Ang magnetoelectric na materyal ay ang una sa uri nito na maaaring direktang pasiglahin ang neural tissue.
Matagal nang kinikilala ng mga mananaliksik ang therapeutic potential ng paggamit ng magnetoelectrics ⎯ materyales na maaaring lumiko magnetic field sa electric field ⎯ upang pasiglahin ang neural tissue nang minimally invasive at tumulong sa paggamot sa mga neurological disorder o nerve damage.
Ang problema, gayunpaman, ay ang mga neuron ay nahihirapang tumugon sa hugis at dalas ng electric signal na nagreresulta mula sa conversion na ito.
Neuroengineer ng Rice University Jacob Robinson at ang kanyang koponan ay nagdisenyo ng unang magnetoelectric na materyal na lumulutas sa isyung ito at nagsasagawa ng magnetic-to-electric na conversion nang 120 beses na mas mabilis kaysa sa mga katulad na materyales.
Ayon sa ang pag-aaral na inilathala sa Nature Materials, ipinakita ng mga mananaliksik na ang materyal ay maaaring gamitin upang tiyak na pasiglahin ang mga neuron nang malayuan at upang tulay ang puwang sa isang sirang sciatic nerve sa isang modelo ng daga.
Sinabi ni Robinson na ang mga katangian at pagganap ng materyal ay maaaring malalim na makakaapekto sa mga paggamot sa neurostimulation, na ginagawa para sa mga hindi gaanong invasive na pamamaraan. Sa halip na magtanim ng isang neurostimulation device, ang maliliit na halaga ng materyal ay maaari lamang iturok sa nais na lugar.
Bukod dito, dahil sa hanay ng aplikasyon ng magnetoelectrics sa computing, sensing, electronics at iba pang larangan, ang pananaliksik ay nagbibigay ng balangkas para sa mga advanced na disenyo ng mga materyales na maaaring magmaneho ng inobasyon nang mas malawak.
"Tinanong namin, 'Maaari ba kaming lumikha ng isang materyal na maaaring maging tulad ng alikabok o napakaliit na sa pamamagitan ng paglalagay lamang ng isang pagwiwisik nito sa loob ng katawan ay magagawa mong pasiglahin ang utak o sistema ng nerbiyos?'" sabi Joshua Chen, isang Rice doctoral alumnus na isang nangungunang may-akda sa pag-aaral.
"Sa pag-iisip ng tanong na iyon, naisip namin na ang mga magnetoelectric na materyales ay mainam na mga kandidato para magamit sa neurostimulation. Tumutugon sila sa mga magnetic field, na madaling tumagos sa katawan, at ginagawa itong mga electric field ⎯ isang wikang ginagamit na ng ating nervous system para maghatid ng impormasyon.”
Nagsimula ang mga mananaliksik sa isang magnetoelectric na materyal na binubuo ng a piezoelectric layer ng lead zirconium titanate nasa pagitan ng dalawa magnetorestrictive mga layer ng metalikong haluang metal, o Metglas, na maaaring mabilis na ma-magnetize at ma-demagnetize.
Gauri Bhave, isang dating mananaliksik sa Robinson lab na ngayon ay nagtatrabaho sa teknolohiya paglipat para sa Baylor College of Medicine, ipinaliwanag na ang magnetorestrictive element ay nag-vibrate sa paggamit ng magnetic field.
"Ang vibration na ito ay nangangahulugan na ito ay karaniwang nagbabago sa hugis nito," sabi ni Bhave. "Ang piezoelectric na materyal ay isang bagay na, kapag binago nito ang hugis, lumilikha ng kuryente. Kaya kapag pinagsama ang dalawang iyon, ang conversion na nakukuha mo ay ang magnetic field na inilalapat mo mula sa labas ng katawan ay nagiging electric field."
Gayunpaman, ang mga de-kuryenteng signal ng magnetoelectrics ay masyadong mabilis at pare-pareho para matukoy ng mga neuron. Ang hamon ay ang pag-engineer ng isang bagong materyal na maaaring makabuo ng isang electric signal na talagang makakatugon sa mga cell.
"Para sa lahat ng iba pang mga magnetoelectric na materyales, ang ugnayan sa pagitan ng electric field at magnetic field ay linear, at ang kailangan namin ay isang materyal kung saan ang relasyon ay nonlinear," sabi ni Robinson. "Kailangan naming isipin ang mga uri ng materyales na maaari naming ideposito sa pelikulang ito na lilikha ng hindi linear na tugon."
Ang mga mananaliksik ay nagpatong ng platinum, hafnium oxide at zinc oxide at idinagdag ang mga nakasalansan na materyales sa ibabaw ng orihinal na magnetoelectric film. Isa sa mga hamon na kanilang kinaharap ay ang paghahanap ng mga pamamaraan sa paggawa na tugma sa mga materyales.
"Maraming trabaho ang nagpunta sa paggawa ng napakanipis na layer na ito na mas mababa sa 200 nanometer na nagbibigay sa amin ng talagang mga espesyal na katangian," sabi ni Robinson.
Ang mga magnetoelectric na nonlinear metamaterial ay 120 beses na mas mabilis sa pagpapasigla ng aktibidad ng neural kaysa sa mga ginamit na magnetic na materyales. Credit ng larawan: Robinson lab/Rice University
"Pinabawasan nito ang laki ng buong device upang sa hinaharap, maaari itong ma-injectable," idinagdag ni Bhave.
Bilang patunay ng konsepto, ginamit ng mga mananaliksik ang materyal upang pasiglahin ang mga peripheral nerve sa mga daga at ipinakita ang potensyal ng materyal para magamit sa neuroprosthetics sa pamamagitan ng pagpapakita na maaari itong ibalik ang paggana sa isang naputol na nerve.
"Maaari naming gamitin ang metamaterial na ito upang tulay ang puwang sa isang sirang nerve at ibalik ang mabilis na bilis ng electric signal," sabi ni Chen.
"Sa pangkalahatan, nagawa naming makatwiran na magdisenyo ng isang bagong metamaterial na nagtagumpay sa maraming hamon sa neurotechnology. At higit sa lahat, ang balangkas na ito para sa advanced na disenyo ng materyal ay maaaring ilapat sa iba pang mga application tulad ng sensing at memorya sa electronics.
Si Robinson, na iginuhit ang kanyang gawaing doktoral sa photonics para sa inspirasyon sa pag-iinhinyero ng bagong materyal, ay nagsabi na nakita niya na "talagang kapana-panabik na maaari na tayong magdisenyo ng mga aparato o sistema gamit ang mga materyales na hindi pa umiiral bago kaysa sa nakakulong sa mga likas na katangian."
"Sa sandaling matuklasan mo ang isang bagong materyal o klase ng mga materyales, sa palagay ko ay talagang mahirap na asahan ang lahat ng mga potensyal na paggamit para sa kanila," sabi ni Robinson, isang propesor ng electrical at computer engineering at bioengineering. "Nakatuon kami sa bioelectronics, ngunit inaasahan ko na maaaring maraming mga aplikasyon na lampas sa larangang ito."
Source: rice University
