Magneto-elektriese materiaal is die eerste van sy soort wat neurale weefsel direk kan stimuleer.
Navorsers het lankal die terapeutiese potensiaal erken van die gebruik van magneto-elektriese ⎯-materiale wat kan draai magnetiese velde in elektriese velde ⎯ om neurale weefsel minimaal indringend te stimuleer en te help met die behandeling van neurologiese afwykings of senuweeskade.
Die probleem is egter dat neurone sukkel om te reageer op die vorm en frekwensie van die elektriese sein as gevolg van hierdie omskakeling.
Rice Universiteit neuro-ingenieur Jacob Robinson en sy span het die eerste magneto-elektriese materiaal ontwerp wat hierdie probleem oplos en magnetiese-na-elektriese omskakeling 120 keer vinniger as soortgelyke materiale uitvoer.
Volgens 'n studie gepubliseer in Nature Materials, het die navorsers gewys die materiaal kan gebruik word om presies neurone op afstand te stimuleer en om die gaping in 'n gebroke senuwee in 'n rotmodel te oorbrug.
Robinson het gesê dat die materiaal se eienskappe en werkverrigting 'n groot impak op neurostimulasiebehandelings kan hê, wat aansienlik minder indringende prosedures kan veroorsaak. In plaas daarvan om 'n neurostimulasietoestel in te plant, kan klein hoeveelhede van die materiaal eenvoudig op die gewenste plek ingespuit word.
Verder, gegewe magneto-elektriese toepassingsreeks in rekenaar-, waarnemings-, elektronika- en ander velde, bied die navorsing 'n raamwerk vir gevorderde materiaalontwerp wat innovasie wyer kan aandryf.
"Ons het gevra: 'Kan ons 'n materiaal skep wat soos stof kan wees of so klein is dat jy die brein of senuweestelsel kan stimuleer deur net 'n sprinkel daarvan in die liggaam te plaas? Joshua Chen, 'n Rice-doktorale alumnus wat 'n hoofskrywer van die studie is.
"Met daardie vraag in gedagte, het ons gedink dat magneto-elektriese materiale ideale kandidate is vir gebruik in neurostimulasie. Hulle reageer op magnetiese velde, wat maklik in die liggaam binnedring, en omskep dit in elektriese velde ⎯ 'n taal wat ons senuweestelsel reeds gebruik om inligting oor te dra.”
Die navorsers het begin met 'n magneto-elektriese materiaal wat bestaan uit 'n piezoelectric laag loodsirkoniumtitanaat tussen twee vasgedruk magnetorestrictief lae metaalglaslegerings, of Metglas, wat vinnig gemagnetiseer en gedemagnetiseer kan word.
Gauri Bhave, 'n voormalige navorser in die Robinson-laboratorium wat nou in tegnologie oordrag vir Baylor College of Medicine, het verduidelik dat die magnetorestrictive element vibreer met die toepassing van 'n magnetiese veld.
"Hierdie vibrasie beteken dat dit basies sy vorm verander," het Bhave gesê. “Die piëzo-elektriese materiaal is iets wat, wanneer dit sy vorm verander, elektrisiteit skep. So wanneer daardie twee gekombineer word, is die omskakeling wat jy kry dat die magnetiese veld wat jy van die buitekant van die liggaam toepas, in 'n elektriese veld verander.”
Magneto-elektriese seine is egter te vinnig en eenvormig vir neurone om op te spoor. Die uitdaging was om 'n nuwe materiaal te ontwerp wat 'n elektriese sein kon genereer wat selle eintlik sou laat reageer.
"Vir alle ander magneto-elektriese materiale is die verhouding tussen die elektriese veld en die magnetiese veld lineêr, en wat ons nodig gehad het, was 'n materiaal waar daardie verhouding nie-lineêr was," het Robinson gesê. "Ons moes dink aan die soort materiaal wat ons op hierdie film kan deponeer wat daardie nie-lineêre reaksie sou skep."
Die navorsers het platinum, hafniumoksied en sinkoksied gelaag en die gestapelde materiale bo-op die oorspronklike magneto-elektriese film bygevoeg. Een van die uitdagings wat hulle in die gesig gestaar het, was om vervaardigingstegnieke te vind wat versoenbaar is met die materiale.
"Baie werk het gegaan om hierdie baie dun laag van minder as 200 nanometer te maak wat ons die werklik spesiale eienskappe gee," het Robinson gesê.
Magneto-elektriese nie-lineêre metamateriale is 120 keer vinniger om neurale aktiwiteit te stimuleer as voorheen gebruikte magnetiese materiale. Beeldkrediet: Robinson-laboratorium/Rice-universiteit
"Dit het die grootte van die hele toestel verminder sodat dit in die toekoms inspuitbaar kan wees," het Bhave bygevoeg.
As bewys van konsep het die navorsers die materiaal gebruik om perifere senuwees by rotte te stimuleer en die materiaal se potensiaal vir gebruik in neuroprostetika gedemonstreer deur te wys dat dit funksie in 'n afgesnyde senuwee kan herstel.
"Ons kan hierdie metamateriaal gebruik om die gaping in 'n gebroke senuwee te oorbrug en vinnige elektriese seinspoed te herstel," het Chen gesê.
“Oor die algemeen kon ons 'n nuwe metamateriaal rasioneel ontwerp wat baie uitdagings in neurotegnologie oorkom. En nog belangriker, hierdie raamwerk vir gevorderde materiaalontwerp kan toegepas word op ander toepassings soos waarneming en geheue in elektronika.
Robinson, wat gebruik gemaak het van sy doktorale werk in fotonika vir inspirasie in die ingenieurswese van die nuwe materiaal, het gesê hy vind dit "baie opwindend dat ons nou toestelle of stelsels kan ontwerp met materiaal wat nog nooit voorheen bestaan het nie eerder as om beperk te wees tot dié in die natuur."
"Sodra jy 'n nuwe materiaal of klas materiale ontdek het, dink ek dit is regtig moeilik om al die potensiële gebruike daarvoor te voorsien," sê Robinson, 'n professor in elektriese en rekenaaringenieurswese en bio-ingenieurswese. "Ons het op bio-elektronika gefokus, maar ek verwag dat daar baie toepassings buite hierdie veld kan wees."
Bron: Universiteit Rice
