El sensor cardíaco crece con el tejido y mide datos mecánicos y eléctricos.

Investigadores de la Universidad de Massachusetts (UMass) Amherst y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) dieron a conocer recientemente un sistema de red bioelectrónica con sensores de grafeno integrados para la monitorización cardíaca.

Una novedosa red bioeléctrica. Imagen cortesía de la Universidad de Massachusetts Amherst

Este estudio, publicado en Nature, complementa la investigación sobre sensores biométricos, que se centra particularmente en sensores integrados en el cuerpo para monitorear la función de ciertos órganos vitales en tiempo real. El sistema de malla de la UMass Amherst y el MIT puede medir simultáneamente el movimiento físico de las células del tejido del corazón humano cultivadas en laboratorio y sus señales eléctricas. Debido a que el sistema puede crecer con las células del corazón, los investigadores podrían monitorear cómo las funciones eléctricas y mecánicas del corazón cambian con el tiempo o en respuesta a nuevas terapias con medicamentos.

El sistema de malla de grafeno mide datos cardíacos mecánicos y eléctricos

Los investigadores diseñaron su sistema para rastrear de manera integral la dinámica multimodal de excitación-contracción dentro de los microtejidos cardíacos (CMT). Los científicos prefieren los CMT para la investigación cardíaca porque simulan fielmente las condiciones in vivo. Sin embargo, monitorear estos tejidos puede resultar difícil debido a su complejidad tridimensional. Además, los investigadores necesitan monitorear simultáneamente la actividad eléctrica y mecánica para comprender la función cardíaca y los efectos de los medicamentos.

El equipo de la UMass Amherst y el MIT incorporaron sensores de grafeno en una malla para imitar la suavidad y las dimensiones del tejido para que pudiera integrarse de manera estable en los CMT. Utilizando este enfoque, el sistema registró el potencial de acción y la tensión inducida por las contracciones celulares directamente en el entorno del tejido. Esta funcionalidad dual es crucial para mapear con precisión las complejidades del acoplamiento de excitación-contracción cardíaca, un aspecto importante que a menudo se pasa por alto en los enfoques tradicionales de detección de modalidad única.

El concepto y la producción del dispositivo. Imagen cortesía de Naturaleza

El dispositivo consta de una construcción multicapa, que incluye grafeno de una sola capa sintetizado mediante deposición química de vapor y estampado sobre un sustrato de cinta ultraflexible. Esta configuración altera mínimamente el tejido y monitorea la actividad celular localizada con precisión. Los transistores de grafeno en el núcleo de este sistema son extremadamente sensibles tanto a las señales eléctricas (con una transconductancia máxima de ~2,2 ± 0,4 mS/V) como a la deformación mecánica (indicada por un factor de calibre de ~82 ± 24).

Luego, el equipo validó la eficacia del sistema siguiendo el proceso de maduración dentro de las CMT, evaluando los efectos de los agentes farmacológicos y modelando enfermedades. El sistema de detección detectó cambios sutiles en la respuesta del tejido a diversos fármacos, lo que potencialmente lo hace útil para la detección de fármacos y las pruebas de cardiotoxicidad. Al recopilar datos cardíacos eléctricos y mecánicos, el sistema proporciona datos más holísticos sobre la funcionalidad cardíaca, incluido el seguimiento en tiempo real de la dinámica de la CE, evaluaciones detalladas de la maduración de los tejidos y las respuestas a los fármacos.

Los beneficios del grafeno para la vigilancia biométrica

Este estudio es uno de muchos de los últimos años que se basan en la electrónica gráfica para la captura biométrica. En tales aplicaciones, el grafeno es extremadamente sensible y reacciona rápidamente a estímulos biológicos y químicos. Gracias a la alta relación superficie-volumen y la excelente conductividad del grafeno, es capaz de detectar cambios mínimos en las señales eléctricas causadas por actividades fisiológicas como la frecuencia cardíaca, los niveles de glucosa y la actividad neuronal. Esto permite que los biosensores basados ​​en grafeno monitoreen con precisión el estado de salud en tiempo real, allanando el camino para el diagnóstico temprano y la medicina personalizada.

Potencial de los sensores basados ​​en grafeno en el seguimiento de la salud. Imagen cortesía de Fronteras

Debido a que el grafeno es extremadamente flexible y fuerte, los investigadores lo utilizan a menudo para desarrollar sensores portátiles e implantables que se adaptan a los contornos del cuerpo. Los usuarios pueden usar cómodamente estos dispositivos de monitoreo continuo de la salud sin que interfieran con sus actividades diarias. Los sensores de grafeno flexibles pueden integrarse en textiles o fijarse directamente a la piel, proporcionando una forma no invasiva de rastrear los signos vitales y la actividad física.

Debido a su biocompatibilidad, el grafeno también es un material atractivo para la detección biométrica. Interactúa con el tejido biológico sin causar reacciones adversas, lo que lo hace adecuado para dispositivos implantables a largo plazo que monitorean los procesos fisiológicos internos o apoyan la regeneración y curación del tejido.

El primer sensor cardíaco de su tipo

Los sensores cardíacos actuales sólo pueden medir la actividad mecánica (el bombeo de sangre por el cuerpo) o las señales eléctricas que controlan esa actividad, pero no ambas. El sensor de grafeno de UMass Amherst y el MIT monitorea de forma única el movimiento y la carga en un factor de forma delgado que no afecta la función del tejido cardíaco. Los investigadores atribuyen el tamaño del sistema a su matriz de grafeno, que tiene sólo un átomo de espesor. La malla a base de grafeno es conductora de electricidad, detecta cargas eléctricas que pulsan a través del corazón y es piezoresistiva, por lo que la resistencia eléctrica aumenta a medida que el tejido cardíaco late y se expande.

Este estudio fue apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., los Institutos Nacionales de Salud, la Corporación de Investigación de Semiconductores, la Fundación Link y el Instituto de Ciencias de la Vida Aplicadas de la UMass Amherst.