石墨烯纹身用光治疗心律失常

由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出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、轻质和导电特性的二维超级材料。

新的石墨烯“纹身”植入物外观类似于儿童的临时纹身，比单根头发还细，但仍像经典起搏器一样发挥作用。但与目前的心脏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不同，新设备与心脏柔和地融合在一起，可以同时感知和治疗不规则的心跳。植入物薄而柔韧，足以贴合心脏精致的轮廓，同时又具有足够的弹性和强度，可以承受心脏跳动的动态运动。

将该装置植入老鼠模型后，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提供电刺激，而不会限制或改变心脏的自然运动。更好的是：该技术还是光学透明的，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Advanced Materials杂志上。它标志着迄今为止已知的最薄的心脏植入物。

“目前起搏器和除颤器面临的挑战之一是它们很难固定在心脏表面，” 该研究的资深作者、西北大学的伊戈尔·埃菲莫夫 (Igor Efimov)说。“例如，除颤器电极基本上是由非常粗的电线制成的线圈。这些电线不灵活，会折断。与心脏等软组织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，而且直接无缝贴合心脏，提供更精确的测量。”

Efimov 是一名实验心脏病学家，是西北大学麦考密克工程学院生物医学工程教授 和 西北大学 Feinberg 医学院的医学教授。他与 UT 的助理研究员 Dmitry Kireev 共同领导了这项研究。林则旭，博士。Efimov 实验室的候选人，是该论文的第一作者。

奇迹材料

心律失常被称为心律失常，当心跳过快或过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，与心律失常有关的并发症在每年夺去大约 300,000 人的生命。医生通常使用植入式起搏器和除颤器来治疗心律失常，这些起搏器和除颤器可以检测异常心跳，然后通过电刺激纠正节律。虽然这些设备可以挽救生命，但它们的刚性可能会限制心脏的自然运动、损伤软组织、引起暂时的不适并引发并发症，例如疼痛性肿胀、穿孔、血栓、感染等。

考虑到这些挑战，Efimov 和他的团队寻求开发一种生物兼容设备，非常适合贴合柔软的动态组织。在审查了多种材料后，研究人员最终选择了石墨烯，这是一种原子级薄的碳。凭借其超强、轻质的结构和优异的导电性，石墨烯在高性能电子、高强度材料和能源设备方面具有广泛的应用潜力。

“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。它还具有柔韧性和柔软性，可以很好地作为电子设备与柔软的机械活动器官之间的接口。”

击中目标

在德克萨斯大学，该研究的合著者 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)。他们团队的电子纹身灵活且失重，可贴附在皮肤上，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。

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——直接在心脏表面使用。

“这是一个完全不同的应用方案，”Efimov 说。“皮肤相对干燥且易于接触。很明显，心脏在胸腔内，所以很难接触到，而且在潮湿的环境中。”

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柔韧、有弹性的硅胶膜内——膜上打了一个孔，以便接触内部石墨烯电极。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气互连。最后，他们把它放在心脏上。所有层的总厚度总计约为 100 微米。

由此产生的设备在体温下在活跃跳动的心脏上稳定 60 天，这与临时起搏器用作永久起搏器或手术或其他治疗后节律管理的桥梁的持续时间相当。

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——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病的新方法，而且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个细胞的方法。

虽然电刺激可以纠正心脏的异常节律，但光刺激更为精确。有了光，研究人员可以追踪特定的酶，并询问特定的心脏、肌肉或神经细胞。

“我们基本上可以将电学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，我们实际上可以读取它，这给了我们更高的读出密度。”