危害性不言而喻，对于心律失常的预防和治疗的研究便尤为关键。近日，西北大学和德克萨斯大学奥斯汀分校合作开发了一种新型石墨烯心脏植入物，其厚度仅相当于一丝头发，可以实现通过光信号来监测和调节异常的心脏节律功能。这项前沿研究发表在了《Advanced Materials》杂志上。
现阶段，通常使用可以监测和纠正异常心律的植入式起搏器和除颤器治疗心律失常，然而，这些设备不灵活，且对受体心脏有所限制，并可能造成组织损伤和不适，这增加了肿胀、穿孔、血栓和感染等并发症的风险。
该研究提出的新型起搏器是首个由坚固、轻质、生物相容性“超级材料”石墨烯制成的起搏器，也是迄今为止最薄的起搏器。与现有的植入式起搏器和除颤器不同，该装置可以在心脏组织上完成自我塑造，同时足以承受心脏跳动的严酷考验。
研究人员将该装置植入大鼠模型后，证明了石墨烯纹身可以成功地感知不规则的心律，更值得一提的是，该技术也是光学透明的，这允许研究人员使用外部光源来记录该设备刺激心脏的过程。
2、研究概述
考虑到现有研究所面临的挑战，这项研究主要作者西北大学的Igor Efimov及其团队人员试图开发一种生物相容性的理想装置，以匹配柔软的、动态的组织。在尝试了多种材料后，研究人员最终选定了石墨烯。石墨烯的轻质结构和优越的导电性，在高性能电子、高强度材料和能源器件等领域具有广泛的应用潜力。Efimov表示：“由于生物相容性的原因，我们对石墨烯有独特的兴趣，碳是生命的基础，是一种安全的材料，也很灵活和柔软，已经被用于不同的临床康复中，石墨烯可以很好地作为电子设备和柔软的、机械活跃的器官之间的连接材料。”
Efimov进一步阐述:“目前的起搏器和除颤器很难固定在心脏表面，除颤器电极基本上都是由非常粗的电线制成的线圈。这些电线不柔韧，在使用过程中可能会断，与心脏等软组织的刚性界面接触可能会引起各种并发症。相比之下，我们的设备柔软、灵活、体积小而且可以直接与心脏紧密无缝地连接，从而提供更精确的测量。”
纹身纸上的石墨烯心脏植入物
在西北大学，该研究的共同作者Dimitry Kireev和Deji Akinwande开发了具有传感功能的石墨烯电子纹身(GETs)。该团队的电子纹身灵活且轻便，可以粘附在皮肤上用于持续监测身体的生命体征，包括了血压以及大脑、心脏和肌肉的电生理信号。虽然电子纹身在皮肤表面效果很好，但Efimov的团队需要研究直接在心脏表面使用的传感器。Efimov说表示：“这是一个完全不同的应用情景，皮肤相对干燥，容易接触。心脏在胸腔内，显然在潮湿的环境中实现生理信号监测更加困难。”
因此，该研究团队提出了将石墨烯传感器包裹起来，并将其粘在心脏表面的全新技术。首先，将石墨烯封装在一个弹性的硅酮膜中，并在膜上穿孔，以便接触内部的石墨烯电极。然后，轻轻地将金胶带(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气连接，并放在心脏上。所有层的厚度总和约为100微米。该装置在常规体温且心脏积极跳动的情况下可稳定60天，这与手术或其他治疗后临时起搏器的持续时间相当。
3、研究意义
利用所研制设备的透明特性，Efimov和他的团队在动物研究中利用光跟踪了该设备调节心脏节律的工作过程和效果。这项技术不仅为诊断和治疗心脏疾病提供了一种全新方法，也为光遗传学开辟了全新的可能性。虽然电刺激可以纠正心脏的异常节律，但光学刺激显然更加精确。有了光信号，研究人员可以追踪特定的酶，也可以研究特定的心脏、肌肉或神经细胞。
Efimov表示：“我们可以将光电功能结合到一个生物界面中，因为石墨烯是光学透明的，可以直接读数，这使得读数的精度更高。”
内容来源：https://news.northwestern.edu/stories/2023/04/graphene-tattoo-treats-cardiac-arrhythmia-with-light/
