A magnetoelektromos anyag a maga nemében az első, amely képes közvetlenül stimulálni az idegszövetet.
A kutatók régóta felismerték a magnetoelektromos ⎯ forogni képes anyagok alkalmazásának terápiás potenciálját mágneses mezőket elektromos mezőkké ⎯ az idegszövet minimálisan invazív stimulálására és a neurológiai rendellenességek vagy idegkárosodások kezelésére.
A probléma azonban az, hogy a neuronok nehezen tudnak reagálni az ebből az átalakításból származó elektromos jel alakjára és frekvenciájára.
A Rice Egyetem neuromérnöke Jacob Robinson és csapata megtervezte az első magnetoelektromos anyagot, amely megoldja ezt a problémát, és a hasonló anyagoknál 120-szor gyorsabban hajtja végre a mágneses-elektromos átalakítást.
Szerint Egy tanulmány A Nature Materials-ban publikálták, a kutatók kimutatták, hogy az anyag felhasználható a neuronok távoli precíz stimulálására, és egy patkánymodellben a törött ülőideg résének áthidalására.
Robinson azt mondta, hogy az anyag tulajdonságai és teljesítménye nagymértékben befolyásolhatja a neurostimulációs kezeléseket, és jelentősen kevésbé invazív eljárásokat tesz lehetővé. A neurostimulációs eszköz beültetése helyett az anyag apró mennyiségét egyszerűen be lehet fecskendezni a kívánt helyre.
Ezen túlmenően, tekintettel a magnetoelektrikumnak a számítástechnikában, az érzékelésben, az elektronikában és más területeken történő alkalmazására, a kutatás keretet biztosít a fejlett anyagok tervezéséhez, amely szélesebb körben ösztönözheti az innovációt.
„Megkérdeztük: „Készíthetünk-e olyan anyagot, amely porszerű lehet, vagy olyan kicsi, hogy ha csak egy cseppnyit is elhelyezünk belőle a testben, akkor stimulálhatjuk az agyat vagy az idegrendszert?” – mondta. Joshua Chen, egy Rice doktori alumnus, aki a tanulmány vezető szerzője.
„Ezt a kérdést szem előtt tartva úgy gondoltuk, hogy a magnetoelektromos anyagok ideális jelöltek a neurostimulációban való felhasználásra. Reagálnak a mágneses mezőkre, amelyek könnyen behatolnak a testbe, és elektromos mezőkké alakítják át őket – egy olyan nyelvet, amelyet idegrendszerünk már az információ továbbítására használ.”
A kutatók egy magnetoelektromos anyaggal kezdték, amely a piezoelektromos réteg ólom-cirkónium-titanát kettő közé szorítva magnetorestrikciós fémes üvegötvözetek rétegei, ill Metglas, amely gyorsan mágnesezhető és lemágnesezhető.
Gauri Bhave, a Robinson labor egykori kutatója, aki jelenleg itt dolgozik technológia átadása a Baylor College of Medicine számára, elmagyarázta, hogy a magnetorestrikciós elem mágneses tér hatására rezeg.
"Ez a rezgés azt jelenti, hogy alapvetően megváltoztatja az alakját" - mondta Bhave. „A piezoelektromos anyag, amikor megváltoztatja alakját, elektromosságot hoz létre. Tehát ha ezt a kettőt egyesítjük, akkor azt az átalakítást kapjuk, hogy a testen kívülről alkalmazott mágneses mező elektromos térré alakul.”
A magnetoelektromos elektromos jelek azonban túl gyorsak és egységesek ahhoz, hogy a neuronok észleljék. A kihívás egy olyan új anyag megtervezése volt, amely képes olyan elektromos jelet generálni, amely ténylegesen reagálásra készteti a sejteket.
"Minden más magnetoelektromos anyag esetében az elektromos tér és a mágneses tér közötti kapcsolat lineáris, és olyan anyagra volt szükségünk, ahol ez a kapcsolat nemlineáris" - mondta Robinson. „El kellett gondolkodnunk azon, hogy milyen anyagokat rakhatunk le erre a filmre, amelyek létrehozzák ezt a nemlineáris választ.”
A kutatók platinát, hafnium-oxidot és cink-oxidot rétegeztek, és a halmozott anyagokat az eredeti magnetoelektromos film tetejére helyezték. Az egyik kihívás az volt, hogy megtalálják az anyagokkal kompatibilis gyártási technikákat.
„Sok munkát végeztünk ennek a nagyon vékony, 200 nanométernél kisebb rétegnek az elkészítésében, amely igazán különleges tulajdonságokat biztosít számunkra” – mondta Robinson.
A magnetoelektromos nemlineáris metaanyagok 120-szor gyorsabban stimulálják az idegi aktivitást, mint a korábban használt mágneses anyagok. A kép jóváírása: Robinson labor/Rice University
"Ez csökkentette az egész eszköz méretét, hogy a jövőben injekciózható legyen" - tette hozzá Bhave.
Az elgondolás bizonyítékaként a kutatók az anyagot patkányok perifériás idegeinek stimulálására használták, és kimutatták az anyag neuroprotézisben való felhasználási lehetőségeit azzal, hogy kimutatták, hogy képes helyreállítani a levágott ideg működését.
"Ezt a metaanyagot használhatjuk a törött idegben lévő rés áthidalására, és a gyors elektromos jelsebesség helyreállítására" - mondta Chen.
„Összességében sikerült racionálisan megterveznünk egy új metaanyagot, amely számos neurotechnológiai kihívást leküzd. És ami még fontosabb, ez a fejlett anyagtervezési keret más alkalmazásokban is alkalmazható, mint például az érzékelés és a memória az elektronikában.”
Robinson, aki fotonikával kapcsolatos doktori munkáiból merített ihletet az új anyag megtervezéséhez, azt mondta, hogy „nagyon izgalmasnak találja, hogy ma már olyan eszközöket vagy rendszereket tervezhetünk, amelyek korábban soha nem léteztek, ahelyett, hogy a természetben lévőkre korlátoznánk magunkat”.
„Ha egyszer felfedezünk egy új anyagot vagy anyagosztályt, nagyon nehéz előre látni az összes lehetséges felhasználást” – mondta Robinson, az elektromos és számítástechnikai mérnökök, valamint a biomérnökök professzora. „A bioelektronikára összpontosítottunk, de arra számítok, hogy ezen a területen kívül is számos alkalmazási terület lehet.”
Forrás: Rice University
