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May 21, 2023

光を利用したグラフェン「タトゥー」で不整脈を治療

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ノースウェスタン大学とテキサス大学オースティン校（UT）主導の研究者らは、超高強度、軽量、導電性を備えた二次元超材料であるグラフェンで作られた初の心臓インプラントを開発した。

外観は子供の一時的なタトゥーに似ていますが、新しいグラフェン「タトゥー」インプラントは髪の毛よりも薄いにもかかわらず、古典的なペースメーカーのように機能します。 しかし、身体と機械的に適合しない硬くて硬い素材を必要とする現在のペースメーカーや植込み型除細動器とは異なり、新しいデバイスは心臓に柔らかく溶け込み、不規則な心拍を同時に感知して治療します。 インプラントは、薄くて心臓の繊細な輪郭に適合するのに十分な柔軟性を備えているだけでなく、鼓動する心臓の動的な動きに耐えるのに十分な伸縮性と強度を備えています。

このデバイスをラットモデルに埋め込んだ後、研究者らは、グラフェンタトゥーが不規則な心臓のリズムを感知し、心臓の自然な動きを制限したり変更したりすることなく、一連のパルスを通じて電気刺激を与えることができることを実証した。 さらに優れた点は、この技術は光学的に透明であるため、研究者が外部光源を使用してデバイスを介して心臓を記録および刺激できることです。

この研究は木曜日（4月20日）にAdvanced Materials誌に掲載される予定だ。 これは、これまで知られている心臓インプラントの中で最も薄いものです。

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「現在のペースメーカーと除細動器の課題の1つは、それらを心臓の表面に貼り付けるのが難しいことです」と、この研究の主著者であるノースウェスタン大学のイゴール・エフィモフ氏は述べた。 「たとえば、除細動器の電極は、本質的には非常に太いワイヤーで作られたコイルです。これらのワイヤーは柔軟性がないため、破損してしまいます。心臓などの軟部組織との硬い界面は、さまざまな合併症を引き起こす可能性があります。対照的に、当社の柔らかく柔軟なデバイスは、目立たないだけでなく、心臓にぴったりとシームレスに直接適合し、より正確な測定を実現します。」

実験心臓専門医であるエフィモフは、ノースウェスタン大学マコーミック工学部の生体医工学教授であり、ノースウェスタン大学フェインバーグ医学部の医学部教授でもあります。 同氏は、UTの研究員であるドミトリー・キレフ氏と共同で研究を主導した。 Zexu Lin 博士エフィモフの研究室の候補者であり、この論文の筆頭著者である。

心臓不整脈として知られる心拍リズム障害は、心臓の鼓動が速すぎるか遅すぎるときに発生します。 不整脈の一部のケースは重篤ではありませんが、多くのケースでは心不全、脳卒中、さらには突然死を引き起こす可能性があります。 実際、米国では不整脈に関連する合併症により毎年約 30 万人が命を落としています。 医師は通常、異常な心拍を検出し、電気刺激でリズムを修正する植込み型ペースメーカーと除細動器を使用して不整脈を治療します。 これらの装置は命を救う一方で、その硬い性質により心臓の自然な動きを制限し、軟組織を損傷し、一時的な不快感を引き起こし、痛みを伴う腫れ、穿孔、血栓、感染症などの合併症を誘発する可能性があります。

これらの課題を念頭に置いて、エフィモフ氏と彼のチームは、柔らかくて動的な組織に適合するのに理想的な生体適合性デバイスの開発を模索しました。 複数の材料を検討した結果、研究者らは原子的に薄い炭素の形態であるグラフェンに落ち着きました。 超強力で軽量な構造と優れた導電性を備えたグラフェンは、高性能エレクトロニクス、高強度材料、エネルギーデバイスなどの多くの用途に応用できる可能性を秘めています。

「生体適合性の理由から、グラフェンは特に魅力的です」とエフィモフ氏は語った。 「炭素は生命の基盤であるため、すでにさまざまな臨床応用で使用されている安全な材料です。また、柔軟性があり柔らかいため、電子機器と柔らかく機械的に活動する器官の間のインターフェースとしてうまく機能します。」

UTでは、研究の共著者であるDimitry Kireev氏とDeji Akinwande氏が、センシング機能を備えたグラフェン電子タトゥー（GET）をすでに開発していた。 柔軟で無重力な彼らのチームの e-タトゥーは皮膚に密着し、血圧や脳、心臓、筋肉の電気活動などの身体のバイタルサインを継続的に監視します。

しかし、電子タトゥーは皮膚の表面ではうまく機能しますが、エフィモフ氏のチームはこれらのデバイスを体内、つまり心臓の表面に直接使用するための新しい方法を調査する必要がありました。

「これはまったく異なるアプリケーションスキームです」とエフィモフ氏は語った。 「皮膚は比較的乾燥しており、簡単にアクセスできます。当然のことですが、心臓は胸の中にあるため、湿った環境ではアクセスが困難です。」

研究者らは、グラフェンタトゥーを包み込み、鼓動する心臓の表面に貼り付ける全く新しい技術を開発した。 まず、柔軟で弾性のあるシリコン膜の内側にグラフェンをカプセル化し、内部のグラフェン電極にアクセスできるように穴を開けました。 次に、グラフェンと心臓の測定と刺激に使用される外部電子機器の間の電気的相互接続として機能する金テープ (厚さ 10 ミクロン) を封入層上に静かに配置しました。 最後に、彼らはそれを心臓に置きました。 すべての層の厚さは合計で約 100 ミクロンになります。

結果として得られたデバイスは、体温で活発に拍動している心臓上で 60 日間安定でした。これは、手術やその他の治療後の恒久的なペースメーカーまたはリズム管理へのブリッジとして使用される一時的なペースメーカーの持続期間に匹敵します。

エフィモフ氏と彼のチームは、この装置の透明な性質を利用して、動物実験で光を使用して心臓のリズムを追跡し、調節する心光図検査を実施した。 このアプローチは、心臓病を診断および治療する新しい方法を提供するだけでなく、光遺伝学、つまり光で単一細胞を制御および監視する方法の新しい可能性も開きます。

電気刺激でも心臓の異常なリズムを修正できますが、光刺激の方がより正確です。 光を使用すると、研究者は特定の酵素を追跡したり、特定の心臓、筋肉、神経細胞を調べたりすることができます。

「基本的に、電気的機能と光学的機能を 1 つのバイオインターフェースに組み合わせることができます」とエフィモフ氏は語った。 「グラフェンは光学的に透明であるため、実際にそれを読み取ることができ、より高い読み取り密度が得られます。」

参考文献: Lin Z、Kireev D、Liu N、他。 不整脈の診断と治療のためのグラフェン バイオインターフェイス。 アドバンスメーター。 2023:2212190。 土井: 10.1002/adma.202212190

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