Magnetoelektrisches Material ist das erste seiner Art, das Nervengewebe direkt stimulieren kann.
Forscher haben seit langem das therapeutische Potenzial der Verwendung magnetoelektrischer Materialien erkannt, die sich drehen können magnetische Felder in elektrische Felder ⎯ um Nervengewebe minimalinvasiv zu stimulieren und bei der Behandlung neurologischer Störungen oder Nervenschäden zu helfen.
Das Problem besteht jedoch darin, dass Neuronen Schwierigkeiten haben, auf die Form und Frequenz des aus dieser Umwandlung resultierenden elektrischen Signals zu reagieren.
Neuroingenieur der Rice University Jakob Robinson und sein Team entwickelten das erste magnetoelektrische Material, das dieses Problem löst und die Umwandlung von magnetisch in elektrisch 120-mal schneller durchführt als vergleichbare Materialien.
Laut eine Studie Die in „Nature Materials“ veröffentlichten Ergebnisse zeigten, dass das Material zur präzisen Stimulation von Neuronen aus der Ferne und zur Überbrückung der Lücke in einem gebrochenen Ischiasnerv in einem Rattenmodell verwendet werden kann.
Robinson sagte, dass die Qualität und Leistung des Materials einen tiefgreifenden Einfluss auf Neurostimulationsbehandlungen haben könnte, was zu deutlich weniger invasiven Eingriffen führen könnte. Anstatt ein Neurostimulationsgerät zu implantieren, könnten einfach winzige Mengen des Materials an der gewünschten Stelle injiziert werden.
Darüber hinaus bietet die Forschung angesichts des Anwendungsspektrums der Magnetoelektrika in der Informatik, Sensorik, Elektronik und anderen Bereichen einen Rahmen für fortschrittliches Materialdesign, der Innovationen auf breiterer Ebene vorantreiben könnte.
„Wir fragten: ‚Können wir ein Material herstellen, das wie Staub sein kann oder so klein ist, dass man mit nur einem Spritzer davon in den Körper das Gehirn oder das Nervensystem stimulieren kann?‘“, sagte er Joshua Chen, ein Rice-Doktorand und Hauptautor der Studie.
„Mit dieser Frage im Hinterkopf dachten wir, dass magnetoelektrische Materialien ideale Kandidaten für den Einsatz in der Neurostimulation seien. Sie reagieren auf Magnetfelder, die leicht in den Körper eindringen, und wandeln sie in elektrische Felder um – eine Sprache, die unser Nervensystem bereits zur Informationsweitergabe nutzt.“
Die Forscher begannen mit einem magnetoelektrischen Material bestehend aus a Piezo Schicht Blei-Zirkonium-Titanat eingeklemmt zwischen zwei magnetorestriktiv Schichten aus metallischen Glaslegierungen, oder Metglas, das schnell magnetisiert und entmagnetisiert werden kann.
Gauri Bhave, ein ehemaliger Forscher im Robinson-Labor, der jetzt dort arbeitet Technologie Transfer für das Baylor College of Medicine, erklärte, dass das magnetorestriktive Element bei der Anwendung eines Magnetfelds vibriert.
„Diese Vibration bedeutet, dass es grundsätzlich seine Form ändert“, sagte Bhave. „Das piezoelektrische Material ist etwas, das, wenn es seine Form ändert, Elektrizität erzeugt. Wenn man also diese beiden kombiniert, erhält man die Umwandlung, dass das magnetische Feld, das man von außerhalb des Körpers anlegt, in ein elektrisches Feld umgewandelt wird.“
Die elektrischen Signale der Magnetoelektrika sind jedoch zu schnell und gleichmäßig, als dass Neuronen sie erkennen könnten. Die Herausforderung bestand darin, ein neues Material zu entwickeln, das ein elektrisches Signal erzeugen kann, das die Zellen tatsächlich zum Reagieren bringt.
„Bei allen anderen magnetoelektrischen Materialien ist die Beziehung zwischen dem elektrischen Feld und dem magnetischen Feld linear, und wir brauchten ein Material, bei dem diese Beziehung nichtlinear war“, sagte Robinson. „Wir mussten darüber nachdenken, welche Materialien wir auf diesen Film auftragen könnten, um diese nichtlineare Reaktion zu erzeugen.“
Die Forscher schichteten Platin, Hafniumoxid und Zinkoxid auf und fügten die gestapelten Materialien auf den ursprünglichen magnetoelektrischen Film auf. Eine der Herausforderungen bestand darin, mit den Materialien kompatible Herstellungstechniken zu finden.
„Es wurde viel Arbeit in die Herstellung dieser sehr dünnen Schicht von weniger als 200 Nanometern gesteckt, die uns die wirklich besonderen Eigenschaften verleiht“, sagte Robinson.
Magnetoelektrische nichtlineare Metamaterialien stimulieren die neuronale Aktivität 120-mal schneller als bisher verwendete magnetische Materialien. Bildnachweis: Robinson Lab/Rice University
„Dadurch wurde die Größe des gesamten Geräts reduziert, sodass es in Zukunft injizierbar sein könnte“, fügte Bhave hinzu.
Als Machbarkeitsnachweis verwendeten die Forscher das Material zur Stimulierung peripherer Nerven bei Ratten und demonstrierten das Potenzial des Materials für den Einsatz in der Neuroprothetik, indem sie zeigten, dass es die Funktion eines durchtrennten Nervs wiederherstellen kann.
„Wir können dieses Metamaterial verwenden, um die Lücke in einem gebrochenen Nerv zu schließen und schnelle elektrische Signalgeschwindigkeiten wiederherzustellen“, sagte Chen.
„Insgesamt konnten wir auf rationale Weise ein neues Metamaterial entwerfen, das viele Herausforderungen in der Neurotechnologie meistert. Und was noch wichtiger ist: Dieser Rahmen für fortschrittliches Materialdesign kann auf andere Anwendungen wie Sensorik und Speicher in der Elektronik angewendet werden.“
Robinson, der sich bei der Entwicklung des neuen Materials von seiner Doktorarbeit in Photonik inspirieren ließ, sagte, er finde es „wirklich spannend, dass wir jetzt Geräte oder Systeme mit Materialien entwerfen können, die es noch nie zuvor gab, anstatt sich auf solche in der Natur zu beschränken.“
„Sobald man ein neues Material oder eine neue Materialklasse entdeckt, ist es meiner Meinung nach wirklich schwer, alle potenziellen Verwendungsmöglichkeiten dafür vorherzusagen“, sagte Robinson, Professor für Elektro- und Computertechnik sowie Bioingenieurwesen. „Wir haben uns auf die Bioelektronik konzentriert, aber ich gehe davon aus, dass es über diesen Bereich hinaus viele Anwendungen geben könnte.“
Quelle: Rice University
