قلب به عنوان یک اندام حیاتی، نیازمند پایش دقیق فعالیت‌های الکتریکی خود برای حفظ ریتم طبیعی و عملکرد بهینه است. توسعه الکترودهای زیست‌سازگار برای کاربردهای پزشکی مانند پیس‌میکرها، دفیبریلاتورها و دستگاه‌های مانیتورینگ قلبی، گامی مهم در افزایش کارایی درمان‌های قلبی محسوب می‌شود. با این حال، چالش‌های متعددی از جمله کاهش پاسخ ایمنی بدن، بهبود کیفیت ثبت سیگنال‌ها و سازگاری طولانی‌مدت با بافت زنده، همچنان پابرجاست که در ادامه بررسی میکنیم.
مهندسی الکترودهای نانوساختار با پوشش‌های ضدلخته
الکترودهای مورد استفاده در کاربردهای قلبی باید علاوه بر هدایت الکتریکی مناسب، از لحاظ زیست‌سازگاری نیز در سطح بالایی قرار داشته باشند. یکی از مشکلات رایج در استفاده از الکترودهای فلزی، ایجاد لخته‌های خونی و واکنش‌های ایمنی بدن است. مهندسی نانوساختارها و پوشش‌های پیشرفته می‌توانند به کاهش این مشکلات کمک کنند.
استفاده از الماس نانوبلورین (NCD)
الماس نانوبلورین به دلیل داشتن هدایت الکتریکی مناسب، مقاومت بالا در برابر خوردگی و خاصیت ضدلخته، به عنوان یک گزینه ایده‌آل برای پوشش الکترودهای قلبی مطرح است. این ماده نه‌تنها سطح تماس الکترود را بهبود می‌بخشد، بلکه تشکیل فیلم‌های پروتئینی غیرضروری را کاهش داده و احتمال تحریک سیستم ایمنی بدن را کم می‌کند.
پلیمرهای هادی زیست‌سازگار
پلیمرهای هادی مانند پلی‌اتیلن‌دی‌اکسیتوفوران (PEDOT) و پلی‌آنیلین به دلیل انعطاف‌پذیری بالا و امکان عملکرد به عنوان واسط‌های نرم، گزینه‌های مناسبی برای پوشش الکترودها محسوب می‌شوند. این مواد می‌توانند هدایت الکتریکی مطلوبی ایجاد کنند و از تشکیل لخته‌های خونی جلوگیری کنند.
مهندسی سطح با نانوساختارهای زیست‌فعال
طراحی سطوح نانوساختار با استفاده از ترکیبات زیست‌فعال مانند هیدروژل‌های مهندسی‌شده یا پوشش‌های مبتنی بر اکسیدهای فلزی (مانند اکسید تیتانیوم) می‌تواند تعامل بهتری بین الکترود و بافت ایجاد کند و از بروز عوارض جانبی بکاهد.
بررسی سیگنال‌های الکتروفیزیولوژیک قلب
یکی از مهم‌ترین کارکردهای الکترودهای زیست‌سازگار در کاربردهای قلبی، ثبت دقیق سیگنال‌های الکتروفیزیولوژیک برای همگام‌سازی دستگاه‌های پمپاژ مصنوعی با ریتم طبیعی قلب است. این فرآیند به کاهش آریتمی‌ها و بهبود عملکرد کلی قلب کمک می‌کند.
تحلیل امواج الکتروکاردیوگرام (ECG)
الکترودهای زیست‌سازگار باید قادر به ثبت امواج P، QRS و T با دقت بالا باشند تا امکان تشخیص دقیق ریتم‌های غیرطبیعی فراهم شود. هرگونه نویز یا تداخل در ثبت این امواج می‌تواند باعث کاهش دقت الگوریتم‌های همگام‌سازی شود.
همگام‌سازی با تحریکات طبیعی گره سینوسی
دستگاه‌های کمکی قلبی مانند پیس‌میکرهای هوشمند باید بتوانند سیگنال‌های خروجی گره سینوسی (SA Node) را پردازش کنند و بر اساس الگوی طبیعی انقباضات قلب، پالس‌های الکتریکی را تنظیم نمایند.
استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای بهبود تحلیل داده‌ها
تحلیل داده‌های الکتروفیزیولوژیک با استفاده از روش‌های هوش مصنوعی می‌تواند دقت همگام‌سازی را افزایش دهد. این الگوریتم‌ها قادرند به طور خودکار تغییرات ریتم قلبی را شناسایی کرده و در صورت نیاز، تنظیمات مناسب را برای تحریک الکتریکی بهینه اعمال کنند.
کاهش پاسخ التهابی بدن به الکترودهای فلزی
یکی از مهم‌ترین چالش‌های موجود در توسعه الکترودهای قلبی، کاهش واکنش ایمنی بدن و التهاب ناشی از تماس طولانی‌مدت با مواد خارجی است. التهابات مزمن می‌توانند عملکرد الکترودها را تحت تأثیر قرار داده و طول عمر آن‌ها را کاهش دهند.
استفاده از مواد ضدالتهابی
پوشش‌دهی الکترودها با مواد ضدالتهابی مانند هپارین، داروهای ضدالتهابی غیراستروئیدی (NSAIDs) یا نانوساختارهای زیست‌فعال می‌تواند به کاهش واکنش‌های ایمنی کمک کند. این مواد می‌توانند آزادسازی سایتوکاین‌های التهابی را کاهش داده و مانع از افزایش فیبروز در اطراف الکترود شوند.
بهینه‌سازی طراحی سطح الکترود
مهندسی سطح الکترود با استفاده از روش‌هایی مانند نانوتوپولوژی می‌تواند تعامل بین سطح الکترود و سلول‌های ایمنی را کاهش دهد. ایجاد سطوح هیدروفوبیک یا پوشش‌دهی با نانولایه‌های زیست‌سازگار می‌تواند باعث کاهش جذب پروتئین‌های التهابی شود.
ترکیب بافت‌های زیستی با الکترودهای مصنوعی
یکی از راهکارهای نوین، ترکیب مواد زیستی با الکترودهای مصنوعی است. برای مثال، استفاده از الکترودهای پلیمری که با سلول‌های بنیادی یا ماتریکس خارج‌سلولی ترکیب شده‌اند، می‌تواند به کاهش پاسخ ایمنی بدن کمک کند و یکپارچگی طولانی‌مدت بافت و الکترود را تضمین نماید.
پیشرفت در حوزه الکترودهای زیست‌سازگار برای کاربردهای قلبی، نقش بسزایی در بهبود درمان بیماری‌های قلبی و کاهش عوارض جانبی دارد. استفاده از مواد نانوساختار، پوشش‌های ضدلخته و روش‌های هوشمند همگام‌سازی با ریتم قلب، باعث افزایش کارایی و ایمنی این فناوری‌ها می‌شود.
منابع:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/ee/c3ee23729j
