(Phys.org) — I nanotubi di carbonio fungono da ponti che consentono ai segnali elettrici di passare senza ostacoli attraverso i nuovi cerotti pediatrici per difetti cardiaci inventati alla Rice University e al Texas Children's Hospital.

Un team guidato dal bioingegnere Jeffrey Jacot e dall'ingegnere chimico e chimico Matteo Pasquali ha creato i cerotti infusi con nanotubi di carbonio conduttivi a parete singola. I cerotti sono costituiti da un bioscaffold simile a una spugna che contiene pori microscopici e imita la matrice extracellulare del corpo.

I nanotubi superano una limitazione di patch attuali in cui le pareti dei pori ostacolano il trasferimento di segnali elettrici tra cardiomiociti, le cellule che battono il muscolo cardiaco, che prendono residenza nel cerotto e alla fine lo sostituiscono con nuovo muscolo.

Il lavoro appare questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano . I ricercatori hanno affermato che la loro invenzione potrebbe fungere da cerotto a tutto spessore per riparare i difetti dovuti alla Tetralogia di Fallot, difetti del setto atriale e ventricolare e altri difetti senza il rischio di indurre ritmi cardiaci anormali.

I cerotti originali creati dal laboratorio di Jacot sono costituiti principalmente da idrogel e chitosano, un materiale ampiamente utilizzato ricavato dai gusci di gamberi e altri crostacei. Il cerotto è attaccato a una spina dorsale in polimero che può contenere un punto e tenerlo in posizione per coprire un buco nel cuore. I pori consentono alle cellule naturali di invadere il cerotto, che degrada quando le cellule formano reti proprie. La toppa, compresa la spina dorsale, degrada in settimane o mesi in quanto viene sostituito da tessuto naturale.

I ricercatori della Rice e altrove hanno scoperto che una volta che le cellule prendono il loro posto nei cerotti, hanno difficoltà a sincronizzarsi con il resto del cuore pulsante perché l'impalcatura silenzia i segnali elettrici che passano da cellula a cellula. Quella perdita temporanea di trasduzione del segnale provoca aritmie.

I nanotubi possono risolverlo, e Giacobbe, che ha un appuntamento congiunto alla Rice e al Texas Children's, ha sfruttato l'ambiente di ricerca collaborativa circostante.

"Questo è derivato dal parlare con il laboratorio del dottor Pasquali e con i cardiologi interventisti del Texas Medical Center, " ha detto Jacot. "Abbiamo cercato un modo per ottenere una migliore comunicazione da cellula a cellula e ci siamo concentrati sulla velocità di conduzione elettrica attraverso il cerotto. Pensavamo che i nanotubi potessero essere facilmente integrati".

I nanotubi migliorano l'accoppiamento elettrico tra le cellule che invadono il cerotto, aiutandoli a tenere il passo con il battito costante del cuore. "Quando le cellule popolano per la prima volta una patch, le loro connessioni sono immature rispetto al tessuto nativo, " disse Jacot. L'impalcatura isolante può ritardare ulteriormente il segnale da cellula a cellula, ma i nanotubi creano un percorso intorno agli ostacoli.

Jacot ha affermato che la concentrazione relativamente bassa di nanotubi, 67 parti per milione nei cerotti che hanno testato meglio, è la chiave. I precedenti tentativi di utilizzare i nanotubi nei cerotti cardiaci impiegavano quantità molto più elevate e diversi metodi per disperderli.

Il laboratorio di Jacot ha trovato un componente che stavano già utilizzando nei loro cerotti, il chitosano, che mantiene i nanotubi distesi. "Il chitosano è anfifilico, il che significa che ha porzioni idrofobiche e idrofile, in modo che possa associarsi ai nanotubi (che sono idrofobici) e impedire loro di aggregarsi. Questo è ciò che ci consente di utilizzare concentrazioni molto più basse di quelle che altri hanno provato".

Poiché la tossicità dei nanotubi di carbonio nelle applicazioni biologiche rimane una questione aperta, Pasquali ha detto meno se ne usa, meglio è. "Vogliamo restare alla soglia di percolazione, e arrivarci con il minor numero di nanotubi possibile, ", ha detto. "Possiamo farlo se controlliamo bene la dispersione e utilizziamo nanotubi di alta qualità".

I cerotti iniziano come un liquido. Quando vengono aggiunti i nanotubi, la miscela viene agitata tramite sonicazione per disperdere i tubi, che altrimenti si accumulerebbe, a causa dell'attrazione di van der Waals. L'aggregazione potrebbe essere stata un problema per gli esperimenti che utilizzavano concentrazioni di nanotubi più elevate, ha detto Pasquali.

Il materiale viene filato in una centrifuga per eliminare i grumi vaganti e formato in sottili, dischi delle dimensioni di un'unghia con uno scheletro in policaprolattone biodegradabile che consente di suturare il cerotto in posizione. La liofilizzazione imposta la dimensione dei pori dei dischi, che sono abbastanza grandi da consentire l'infiltrazione delle cellule cardiache naturali e il passaggio di sostanze nutritive e rifiuti.

Come vantaggio collaterale, i nanotubi rendono anche i cerotti più forti e riducono la loro tendenza a gonfiarsi fornendo una maniglia per regolare con precisione il loro tasso di degradazione, dando ai cuori abbastanza tempo per sostituirli con tessuti naturali, ha detto Jacot.

"Se c'è un buco nel cuore, una patch deve sopportare l'intero stress meccanico, " ha detto. "Non può degradare troppo velocemente, ma non può nemmeno degradarsi troppo lentamente, perché finirebbe per diventare tessuto cicatriziale. Vogliamo evitarlo".

Pasquali ha osservato che l'esperienza in nanotecnologia di Rice e l'appartenenza al Texas Medical Center offrono una grande sinergia. "Questo è un buon esempio di come sia molto meglio per un esperto di applicazioni come il Dr. Jacot lavorare con esperti che sanno come gestire i nanotubi, piuttosto che provare ad andare da solo, come molti fanno, " ha detto. "Ci ritroviamo con un controllo molto migliore del materiale. È vero anche il contrario, Certo, e lavorare con i leader nel campo biomedico può davvero accelerare il percorso verso l'adozione di questi nuovi materiali".