(Phys.org) — Kolnanorör fungerar som broar som tillåter elektriska signaler att passera obehindrat genom nya pediatriska hjärtdefektplåster som uppfanns vid Rice University och Texas Children's Hospital.

Ett team ledd av bioingenjören Jeffrey Jacot och kemiingenjören och kemisten Matteo Pasquali skapade plåstren med ledande enkelväggiga kolnanorör. Plåstren är gjorda av en svampliknande bioställning som innehåller mikroskopiska porer och efterliknar kroppens extracellulära matris.

Nanorören övervinner en begränsning av strömfläckar där porväggar hindrar överföringen av elektriska signaler mellan kardiomyocyter, hjärtmuskelns slagande celler, som tar plats i plåstret och så småningom ersätter det med ny muskel.

Arbetet visas denna månad i tidskriften American Chemical Society ACS Nano . Forskarna sa att deras uppfinning skulle kunna fungera som ett plåster i full tjocklek för att reparera defekter på grund av Tetralogy of Fallot, förmaks- och kammarseptumdefekter och andra defekter utan risk för att inducera onormala hjärtrytmer.

De ursprungliga plåstren skapade av Jacots labb består främst av hydrogel och kitosan, ett mycket använt material tillverkat av skal från räkor och andra kräftdjur. Plåstret är fäst på en polymerryggrad som kan hålla ett stygn och hålla det på plats för att täcka ett hål i hjärtat. Porerna tillåter naturliga celler att invadera plåstret, som bryts ned när cellerna bildar egna nätverk. Plåstret, inklusive ryggraden, bryts ned på veckor eller månader då det ersätts av naturlig vävnad.

Forskare vid Rice och på andra håll har funnit att när cellerna tar sin plats i fläckarna, de har svårt att synkronisera med resten av hjärtat som slår eftersom ställningen dämpar elektriska signaler som passerar från cell till cell. Den tillfälliga förlusten av signaltransduktion resulterar i arytmier.

Nanorör kan fixa det, och Jacot, som har ett gemensamt möte på Rice and Texas Children's, utnyttjade den omgivande samarbetsforskningsmiljön.

"Detta härrörde från att prata med Dr Pasqualis labb samt interventionella kardiologer i Texas Medical Center, ", sa Jacot. "Vi har letat efter ett sätt att få bättre cell-till-cell-kommunikation och koncentrerade oss på hastigheten för elektrisk ledning genom plåstret. Vi trodde att nanorör lätt kunde integreras."

Nanorör förbättrar den elektriska kopplingen mellan celler som invaderar plåstret, hjälpa dem att hålla jämna steg med hjärtats jämna slag. "När celler först fyller en lapp, deras kopplingar är omogna jämfört med inhemsk vävnad, " sa Jacot. Den isolerande ställningen kan fördröja cell-till-cell-signalen ytterligare, men nanorören skapar en väg runt hindren.

Jacot sa att den relativt låga koncentrationen av nanorör - 67 delar per miljon i de plåster som testades bäst - är nyckeln. Tidigare försök att använda nanorör i hjärtfläckar använde mycket större kvantiteter och olika metoder för att sprida dem.

Jacots labb hittade en komponent som de redan använde i sina plåster – kitosan – håller nanorören utspridda. "Kitosan är amfifil, vilket betyder att den har hydrofoba och hydrofila delar, så det kan associeras med nanorör (som är hydrofoba) och hindra dem från att klumpa sig. Det är det som gör att vi kan använda mycket lägre koncentrationer än vad andra har försökt."

Eftersom toxiciteten hos kolnanorör i biologiska tillämpningar förblir en öppen fråga, Pasquali sa, ju färre man använder, desto bättre. "Vi vill stanna vid perkolationströskeln, och få till det med så få nanorör som möjligt, ", sa han. "Vi kan göra detta om vi kontrollerar spridningen väl och använder högkvalitativa nanorör."

Plåstren börjar som en vätska. När nanorör läggs till, blandningen skakas genom sonikering för att dispergera rören, som annars skulle klumpa sig, på grund av van der Waals attraktion. Klumpning kan ha varit ett problem för experiment som använde högre nanorörskoncentrationer, sa Pasquali.

Materialet snurras i en centrifug för att eliminera herrelösa klumpar och formas till tunna, fingernagelstora skivor med en biologiskt nedbrytbar polykaprolaktonryggrad som gör att plåstret kan sys på plats. Frystorkning ställer in storleken på skivornas porer, som är tillräckligt stora för att naturliga hjärtceller ska infiltrera och för att näringsämnen och avfall ska passera igenom.

Som en sidofördel, nanorör gör också fläckarna starkare och minskar deras tendens att svälla samtidigt som de ger ett handtag för att justera deras nedbrytningshastighet, ge hjärtan tillräckligt med tid för att ersätta dem med naturlig vävnad, sa Jacot.

"Om det finns ett hål i hjärtat, ett plåster måste ta den fulla mekaniska påfrestningen, " sa han. "Det kan inte försämras för snabbt, men det kan inte heller försämras för långsamt, eftersom det skulle sluta bli ärrvävnad. Det vill vi undvika."

Pasquali noterade att Rices nanoteknologiska expertis och medlemskap i Texas Medical Center erbjuder stor synergi. "Detta är ett bra exempel på hur det är mycket bättre för en applikationsperson som Dr Jacot att arbeta med experter som vet hur man hanterar nanorör, istället för att försöka gå solo, som många gör, " sa han. "Vi slutar med en mycket bättre kontroll av materialet. Det omvända är också sant, självklart, och att arbeta med ledare inom det biomedicinska området kan verkligen påskynda vägen till adoption av dessa nya material."