Magnetoelektrisk materiale er det første i sitt slag som kan stimulere nevralt vev direkte.
Forskere har lenge erkjent det terapeutiske potensialet ved å bruke magnetoelektriske ⎯ materialer som kan snu magnetiske felt til elektriske felt ⎯ for å stimulere nevralt vev minimalt invasivt og hjelpe til med å behandle nevrologiske lidelser eller nerveskade.
Problemet er imidlertid at nevroner har problemer med å reagere på formen og frekvensen til det elektriske signalet som følge av denne konverteringen.
Rice University nevroingeniør Jacob Robinson og teamet hans designet det første magnetoelektriske materialet som løser dette problemet og utfører magnetisk-til-elektrisk konvertering 120 ganger raskere enn lignende materialer.
Ifølge en studie publisert i Nature Materials, viste forskerne at materialet kan brukes til å eksakt stimulere nevroner eksternt og for å bygge bro over gapet i en ødelagt isjiasnerve i en rottemodell.
Robinson sa at materialets kvaliteter og ytelse kan ha stor innvirkning på nevrostimuleringsbehandlinger, noe som gir betydelig mindre invasive prosedyrer. I stedet for å implantere en nevrostimuleringsenhet, kan små mengder av materialet ganske enkelt injiseres på ønsket sted.
Gitt magnetoelectrics bruksområde innen databehandling, sansing, elektronikk og andre felt, gir forskningen dessuten et rammeverk for avansert materialdesign som kan drive innovasjon bredere.
"Vi spurte: 'Kan vi lage et materiale som kan være som støv eller er så lite at ved å plassere bare et dryss av det inne i kroppen, vil du kunne stimulere hjernen eller nervesystemet?'" sa vi. Joshua Chen, en Rice-doktoralumnus som er hovedforfatter på studien.
"Med det spørsmålet i tankene, trodde vi at magnetoelektriske materialer var ideelle kandidater for bruk i nevrostimulering. De reagerer på magnetiske felt, som lett trenger inn i kroppen, og konverterer dem til elektriske felt ⎯ et språk nervesystemet vårt allerede bruker for å videresende informasjon.»
Forskerne startet med et magnetoelektrisk materiale som består av en piezoelektrisk lag av bly zirkonium titanat klemt mellom to magnetorestriktiv lag av metalliske glasslegeringer, eller Metglas, som raskt kan magnetiseres og avmagnetiseres.
Gauri Bhave, en tidligere forsker i Robinson-laboratoriet som nå jobber i teknologi overføring for Baylor College of Medicine, forklarte at det magnetorestrictive elementet vibrerer med påføring av et magnetfelt.
"Denne vibrasjonen betyr at den i utgangspunktet endrer form," sa Bhave. «Det piezoelektriske materialet er noe som, når det endrer form, skaper elektrisitet. Så når disse to kombineres, er konverteringen du får at magnetfeltet du påfører fra utsiden av kroppen blir til et elektrisk felt."
Imidlertid er magnetoelektriske elektriske signaler for raske og ensartede til at nevroner kan oppdage. Utfordringen var å konstruere et nytt materiale som kunne generere et elektrisk signal som faktisk ville få celler til å reagere.
"For alle andre magnetoelektriske materialer er forholdet mellom det elektriske feltet og det magnetiske feltet lineært, og det vi trengte var et materiale der forholdet var ikke-lineært," sa Robinson. "Vi måtte tenke på hva slags materialer vi kunne sette inn på denne filmen som ville skape den ikke-lineære responsen."
Forskerne lagde platina, hafniumoksid og sinkoksid i lag og la de stablede materialene på toppen av den originale magnetoelektriske filmen. En av utfordringene de møtte var å finne fabrikasjonsteknikker som var kompatible med materialene.
"Mye arbeid gikk i å lage dette veldig tynne laget på mindre enn 200 nanometer som gir oss de virkelig spesielle egenskapene," sa Robinson.
Magnetoelektriske ikke-lineære metamaterialer er 120 ganger raskere til å stimulere nevral aktivitet enn tidligere brukte magnetiske materialer. Bildekreditt: Robinson lab/Rice University
"Dette reduserte størrelsen på hele enheten slik at den i fremtiden kan være injiserbar," la Bhave til.
Som bevis på konseptet brukte forskerne materialet til å stimulere perifere nerver hos rotter og demonstrerte materialets potensiale for bruk i nevroproteser ved å vise at det kunne gjenopprette funksjonen i en avkuttet nerve.
"Vi kan bruke dette metamaterialet til å bygge bro over gapet i en ødelagt nerve og gjenopprette raske elektriske signalhastigheter," sa Chen.
"Samlet sett var vi i stand til rasjonelt å designe et nytt metamateriale som overvinner mange utfordringer innen nevroteknologi. Og enda viktigere, dette rammeverket for avansert materialdesign kan brukes mot andre applikasjoner som sansing og minne i elektronikk."
Robinson, som trakk på doktorgradsarbeidet sitt i fotonikk for inspirasjon til å konstruere det nye materialet, sa at han synes det er "virkelig spennende at vi nå kan designe enheter eller systemer ved å bruke materialer som aldri har eksistert før i stedet for å være begrenset til dem i naturen."
"Når du oppdager et nytt materiale eller en klasse av materialer, tror jeg det er veldig vanskelig å forutse alle potensielle bruksområder for dem," sa Robinson, professor i elektro- og datateknikk og bioteknikk. "Vi har fokusert på bioelektronikk, men jeg forventer at det kan være mange applikasjoner utover dette feltet."
kilde: Rice University
