(Phys.org) - Koolstofnanobuizen dienen als bruggen die elektrische signalen ongehinderd door nieuwe pediatrische hartafwijkingspatches laten gaan die zijn uitgevonden aan de Rice University en het Texas Children's Hospital.

Een team onder leiding van bio-ingenieur Jeffrey Jacot en chemisch ingenieur en chemicus Matteo Pasquali creëerde de pleisters doordrenkt met geleidende enkelwandige koolstofnanobuisjes. De pleisters zijn gemaakt van een sponsachtige bioscaffold die microscopisch kleine poriën bevat en de extracellulaire matrix van het lichaam nabootst.

De nanobuisjes overwinnen een beperking van huidige patches waarin poriewanden de overdracht van elektrische signalen tussen cardiomyocyten belemmeren, de kloppende cellen van de hartspier, die zich in de pleister nestelen en deze uiteindelijk vervangen door nieuwe spieren.

Het werk verschijnt deze maand in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano . De onderzoekers zeiden dat hun uitvinding zou kunnen dienen als een patch van volledige dikte om defecten als gevolg van Tetralogie van Fallot te herstellen, atriale en ventriculaire septumdefecten en andere defecten zonder het risico op abnormale hartritmes.

De originele pleisters die door Jacot's lab zijn gemaakt, bestaan ​​voornamelijk uit hydrogel en chitosan, een veelgebruikt materiaal gemaakt van de schelpen van garnalen en andere schaaldieren. De pleister is bevestigd aan een polymeerruggengraat die een steek kan vasthouden en op zijn plaats kan houden om een ​​gat in het hart te bedekken. Door de poriën kunnen natuurlijke cellen de pleister binnendringen, die degradeert naarmate de cellen hun eigen netwerken vormen. de pleister, inclusief de ruggengraat, degradeert in weken of maanden als het wordt vervangen door natuurlijk weefsel.

Onderzoekers van Rice en elders hebben ontdekt dat als cellen eenmaal hun plaats in de pleisters hebben ingenomen, ze hebben moeite om te synchroniseren met de rest van het kloppende hart omdat de steiger elektrische signalen dempt die van cel naar cel gaan. Dat tijdelijke verlies van signaaltransductie resulteert in aritmieën.

Nanobuisjes kunnen dat oplossen, en Jacot, die een gezamenlijke afspraak heeft bij Rice en Texas Children's, profiteerde van de omringende collaboratieve onderzoeksomgeving.

"Dit kwam voort uit gesprekken met het laboratorium van Dr. Pasquali en met interventionele cardiologen in het Texas Medical Center, "Zei Jacot. "We hebben gezocht naar een manier om betere cel-tot-cel communicatie te krijgen en concentreerden ons op de snelheid van elektrische geleiding door de patch. We dachten dat nanobuisjes gemakkelijk konden worden geïntegreerd."

Nanobuisjes versterken de elektrische koppeling tussen cellen die de pleister binnendringen, hen helpen de gestage hartslag van het hart bij te houden. "Wanneer cellen voor het eerst een patch bevolken, hun verbindingen zijn onvolwassen vergeleken met inheems weefsel, " zei Jacot. De isolerende steiger kan het cel-naar-cel signaal verder vertragen, maar de nanobuisjes banen zich een weg om de obstakels heen.

Jacot zei dat de relatief lage concentratie nanobuisjes - 67 delen per miljoen in de pleisters die het beste testten - de sleutel is. Eerdere pogingen om nanobuisjes in hartpleisters te gebruiken, gebruikten veel grotere hoeveelheden en verschillende methoden om ze te verspreiden.

Jacot's lab vond een component die ze al in hun pleisters gebruikten - chitosan - houdt de nanobuisjes verspreid. "Chitosan is amfifiel, wat betekent dat het hydrofobe en hydrofiele delen heeft, zodat het zich kan associëren met nanobuisjes (die hydrofoob zijn) en voorkomen dat ze klonteren. Daardoor kunnen we veel lagere concentraties gebruiken dan anderen hebben geprobeerd."

Omdat de toxiciteit van koolstofnanobuisjes in biologische toepassingen een open vraag blijft, Pasquali zei, hoe minder men gebruikt, des te beter. "We willen op de percolatiedrempel blijven, en aan de slag met zo min mogelijk nanobuisjes, " zei hij. "We kunnen dit doen als we de verspreiding goed beheersen en hoogwaardige nanobuisjes gebruiken."

De pleisters beginnen als een vloeistof. Wanneer nanobuisjes worden toegevoegd, het mengsel wordt geschud door sonicatie om de buizen te verspreiden, die anders zou klonteren, vanwege van der Waals attractie. Klontering kan een probleem zijn geweest voor experimenten waarbij hogere nanobuisconcentraties werden gebruikt, zei Pasquali.

Het materiaal wordt in een centrifuge gecentrifugeerd om verdwaalde klonten te verwijderen en tot dunne, schijfjes ter grootte van een vingernagel met een biologisch afbreekbare ruggengraat van polycaprolacton waarmee de pleister op zijn plaats kan worden gehecht. Vriesdrogen bepaalt de grootte van de poriën van de schijven, die groot genoeg zijn om natuurlijke hartcellen te laten infiltreren en om voedingsstoffen en afvalstoffen te laten passeren.

Als bijkomend voordeel, nanobuisjes maken de pleisters ook sterker en verminderen hun neiging om te zwellen, terwijl ze een handvat bieden om hun afbraaksnelheid nauwkeurig af te stemmen, harten genoeg tijd geven om ze te vervangen door natuurlijk weefsel, zei Jacot.

"Als er een gat in het hart zit, een pleister moet de volledige mechanische spanning opnemen, "zei hij. "Het kan niet te snel degraderen, maar het kan ook niet te langzaam degraderen, omdat het uiteindelijk littekenweefsel zou worden. Dat willen we voorkomen."

Pasquali merkte op dat de nanotechnologie-expertise van Rice en het lidmaatschap van het Texas Medical Center een grote synergie bieden. "Dit is een goed voorbeeld van hoe het voor een applicatiebeheerder als Dr. Jacot veel beter is om samen te werken met experts die weten hoe ze met nanobuisjes moeten omgaan, in plaats van te proberen solo te gaan, zoals velen doen, " zei hij. "We krijgen een veel betere controle over het materiaal. Het omgekeerde is ook waar, natuurlijk, en werken met leiders op biomedisch gebied kan het pad naar adoptie voor deze nieuwe materialen echt versnellen."