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Oct 30, 2023

Arythmie cardiaque traitée par le "tatouage" au graphène à l'aide de la lumière

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Des chercheurs dirigés par la Northwestern University et l'Université du Texas à Austin (UT) ont développé le premier implant cardiaque en graphène, un super matériau bidimensionnel aux propriétés ultra-résistantes, légères et conductrices.

Semblable en apparence au tatouage temporaire d'un enfant, le nouvel implant de "tatouage" au graphène est plus fin qu'une seule mèche de cheveux, mais fonctionne toujours comme un stimulateur cardiaque classique. Mais contrairement aux stimulateurs cardiaques et aux défibrillateurs implantés actuels, qui nécessitent des matériaux durs et rigides qui sont mécaniquement incompatibles avec le corps, le nouvel appareil se fond doucement au cœur pour détecter et traiter simultanément les battements cardiaques irréguliers. L'implant est suffisamment mince et flexible pour se conformer aux contours délicats du cœur, ainsi que suffisamment extensible et solide pour résister aux mouvements dynamiques d'un cœur battant.

Après avoir implanté l'appareil dans un modèle de rat, les chercheurs ont démontré que le tatouage au graphène pouvait détecter avec succès des rythmes cardiaques irréguliers, puis délivrer une stimulation électrique par une série d'impulsions sans contraindre ni modifier les mouvements naturels du cœur. Mieux encore : la technologie est également optiquement transparente, ce qui permet aux chercheurs d'utiliser une source externe de lumière optique pour enregistrer et stimuler le cœur à travers l'appareil.

L'étude sera publiée jeudi 20 avril dans la revue Advanced Materials. Il s'agit de l'implant cardiaque le plus fin connu à ce jour.

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"L'un des défis des stimulateurs cardiaques et des défibrillateurs actuels est qu'ils sont difficiles à fixer sur la surface du cœur", a déclaré Igor Efimov de Northwestern, auteur principal de l'étude. "Les électrodes de défibrillateur, par exemple, sont essentiellement des bobines constituées de fils très épais. Ces fils ne sont pas flexibles et se cassent. Les interfaces rigides avec les tissus mous, comme le cœur, peuvent entraîner diverses complications. En revanche, notre dispositif souple et flexible est non seulement discret mais aussi intimement et parfaitement conforme directement au cœur pour fournir des mesures plus précises."

Cardiologue expérimental, Efimov est professeur de génie biomédical à la McCormick School of Engineering de Northwestern et professeur de médecine à la Northwestern University Feinberg School of Medicine. Il a co-dirigé l'étude avec Dmitry Kireev, chercheur associé à l'UT. Zexu Lin, un doctorat. candidat dans le laboratoire d'Efimov, est le premier auteur de l'article.

Connus sous le nom d'arythmies cardiaques, les troubles du rythme cardiaque surviennent lorsque le cœur bat trop rapidement ou trop lentement. Bien que certains cas d'arythmie ne soient pas graves, de nombreux cas peuvent entraîner une insuffisance cardiaque, un accident vasculaire cérébral et même une mort subite. En fait, les complications liées à l'arythmie font environ 300 000 morts chaque année aux États-Unis. Les médecins traitent généralement l'arythmie avec des stimulateurs cardiaques et des défibrillateurs implantables qui détectent les battements cardiaques anormaux, puis corrigent le rythme avec une stimulation électrique. Bien que ces dispositifs sauvent des vies, leur nature rigide peut limiter les mouvements naturels du cœur, blesser les tissus mous, causer une gêne temporaire et induire des complications, telles qu'un gonflement douloureux, des perforations, des caillots sanguins, une infection, etc.

Avec ces défis à l'esprit, Efimov et son équipe ont cherché à développer un dispositif biocompatible idéal pour se conformer aux tissus mous et dynamiques. Après avoir examiné plusieurs matériaux, les chercheurs ont opté pour le graphène, une forme de carbone atomiquement mince. Avec sa structure ultra-résistante et légère et sa conductivité supérieure, le graphène a un potentiel pour de nombreuses applications dans l'électronique haute performance, les matériaux haute résistance et les dispositifs énergétiques.

"Pour des raisons de biocompatibilité, le graphène est particulièrement attrayant", a déclaré Efimov. "Le carbone est la base de la vie, c'est donc un matériau sûr qui est déjà utilisé dans différentes applications cliniques. Il est également flexible et souple, ce qui fonctionne bien comme interface entre l'électronique et un organe souple et mécaniquement actif."

À l'UT, les co-auteurs de l'étude, Dimitry Kireev et Deji Akinwande, développaient déjà des tatouages ​​électroniques au graphène (GET) dotés de capacités de détection. Souples et légers, les tatouages ​​électroniques de leur équipe adhèrent à la peau pour surveiller en permanence les signes vitaux du corps, y compris la pression artérielle et l'activité électrique du cerveau, du cœur et des muscles.

Mais, alors que les e-tatouages ​​fonctionnent bien à la surface de la peau, l'équipe d'Efimov devait étudier de nouvelles méthodes pour utiliser ces appareils à l'intérieur du corps - directement sur la surface du cœur.

"C'est un schéma d'application complètement différent", a déclaré Efimov. "La peau est relativement sèche et facilement accessible. De toute évidence, le cœur est à l'intérieur de la poitrine, il est donc difficile d'accès et dans un environnement humide."

Les chercheurs ont développé une technique entièrement nouvelle pour envelopper le tatouage au graphène et le faire adhérer à la surface d'un cœur battant. Tout d'abord, ils ont encapsulé le graphène à l'intérieur d'une membrane de silicone flexible et élastique - avec un trou percé pour donner accès à l'électrode de graphène intérieure. Ensuite, ils ont délicatement placé du ruban doré (d'une épaisseur de 10 microns) sur la couche d'encapsulation pour servir d'interconnexion électrique entre le graphène et l'électronique externe utilisée pour mesurer et stimuler le cœur. Enfin, ils l'ont placé sur le cœur. L'épaisseur totale de toutes les couches ensemble mesure environ 100 microns au total.

Le dispositif résultant était stable pendant 60 jours sur un cœur battant activement à la température du corps, ce qui est comparable à la durée des stimulateurs cardiaques temporaires utilisés comme ponts vers des stimulateurs cardiaques permanents ou pour la gestion du rythme après une intervention chirurgicale ou d'autres thérapies.

Tirant parti de la nature transparente de l'appareil, Efimov et son équipe ont effectué une optocardiographie - en utilisant la lumière pour suivre et moduler le rythme cardiaque - dans l'étude animale. Non seulement cela offre une nouvelle façon de diagnostiquer et de traiter les maladies cardiaques, mais l'approche ouvre également de nouvelles possibilités pour l'optogénétique, une méthode pour contrôler et surveiller les cellules individuelles avec de la lumière.

Alors que la stimulation électrique peut corriger un rythme cardiaque anormal, la stimulation optique est plus précise. Avec la lumière, les chercheurs peuvent suivre des enzymes spécifiques et interroger des cellules cardiaques, musculaires ou nerveuses spécifiques.

"Nous pouvons essentiellement combiner les fonctions électriques et optiques en une seule biointerface", a déclaré Efimov. "Parce que le graphène est optiquement transparent, nous pouvons réellement le lire, ce qui nous donne une densité de lecture beaucoup plus élevée."

Référence : Lin Z, Kireev D, Liu N, et al. Biointerface de graphène pour le diagnostic et le traitement de l'arythmie cardiaque. Adv Mater. 2023:2212190. doi : 10.1002/adma.202212190

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