Magneto-elektrisch materiaal is het eerste in zijn soort dat zenuwweefsel direct kan stimuleren.
Onderzoekers erkennen al lang het therapeutische potentieel van het gebruik van magneto-elektrische materialen die kunnen draaien magnetische velden in elektrische velden ⎯ om zenuwweefsel op minimaal invasieve wijze te stimuleren en neurologische aandoeningen of zenuwbeschadiging te helpen behandelen.
Het probleem is echter dat neuronen moeite hebben met het reageren op de vorm en frequentie van het elektrische signaal dat uit deze conversie voortkomt.
Neuro-ingenieur van Rice University Jacob Robinson en zijn team ontwierpen het eerste magneto-elektrische materiaal dat dit probleem oplost en dat een magnetische-naar-elektrische conversie 120 keer sneller uitvoert dan vergelijkbare materialen.
Think Een studie gepubliceerd in Nature Materials, toonden de onderzoekers aan dat het materiaal kan worden gebruikt om neuronen op afstand nauwkeurig te stimuleren en om de kloof in een gebroken heupzenuw te overbruggen in een rattenmodel.
Robinson zei dat de kwaliteiten en prestaties van het materiaal een diepgaande invloed kunnen hebben op neurostimulatiebehandelingen, waardoor aanzienlijk minder invasieve procedures mogelijk zijn. In plaats van een neurostimulatieapparaat te implanteren, konden kleine hoeveelheden van het materiaal eenvoudigweg op de gewenste plaats worden geïnjecteerd.
Bovendien biedt het onderzoek, gezien het toepassingsgebied van magneto-elektriciteit op het gebied van computers, detectie, elektronica en andere gebieden, een raamwerk voor geavanceerd materiaalontwerp dat innovatie op bredere schaal zou kunnen stimuleren.
“We vroegen: ‘Kunnen we een materiaal maken dat op stof lijkt of zo klein is dat je, door slechts een klein beetje ervan in het lichaam te plaatsen, de hersenen of het zenuwstelsel kunt stimuleren?’” Joshua Chen, een PhD-alumnus van Rice die een hoofdauteur van het onderzoek is.
“Met die vraag in gedachten dachten we dat magneto-elektrische materialen ideale kandidaten waren voor gebruik bij neurostimulatie. Ze reageren op magnetische velden, die gemakkelijk het lichaam binnendringen, en zetten deze om in elektrische velden ⎯ een taal die ons zenuwstelsel al gebruikt om informatie door te geven.”
De onderzoekers begonnen met een magneto-elektrisch materiaal bestaande uit a piëzo-elektrisch laag loodzirkoniumtitanaat ingeklemd tussen twee magnetorestrictief lagen van metallische glaslegeringen, of Metglas, die snel kan worden gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd.
Gauri Bhave, een voormalig onderzoeker in het Robinson-lab die nu werkt technologie overdracht voor Baylor College of Medicine, legde uit dat het magnetorestrictieve element trilt onder toepassing van een magnetisch veld.
"Deze trilling betekent dat het feitelijk van vorm verandert", zei Bhave. “Het piëzo-elektrische materiaal is iets dat, wanneer het van vorm verandert, elektriciteit creëert. Dus wanneer deze twee worden gecombineerd, is de conversie die je krijgt dat het magnetische veld dat je vanaf de buitenkant van het lichaam aanbrengt, verandert in een elektrisch veld.’
De elektrische signalen van magneto-elektriciteit zijn echter te snel en uniform om door neuronen te worden gedetecteerd. De uitdaging was om een nieuw materiaal te ontwikkelen dat een elektrisch signaal zou kunnen genereren waardoor cellen daadwerkelijk zouden reageren.
“Voor alle andere magneto-elektrische materialen is de relatie tussen het elektrische veld en het magnetische veld lineair, en wat we nodig hadden was een materiaal waarbij die relatie niet-lineair was,” zei Robinson. “We moesten nadenken over de soorten materialen die we op deze film konden aanbrengen en die een niet-lineaire respons zouden creëren.”
De onderzoekers brachten platina, hafniumoxide en zinkoxide in laagjes aan en voegden de gestapelde materialen toe bovenop de originele magneto-elektrische film. Een van de uitdagingen waarmee ze werden geconfronteerd, was het vinden van fabricagetechnieken die compatibel waren met de materialen.
“Er is veel werk gestoken in het maken van deze zeer dunne laag van minder dan 200 nanometer, die ons de echt speciale eigenschappen geeft,” zei Robinson.
Magneto-elektrische niet-lineaire metamaterialen zijn 120 keer sneller in het stimuleren van neurale activiteit dan eerder gebruikte magnetische materialen. Afbeelding tegoed: Robinson-lab/Rice University
“Hierdoor werd de omvang van het hele apparaat verkleind, zodat het in de toekomst injecteerbaar zou kunnen zijn,” voegde Bhave eraan toe.
Als proof of concept gebruikten de onderzoekers het materiaal om perifere zenuwen bij ratten te stimuleren en demonstreerden ze het potentieel van het materiaal voor gebruik in neuroprothesen door aan te tonen dat het de functie van een doorgesneden zenuw kon herstellen.
“We kunnen dit metamateriaal gebruiken om het gat in een gebroken zenuw te overbruggen en de hoge elektrische signaalsnelheden te herstellen,” zei Chen.
“Over het algemeen waren we in staat om op rationele wijze een nieuw metamateriaal te ontwerpen dat veel uitdagingen in de neurotechnologie overwint. En nog belangrijker: dit raamwerk voor geavanceerd materiaalontwerp kan worden toegepast op andere toepassingen, zoals detectie en geheugen in de elektronica.”
Robinson, die zich baseerde op zijn doctoraalwerk in de fotonica voor inspiratie bij het ontwerpen van het nieuwe materiaal, zei dat hij het “heel spannend vindt dat we nu apparaten of systemen kunnen ontwerpen met materialen die nog nooit eerder hebben bestaan, in plaats van beperkt te blijven tot materialen in de natuur.”
“Als je eenmaal een nieuw materiaal of een nieuwe klasse materialen hebt ontdekt, denk ik dat het heel moeilijk is om te anticiperen op alle mogelijke toepassingen ervan”, zegt Robinson, hoogleraar elektrische en computertechniek en bio-engineering. “We hebben ons gefocust op bio-elektronica, maar ik verwacht dat er buiten dit vakgebied nog veel toepassingen zullen zijn.”
Bron: Rice University
