Le matériau magnétoélectrique est le premier du genre capable de stimuler directement le tissu neural.
Les chercheurs reconnaissent depuis longtemps le potentiel thérapeutique de l'utilisation des matériaux magnétoélectriques, qui peuvent transformer champs magnétiques en champs électriques ⎯ pour stimuler le tissu neural de manière mini-invasive et aider à traiter les troubles neurologiques ou les lésions nerveuses.
Le problème, cependant, est que les neurones ont du mal à réagir à la forme et à la fréquence du signal électrique résultant de cette conversion.
Neuro-ingénieur de l'Université Rice Jacob Robinson et son équipe ont conçu le premier matériau magnétoélectrique qui résout ce problème et effectue une conversion magnétique-électrique 120 fois plus rapide que des matériaux similaires.
Selon selon une étude publié dans Nature Materials, les chercheurs ont montré que le matériau pouvait être utilisé pour stimuler avec précision les neurones à distance et pour combler le fossé d'un nerf sciatique brisé dans un modèle de rat.
Robinson a déclaré que les qualités et les performances du matériau pourraient avoir un impact profond sur les traitements de neurostimulation, rendant ainsi les procédures nettement moins invasives. Au lieu d’implanter un appareil de neurostimulation, de petites quantités de matériau pourraient simplement être injectées au site souhaité.
De plus, étant donné la gamme d’applications de la magnétoélectrique dans les domaines de l’informatique, de la détection, de l’électronique et dans d’autres domaines, la recherche fournit un cadre pour la conception de matériaux avancés qui pourrait stimuler l’innovation à plus grande échelle.
« Nous avons demandé : « Pouvons-nous créer un matériau qui ressemble à de la poussière ou qui soit si petit qu'en en plaçant juste une pincée à l'intérieur du corps, vous pourriez stimuler le cerveau ou le système nerveux ? » a déclaré Josué Chen, un ancien doctorant de Rice qui est l'un des principaux auteurs de l'étude.
« En gardant cette question à l’esprit, nous avons pensé que les matériaux magnétoélectriques étaient des candidats idéaux pour une utilisation en neurostimulation. Ils réagissent aux champs magnétiques, qui pénètrent facilement dans le corps, et les convertissent en champs électriques – un langage que notre système nerveux utilise déjà pour relayer les informations.
Les chercheurs sont partis d'un matériau magnétoélectrique constitué d'un piézoélectrique couche d' titanate de plomb et de zirconium pris en sandwich entre deux magnétostrictif des couches d'alliages de verre métallique, ou Metglas, qui peut être rapidement magnétisé et démagnétisé.
Gauri Bhave, ancien chercheur du laboratoire Robinson qui travaille désormais à sans souci transfert pour le Baylor College of Medicine, a expliqué que l'élément magnétostrictif vibre avec l'application d'un champ magnétique.
"Cette vibration signifie qu'il change fondamentalement de forme", a déclaré Bhave. « Le matériau piézoélectrique est quelque chose qui, lorsqu'il change de forme, crée de l'électricité. Ainsi, lorsque ces deux éléments sont combinés, la conversion que vous obtenez est que le champ magnétique que vous appliquez depuis l’extérieur du corps se transforme en champ électrique.
Cependant, les signaux électriques magnétoélectriques sont trop rapides et uniformes pour que les neurones puissent les détecter. Le défi consistait à concevoir un nouveau matériau capable de générer un signal électrique qui inciterait réellement les cellules à réagir.
"Pour tous les autres matériaux magnétoélectriques, la relation entre le champ électrique et le champ magnétique est linéaire, et nous avions besoin d'un matériau dans lequel cette relation n'était pas linéaire", a déclaré Robinson. "Nous avons dû réfléchir aux types de matériaux que nous pourrions déposer sur ce film pour créer cette réponse non linéaire."
Les chercheurs ont superposé du platine, de l'oxyde de hafnium et de l'oxyde de zinc et ont ajouté les matériaux empilés sur le film magnétoélectrique d'origine. L’un des défis auxquels ils étaient confrontés était de trouver des techniques de fabrication compatibles avec les matériaux.
"Beaucoup de travail a été consacré à la création de cette couche très fine de moins de 200 nanomètres qui nous confère des propriétés vraiment spéciales", a déclaré Robinson.
Les métamatériaux magnétoélectriques non linéaires stimulent 120 fois plus rapidement l’activité neuronale que les matériaux magnétiques précédemment utilisés. Crédit image : Laboratoire Robinson/Université Rice
"Cela a réduit la taille de l'ensemble du dispositif afin qu'à l'avenir, il puisse être injectable", a ajouté Bhave.
Comme preuve de concept, les chercheurs ont utilisé ce matériau pour stimuler les nerfs périphériques chez le rat et ont démontré le potentiel d’utilisation de ce matériau dans les neuroprothèses en montrant qu’il pouvait restaurer la fonction d’un nerf sectionné.
"Nous pouvons utiliser ce métamatériau pour combler le fossé d'un nerf brisé et restaurer des vitesses de signal électrique rapides", a déclaré Chen.
« Dans l’ensemble, nous avons pu concevoir de manière rationnelle un nouveau métamatériau qui surmonte de nombreux défis en neurotechnologie. Et plus important encore, ce cadre de conception de matériaux avancés peut être appliqué à d’autres applications telles que la détection et la mémoire en électronique.
Robinson, qui s'est inspiré de ses travaux de doctorat en photonique pour concevoir ce nouveau matériau, a déclaré qu'il trouvait "vraiment excitant que nous puissions désormais concevoir des dispositifs ou des systèmes en utilisant des matériaux qui n'ont jamais existé auparavant plutôt que de nous limiter à ceux de la nature".
"Une fois que vous découvrez un nouveau matériau ou une nouvelle classe de matériaux, je pense qu'il est vraiment difficile d'en anticiper toutes les utilisations potentielles", a déclaré Robinson, professeur de génie électrique et informatique et de bio-ingénierie. "Nous nous sommes concentrés sur la bioélectronique, mais je pense qu'il pourrait y avoir de nombreuses applications au-delà de ce domaine."
La source: Rice University
