Uneori, organismul uman are nevoie de un impuls pentru a continua să funcţioneze optim. Milioane de oameni se bazează pe stimulatoare cardiace - mici dispozitive care reglează impulsurile electrice ale inimii pentru a o menţine în stare de bună funcţionare. Însă, pentru a reduce complicaţiile, cercetătorii ar dori să facă aceste dispozitive mai mici şi mai puţin intruzive.
Acum, o echipă de cercetători de la universitatea din Chicago a dezvoltat un dispozitiv fără fir, alimentat de lumină, care poate fi implantat pentru a regla activitatea cardiovasculară sau neuronală din organism.
Membranele uşoare ca o pană, mai subţiri decât un fir de păr uman, pot fi inserate printr-o intervenţie chirurgicală minim invazivă şi nu conţin părţi mobile.
Rezultatele cercetării, publicate miercuri în revista Nature, ar putea contribui la reducerea complicaţiilor în operaţiile pe cord şi ar putea oferi noi orizonturi pentru viitoarele dispozitive.
„Primele experimente au fost foarte reuşite şi suntem foarte încrezători în ceea ce priveşte viitorul acestei tehnologii translaţionale", a declarat Pengju Li, student absolvent al universităţii din Chicago şi primul autor al lucrării.
O nouă frontieră
Laboratorul profesorului Bozhi Tian dezvoltă de ani de zile dispozitive care pot folosi o tehnologie similară cu cea a celulelor solare pentru a stimula organismul.
Fotovoltaicele sunt atractive în acest scop deoarece nu au părţi mobile sau fire care se pot strica sau pot deveni deranjante - deosebit de utile în ţesuturi delicate precum inima. Iar în locul unei baterii, cercetătorii implantează pur şi simplu o fibră optică minusculă alături pentru a furniza energie.
Dar pentru a obţine cele mai bune rezultate, oamenii de ştiinţă au trebuit să ajusteze sistemul pentru a funcţiona în scopuri biologice, faţă de modul în care sunt proiectate de obicei celulele solare.
„Într-o celulă solară, dorim să colectăm cât mai multă lumină solară posibil şi să deplasăm această energie de-a lungul celulei, indiferent de partea panoului care este expusă", a explicat Li.
Însă, pentru această aplicaţie, cercetătorii şi-au dorit să poată lumina o zonă foarte localizată şi să activeze doar acea zonă.
De exemplu, o terapie cardiacă obişnuită este cunoscută sub numele de terapie de resincronizare cardiacă, în cadrul căreia diferite părţi ale inimii sunt re-sincronizate cu ajutorul unor sarcini precis sincronizate. În terapiile actuale, acest lucru se realizează cu dispozitive cu fire, care pot avea propriile complicaţii.
[ot-video][/ot-video]
Li şi echipa şi-au propus să creeze un material fotovoltaic care să se activeze doar exact acolo unde ajunge lumina.
Designul final pe care l-au ales are două straturi de siliciu de tip P, care răspund la lumină prin crearea de sarcini electrice. Stratul superior are multe găuri minuscule - o condiţie cunoscută sub numele de nanoporozitate - care sporesc performanţa electrică şi concentrează electricitatea fără a permite răspândirea acesteia.
Rezultatul este o membrană minusculă şi flexibilă, care poate fi introdusă în organism printr-un tub minuscul împreună cu o fibră optică, printr-o operaţie minim invazivă.
Fibra optică luminează într-un model precis, pe care membrana îl captează şi îl transformă în impulsuri electrice.
Membrana are o grosime de doar un micrometru - de aproximativ 100 de ori mai mică decât cel mai fin fir de păr uman - şi o suprafaţă de câţiva centimetri pătraţi.
Cântăreşte mai puţin de o cincizecime de gram; semnificativ mai puţin decât stimulatoarele cardiace actuale de ultimă generaţie, care cântăresc cel puţin cinci grame.
„Cu cât un dispozitiv este mai uşor, cu atât este mai confortabil pentru pacienţi", spune Li.
Această versiune specială a dispozitivului este destinată utilizării temporare. În loc de o altă intervenţie chirurgicală invazivă pentru a îndepărta stimulatorul cardiac, acesta se dizolvă pur şi simplu în timp într-un compus netoxic cunoscut sub numele de acid silicic.
Cu toate acestea, cercetătorii au declarat că dispozitivele ar putea fi proiectate pentru a funcţiona la diferite durate de viaţă dorite, ţinând cont de cât timp se doreşte stimularea inimii.
„Acest progres schimbă regulile jocului în terapia de resincronizare cardiacă", a declarat Narutoshi Hibino, profesor de chirurgie la facultatea de medicinăa universităţii din Chicago şi coautor corespondent al studiului.
„Ne aflăm în pragul unei noi frontiere în care bioelectronica se poate integra perfect cu funcţiile naturale ale organismului", spune el.
Utilizare uşoară
Deşi primele teste au fost efectuate cu ţesut cardiac, echipa a declarat că abordarea ar putea fi utilizată şi pentru neuromodulare - stimularea nervilor în cazul tulburărilor de mişcare, cum ar fi Parkinson, de exemplu, sau pentru a trata durerea cronică sau alte tulburări.
Cercetătorii americani din acest studiu au inventat termenul „fotoelectroceutice" pentru acest domeniu.
Echipa a testat stimulatorul cardiac pe inimi de porc, care sunt foarte asemănătoare cu cele ale oamenilor.
Metoda de screening dezvoltată de autorii studiului pentru a cartografia randamentul fotoelectrochimic al diferitelor materiale pe bază de siliciu ar putea avea utilizări şi în alte domenii, precum noile tehnologii pentru baterii, catalizatori sau celule fotovoltaice.
Foto Credit: Universitatea din Chicago.
