AMHERST, MISA. – Un equipo de ingenieros dirigido por la Universidad de Massachusetts Amherst y que incluye a colegas del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) anunció recientemente en la revista Nature Communications que ha creado con éxito un sistema de malla bioelectrónica similar a un tejido que se integra con Una serie de sensores de grafeno del grosor de un átomo pueden medir simultáneamente tanto las señales eléctricas como el movimiento físico de las células en el tejido del corazón humano cultivado en laboratorio. En la primera investigación, esta malla similar a un tejido puede crecer con las células del corazón, lo que permite a los investigadores observar cómo cambian las funciones mecánicas y eléctricas del corazón durante el proceso de desarrollo. El nuevo dispositivo es una gran ayuda para quienes estudian las enfermedades cardíacas, así como los efectos secundarios potencialmente tóxicos de muchos tratamientos farmacológicos comunes.
Las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de morbilidad y mortalidad humana en todo el mundo. El corazón también es muy sensible a los fármacos terapéuticos y la industria farmacéutica gasta millones de dólares en pruebas para garantizar que sus productos sean seguros. Sin embargo, los métodos para controlar el tejido cardíaco vivo son extremadamente limitados.
En parte, esto se debe a que es muy peligroso implantar un sensor en un corazón vivo, pero también a que el corazón es un tipo complejo de músculo que tiene más de una cosa que necesita ser monitoreada. «El tejido cardíaco es muy especial», dice Jun Yao, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería de la UMass Amherst y autor principal del artículo. «Tiene una actividad mecánica (esas contracciones y relajaciones que bombean sangre a través de nuestro cuerpo) junto con una señal eléctrica que controla esa actividad».
Pero los sensores actuales normalmente sólo pueden medir una característica a la vez, y un dispositivo de dos sensores que pueda medir tanto la carga como el movimiento sería demasiado grande para alterar la función del tejido cardíaco. Hasta ahora, no existía ningún sensor único capaz de medir las propiedades duales del corazón sin interferir con su función.
El nuevo dispositivo se compone de dos componentes críticos, explica el autor principal Hongyan Gao, que está cursando su doctorado. en ingeniería eléctrica en UMass Amherst. El primero es un microtejido cardíaco tridimensional (CMT), cultivado en un laboratorio a partir de células madre humanas bajo la dirección del coautor Yubing Sun, profesor asociado de ingeniería mecánica e industrial en la UMass Amherst. La CMT se ha convertido en el modelo preferido para las pruebas in vitro porque es el análogo más cercano al corazón humano vivo de tamaño completo. Sin embargo, debido a que CMT se cultiva en un tubo de ensayo, debe madurarse, un proceso que lleva tiempo y puede dañarse fácilmente con sensores defectuosos.
Otro ingrediente fundamental es el grafeno, una sustancia de carbono puro de sólo un átomo de espesor. El grafeno tiene algunas peculiaridades sorprendentes en la naturaleza que lo hacen perfecto para sensores cardíacos. El grafeno es conductor de electricidad y, por lo tanto, puede detectar cargas eléctricas que atraviesan el tejido cardíaco. También es piezoresistivo, lo que significa que a medida que se estira (por ejemplo, por un latido del corazón) su resistencia eléctrica aumenta. Y como el grafeno es increíblemente fino, también puede registrar contracciones musculares o pequeños pulsos de relajación y puede hacerlo sin detener el trabajo del corazón, mediante un proceso de maduración completo. El coautor Jing Kong, profesor de ingeniería eléctrica en el MIT, y su grupo proporcionaron este material crítico de grafeno.
«Aunque ya existen muchas aplicaciones para el grafeno, es emocionante ver que se puede utilizar en esta necesidad crítica, que aprovecha las diversas propiedades del grafeno», dice Kang.
Luego, Gao, Yao y sus colegas incorporaron una serie de sensores de grafeno en un andamio de malla porosa, suave y flexible, que diseñaron para que tuviera propiedades estructurales y mecánicas cercanas a las del tejido humano, y que aplicaron de forma no invasiva al tejido cardíaco. ser
«Nadie había hecho esto antes», dice Gao. «El grafeno puede sobrevivir en entornos biológicos sin degradarse y sin perder su conductividad, por lo que podemos monitorear la CMT durante todo su proceso de maduración».
«Esto es importante por varias razones», añade Yao. «Nuestro sensor puede proporcionar retroalimentación en tiempo real a científicos e investigadores de fármacos, y puede hacerlo de manera rentable. Estamos orgullosos de utilizar conocimientos de ingeniería eléctrica para ayudar a crear herramientas que brinden una amplia gama de funciones útiles para los investigadores. «
En el futuro, dice Gao, espera poder implementar su sensor a mayor escala, incluso para monitoreo in vivo, lo que proporcionaría los mejores datos posibles para ayudar a diagnosticar enfermedades cardíacas.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., la Corporación de Investigación de Semiconductores y la Fundación Link, así como por el Instituto de Ciencias de la Vida Aplicadas de la UMass Amherst.
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