Эпикардиальные пластыри – это тщательно сконструированные тканевые пластыри, которые могут быть размещены рядом с сердцем пациента или на нем. Эти устройства могут помочь врачам диагностировать и лечить различные сердечные заболевания, включая аритмию и сердечные приступы (т.е. инфаркты миокарда).
В последние годы несколько инженеров и медицинских исследователей пытались разработать эти устройства, однако многие предложенные до сих пор решения не являются идеальными. В частности, большинство созданных к настоящему времени эпикардиальных пластырей предназначены для прикрепления к сердцу с помощью медицинской процедуры, известной как “наложение швов”, которая может быть как сложной, так и рискованной.
Исследователи из Университета Сонгюнкван, Института фундаментальных наук и других институтов Южной Кореи недавно разработали альтернативный эпикардиальный пластырь, который было бы намного проще применять в клинических условиях. Этот пластырь, представленный компанией Nature Electronics, является одновременно растягивающимся и адгезивным; таким образом, его не нужно прикреплять к сердцу пациента в процессе наложения швов.
“Фиксация обычных эпикардиальных пластырей к сердечной ткани является трудоемкой задачей и включает в себя сложный хирургический процесс”, – говорит профессор. Донхи Сон, один из исследователей, проводивших исследование, рассказал Tech Xplore. “Кроме того, при длительном использовании долговечность гибких полимеров, составляющих эпикардиальный пластырь, имеет тенденцию к ухудшению, что приводит к нежелательному зазору между пластырем и сердечной тканью, что в конечном итоге затрудняет точную диагностику и лечение”.
Чтобы преодолеть ограничения существующих эпикардиальных пластырей, в последнее время некоторые исследовательские группы экспериментируют с альтернативными конструкциями на основе мягких биоматериалов, таких как клей или гидрогели. Несмотря на некоторый прогресс в этой области, надежная конструкция до сих пор не определена и не внедрена в коммерческую эксплуатацию.
“Учитывая крайне неровную поверхность сердца, существующие устройства с низкой адгезией часто отсоединяются из-за непрерывного сокращения / расслабления сердца в долгосрочной перспективе”, – сказал Сон. “Для преодоления таких проблем необходима легкая, мгновенная и даже прочная адгезия к тканям сердца. Кроме того, при длительном прикреплении к сердцу материалы, используемые в эпикардиальных устройствах, должны быть исключительно мягкими, чтобы избежать сдавливания тканей.”
Сон и его коллеги приступили к разработке нового адгезивного эпикардиального пластыря, который эффективно преодолевает ограничения ранее предложенных конструкций. Созданный ими пластырь может быть мгновенно прикреплен к тканям на поверхности сердца и может быть легко изготовлен в больших масштабах.
Примечательно, что их пластырь не оказывает никакого ненужного давления на ткани сердца в течение длительного периода времени, что могло бы повысить как его безопасность, так и эффективность. Он состоит из трех различных, но сосуществующих материалов, а именно жидкофазного электропроводящего композита, подложки в форме сетки и ионного клея.
Комбинация этих материалов устраняет необходимость в пришивании пластыря к сердцу, что упрощает его применение медицинскими работниками с различной степенью опыта, а также снижает риск осложнений, связанных с процедурой наложения швов.
“Мы разработали электронный пластырь с тремя слоями, состоящими из мягких адгезивных желеобразных материалов, известных как гидрогели с ионной проводимостью, растягивающихся электродов, изготовленных из жидкофазных металлов, и самовосстанавливающихся эластомерных материалов с волокнистой структурой, которые являются ключевыми компонентами нашей инновации”, – пояснил Сон.
“Среди них липкие гидрогели, созданные по мотивам влагостойкого механизма адгезии морских мидий. Гидрогели играют решающую роль, позволяя мгновенно прикреплять весь электронный пластырь к сердцу без необходимости наложения швов”.
Адгезивность пластыря команды дополнительно повышается благодаря его волокнистой структуре, которая предназначена для рассеивания механического напряжения, самопроизвольно возникающего во время сердцебиения. В отличие от других эпикардиальных пластырей, представленных в прошлом, новое устройство включает электроды на основе жидкофазного металла, в отличие от твердофазных металлов, таких как медь и серебро.
“Эти жидкометаллические электроды демонстрируют замечательную надежность и стабильность при мониторинге эпикардиальных сигналов даже при повторяющихся сердечных сокращениях”, – сказал Сон. “Мы проводили эксперименты по регистрации сердечных сигналов бодрствующих и бегающих животных в течение четырех недель, что ознаменовало значительный прорыв”.
Помимо того, что эпикардиальный пластырь, разработанный Соном и его коллегами, безопаснее и проще в применении к тканям сердца, он позволяет проводить высокоточные измерения, что позволяет надежно диагностировать сердечные приступы и аритмию, два наиболее распространенных сердечно-сосудистых заболевания во всем мире.
Кроме того, пластырь может реагировать на аномальные сигналы, модулируя ритм сердца и способствуя его нормальному функционированию. Поскольку он не столь инвазивен, как другие пластыри, представленные в прошлом, решение команды не вызывает повреждения тканей или воспаления, снижая риск нежелательных осложнений.
“Наш эластичный эпикардиальный пластырь обладает электрическими двунаправленными функциями, которые обеспечивают точную диагностику и терапию с обратной связью при сердечно-сосудистых заболеваниях”, – сказал Сон.
“Пластырь может быть мгновенно прикреплен к тканям сердца, что обеспечивает отличный прогноз. Наша стратегия в отношении материалов и устройств не только точно улавливает эти разнообразные сигналы, но и обладает способностью локально стимулировать ткани в терапевтических целях, эффективно функционируя как “электроцевтическое” устройство. Эта двойная функциональность открывает захватывающие возможности для персонализированной медицины, где пластырь может быть адаптирован к уникальным физиологическим потребностям человека”.
В ходе первоначальных испытаний эпикардиальный пластырь, разработанный Соном и его коллегами, показал весьма многообещающие результаты, подчеркнув его потенциал для улучшения диагностики и лечения заболеваний сердца. Новое решение также может иметь важные последствия для области точной медицины, позволяя врачам предлагать более персонализированные методы лечения, учитывающие уникальные потребности отдельных пациентов.
“Наш пластырь обладает потенциалом революционизировать наш подход к медицинскому лечению, сочетая возможности записи сигналов и стимуляции тканей”, – добавил Сон.
“В настоящее время мы находимся в процессе разработки усовершенствованного биоэлектронного пластыря с расширенным набором каналов, превосходящего существующее ограничение в четыре канала, эта расширенная возможность позволит нам отслеживать более широкий спектр электрофизиологических сигналов, включая те, которые исходят от электроактивных тканей, периферических нервов, скелетных мышц и даже головного мозга.”