Northwestern Üniversitesi mühendisleri, bir şırınganın ucuna sığabilecek kadar küçük ve vücuda invaziv olmayan bir şekilde enjekte edilebilen bir kalp pili geliştirdi.
Her boyuttaki kalple çalışabilmesine rağmen, bu kalp pili özellikle doğuştan kalp kusurları olan yenidoğan bebeklerin küçük ve hassas kalpleri için uygun olduğu belirtildi.
Bir pirinç tanesinden daha küçük olan kalp pili, hastanın göğsüne monte edilen küçük, yumuşak, esnek, kablosuz bir giyilebilir cihaz ile eşleştirildi. Bu cihaz, kalp atışındaki düzensizliği tespit ettiğinde otomatik olarak bir ışık darbesi göndererek kalp pilini aktive ediyor. Hastanın cildi, göğüs kemiği ve kaslarından geçen bu kısa ışık darbeleri, kalp ritminin kontrol edilmesini sağlıyor.
Yalnızca geçici olarak kalp pili ihtiyacı olan hastalar için tasarlanan cihaz, artık ihtiyaç kalmadığında kendiliğinden çözünerek vücutta yok olabiliyor. Kalp pilinin tüm bileşenleri biyouyumlu olduğu için, vücut sıvıları içinde doğal olarak çözünerek cerrahi olarak çıkarılma gereksinimini ortadan kaldırıyor.
Bu çalışmanın sonuçları, Nature dergisinde yayımlanan bir araştırmada büyük ve küçük hayvan modelleri ile kadavralardan alınan insan kalplerinde yapılan testlerle cihazın etkinliğini kanıtlamıştır.
“Bildiğimiz kadarıyla dünyanın en küçük kalp pilini geliştirdik.” Bu sözler, cihazın geliştirilmesine öncülük eden Northwestern Üniversitesi biyolektronik uzmanı John A. Rogers’a ait. “Çocuk kalp cerrahileri bağlamında geçici kalp pillerine yönelik büyük bir ihtiyaç var ve bu, cihazın boyutunun küçültülmesinin son derece önemli olduğu bir kullanım alanı. Cihazın vücuda olan yükü açısından – ne kadar küçükse o kadar iyi.”
Bu çalışma, Rogers ve Efimov’un ilk çözünür geçici kalp pilini geliştirdiği önceki bir iş birliği üzerine inşa edildi.
Mevcut standart tedavide, cerrahlar elektrotları kalp kasına diker. Elektrotlardan çıkan kablolar, hastanın göğsünün ön kısmından dışarı çıkar ve bir dış pil kutusuna bağlanarak kalbin ritmini kontrol etmek için bir akım iletir.
Geçici kalp pili artık gerekli olmadığında, doktorlar elektrotları çıkarır. Ancak bu işlem enfeksiyon, elektrotların yerinden oynaması, yırtılma veya doku hasarı, kanama ve kan pıhtılaşması gibi komplikasyonlara neden olabilir.
Bu klinik ihtiyaca yanıt olarak, Rogers, Efimov ve ekipleri çözünür kalp pilini geliştirdi ve bu cihaz 2021 yılında Nature Biotechnology dergisinde tanıtıldı. İnce, esnek ve hafif olan bu cihaz, hacimli piller ve sert donanımları, özellikle de kabloları ortadan kaldırdı.
Rogers’ın laboratuvarı daha önce biyoçözünebilir elektronik tıp konseptini icat etmişti, yani hastaya terapötik fayda sağlayan ve daha sonra vücutta dikiş iplikleri gibi zararsız bir şekilde çözünebilen elektronik cihazlar.
Bu cihazların malzeme bileşimini ve kalınlığını değiştirerek, Rogers’ın ekibi, işlevsel kaldıkları tam süreyi hassas bir şekilde kontrol edebilir.
Vücut sıvılarıyla çalışan pil
Orijinal çeyrek boyutundaki çözünür kalp pili klinik öncesi hayvan çalışmalarında başarılı oldu, ancak kalp cerrahları cihazın daha da küçültülüp küçültülemeyeceğini sordular. Eğer daha küçük olsaydı, invaziv olmayan bir şekilde implante edilmesi daha kolay olabilir ve en küçük hastalar için daha uygun hale gelebilirdi.
Ancak cihaz yakın alan iletişim protokolleri ile çalışıyor – elektronik ödemeler ve RFID etiketlerinde kullanılan aynı teknoloji – ve bu da bir antenin cihaz içine entegre edilmesini gerektiriyordu.
“Orijinal kalp pilimiz gayet iyi çalışıyordu.” diyor Rogers. “İnce, esnek ve tamamen çözünebilirdi. Ancak alıcı anteninin boyutu, cihazı daha da küçültme yeteneğimizi sınırlıyordu. Radyo frekansı tabanlı kablosuz kontrol şeması yerine, kalp pilini açmak ve kalbin yüzeyine uyarı darbeleri göndermek için ışık bazlı bir sistem geliştirdik. Bu özellik, cihazın boyutunu önemli ölçüde küçültmemizi sağladı.”
Araştırmacılar ayrıca cihazın güç kaynağını yeniden tasarlayarak boyutunu daha da küçültmeyi başardı. Yakın alan iletişimi ile güç sağlamak yerine, yeni, minyatür kalp pili, galvanik hücre adı verilen basit bir pil sistemi ile çalışıyor.
Bu pil sistemi, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürebiliyor. Özellikle, kalp pili, iki farklı metal elektrot kullanarak kalbe elektriksel uyarılar gönderiyor. Çevredeki biyo-sıvılar ile temas ettiğinde, bu elektrotlar bir pil oluşturuyor. Böylece ortaya çıkan kimyasal reaksiyonlar, elektrik akımının oluşmasına neden olarak kalbi uyarabiliyor.
Işıkla titreşim
Ekip, derine nüfuz eden ve vücuda zarar vermeyen kızılötesi ışık dalga boyunu kullandı. Eğer hastanın kalp atış hızı belirli bir seviyenin altına düşerse, giyilebilir cihaz bunu tespit ederek otomatik olarak bir ışık yayan diyot (LED) etkinleştirir. Işık, normal kalp ritmine karşılık gelen bir hızda açılıp kapanarak kalp pilini çalıştırıyor.
Cihazın genişliği sadece 1.8 milimetre, uzunluğu 3.5 milimetre ve kalınlığı 1 milimetre olmasına rağmen, tam boyutlu bir kalp pili kadar güçlü uyarılar gönderebilir.
“Kalbin çalışması için çok küçük bir elektriksel uyarı gereklidir.” diyor Rogers. “Cihazın boyutunu küçülterek, implantasyon prosedürlerini önemli ölçüde basitleştiriyoruz, hastaya verilen travmayı ve riski azaltıyoruz ve cihazın çözünebilir yapısı sayesinde, ikinci bir ameliyatla çıkarma ihtiyacını tamamen ortadan kaldırıyoruz.”
Bu teknolojinin çok yönlülüğü, biyoelektronik tıp alanında çok daha geniş kullanım olanakları açıyor. Sinir ve kemik iyileşmesini hızlandırmak, yaraları tedavi etmek ve ağrıyı bloke etmek gibi birçok alanda kullanılabilir.
Materyaller ve yazının kaynağı için tıklayınız.
Daha Fazla Güncel İçerik İçin Biosscope.