Bahan magnetoelektrik adalah yang pertama dari jenisnya yang mampu merangsang jaringan saraf secara langsung.
Para peneliti telah lama menyadari potensi terapeutik dari penggunaan bahan magnetoelektrik yang dapat berubah medan magnet menjadi medan listrik ⎯ untuk menstimulasi jaringan saraf secara minimal invasif dan membantu mengobati gangguan neurologis atau kerusakan saraf.
Namun masalahnya adalah neuron mengalami kesulitan dalam merespons bentuk dan frekuensi sinyal listrik yang dihasilkan dari konversi ini.
Insinyur saraf Universitas Rice Yakub Robinson dan timnya merancang material magnetoelektrik pertama yang mengatasi masalah ini dan melakukan konversi magnet menjadi listrik 120 kali lebih cepat dibandingkan material serupa.
Menurut sebuah pelajaran Diterbitkan di Nature Materials, para peneliti menunjukkan bahwa bahan tersebut dapat digunakan untuk menstimulasi neuron secara tepat dari jarak jauh dan menjembatani celah pada saraf sciatic yang rusak pada model tikus.
Robinson mengatakan bahwa kualitas dan kinerja bahan tersebut dapat sangat memengaruhi perawatan neurostimulasi, sehingga prosedurnya menjadi jauh lebih tidak invasif. Daripada menanamkan perangkat neurostimulasi, sejumlah kecil bahan dapat disuntikkan di tempat yang diinginkan.
Selain itu, mengingat beragam penerapan magnetoelektrik dalam komputasi, penginderaan, elektronik, dan bidang lainnya, penelitian ini memberikan kerangka kerja untuk desain material tingkat lanjut yang dapat mendorong inovasi secara lebih luas.
“Kami bertanya, ‘Bisakah kita membuat bahan yang bentuknya seperti debu atau sangat kecil sehingga hanya dengan menaburkannya di dalam tubuh, Anda dapat menstimulasi otak atau sistem saraf?’” kata dia. Yosua Chen, seorang alumni doktoral Rice yang merupakan penulis utama penelitian ini.
“Dengan mengingat pertanyaan tersebut, kami berpikir bahwa bahan magnetoelektrik adalah kandidat ideal untuk digunakan dalam neurostimulasi. Mereka merespons medan magnet, yang dengan mudah menembus ke dalam tubuh, dan mengubahnya menjadi medan listrik ⎯ bahasa yang sudah digunakan sistem saraf kita untuk menyampaikan informasi.”
Para peneliti memulai dengan bahan magnetoelektrik yang terbuat dari a piezoelektrik lapisan timbal zirkonium titanat terjepit di antara dua magnetorestriktif lapisan paduan kaca metalik, atau Metglas, yang dapat dengan cepat menjadi magnet dan mengalami kerusakan magnet.
Gauri Bhave, mantan peneliti di laboratorium Robinson yang sekarang bekerja di sana teknologi transfer untuk Baylor College of Medicine, menjelaskan bahwa elemen magnetostrictive bergetar dengan penerapan medan magnet.
“Getaran ini pada dasarnya mengubah bentuknya,” kata Bhave. “Bahan piezoelektrik adalah sesuatu yang jika berubah bentuk akan menghasilkan listrik. Jadi ketika keduanya digabungkan, konversi yang Anda peroleh adalah medan magnet yang Anda terapkan dari luar benda berubah menjadi medan listrik.”
Namun, sinyal listrik magnetoelektrik terlalu cepat dan seragam untuk dideteksi oleh neuron. Tantangannya adalah merekayasa material baru yang dapat menghasilkan sinyal listrik yang dapat membuat sel merespons.
“Untuk semua material magnetoelektrik lainnya, hubungan antara medan listrik dan medan magnet adalah linier, dan yang kami butuhkan adalah material yang hubungan tersebut nonlinier,” kata Robinson. “Kami harus memikirkan jenis materi apa yang dapat kami masukkan ke dalam film ini yang akan menciptakan respons nonlinier.”
Para peneliti melapisi platina, hafnium oksida dan seng oksida dan menambahkan tumpukan bahan di atas film magnetoelektrik asli. Salah satu tantangan yang mereka hadapi adalah menemukan teknik fabrikasi yang sesuai dengan bahannya.
“Banyak pekerjaan yang dilakukan untuk membuat lapisan sangat tipis berukuran kurang dari 200 nanometer yang memberi kita sifat yang sangat istimewa,” kata Robinson.
Metamaterial nonlinier magnetoelektrik 120 kali lebih cepat dalam menstimulasi aktivitas saraf dibandingkan bahan magnetik yang digunakan sebelumnya. Kredit gambar: Lab Robinson/Universitas Rice
“Ini mengurangi ukuran keseluruhan perangkat sehingga di masa depan bisa disuntik,” tambah Bhave.
Sebagai bukti konsep, para peneliti menggunakan bahan tersebut untuk menstimulasi saraf tepi pada tikus dan menunjukkan potensi bahan tersebut untuk digunakan dalam neuroprostetik dengan menunjukkan bahwa bahan tersebut dapat memulihkan fungsi saraf yang terputus.
“Kita dapat menggunakan metamaterial ini untuk menjembatani kesenjangan pada saraf yang rusak dan memulihkan kecepatan sinyal listrik yang cepat,” kata Chen.
“Secara keseluruhan, kami mampu merancang metamaterial baru secara rasional yang mengatasi banyak tantangan dalam neuroteknologi. Dan yang lebih penting, kerangka kerja untuk desain material tingkat lanjut ini dapat diterapkan pada aplikasi lain seperti penginderaan dan memori dalam elektronik.”
Robinson, yang memanfaatkan karya doktoralnya di bidang fotonik sebagai inspirasi dalam merekayasa material baru, mengatakan ia merasa “sangat menarik bahwa kita sekarang dapat merancang perangkat atau sistem menggunakan material yang belum pernah ada sebelumnya dan tidak hanya terbatas pada material yang ada di alam.”
“Setelah Anda menemukan bahan atau kelas bahan baru, saya pikir sangat sulit untuk mengantisipasi semua potensi kegunaannya,” kata Robinson, seorang profesor teknik elektro dan komputer serta bioteknologi. “Kami fokus pada bioelektronik, namun saya memperkirakan akan ada banyak penerapan di luar bidang ini.”
Sumber: Rice University
