Магнітоелектричний матеріал є першим у своєму роді, здатним безпосередньо стимулювати нервову тканину.
Дослідники давно визнали терапевтичний потенціал використання магнітоелектриків ⎯ матеріалів, які можуть повертати магнітні поля в електричні ⎯ для мінімально інвазивної стимуляції нервової тканини та лікування неврологічних розладів або пошкодження нервів.
Однак проблема полягає в тому, що нейронам важко реагувати на форму та частоту електричного сигналу, який виникає в результаті цього перетворення.
Нейроінженер Університету Райса Джейкоб Робінсон і його команда розробили перший магнітоелектричний матеріал, який вирішує цю проблему і виконує магнітне перетворення в електрику в 120 разів швидше, ніж аналогічні матеріали.
За оцінками дослідження опублікованому в Nature Materials, дослідники показали, що матеріал можна використовувати для точної дистанційної стимуляції нейронів і для усунення розриву в зламаному сідничному нерві на моделі щура.
Робінсон сказав, що якість і ефективність матеріалу можуть суттєво вплинути на лікування нейростимуляцією, що робить процедури значно менш інвазивними. Замість того, щоб імплантувати пристрій для нейростимуляції, крихітну кількість матеріалу можна просто ввести в потрібне місце.
Крім того, враховуючи діапазон застосування магнітоелектрики в обчислювальній техніці, сенсорній техніці, електроніці та інших галузях, дослідження забезпечує структуру для передового дизайну матеріалів, яка може стимулювати інновації ширше.
«Ми запитали: «Чи можемо ми створити матеріал, який буде схожий на пил або настільки малий, що, помістивши його всередину тіла, ви зможете стимулювати мозок або нервову систему?», — сказав він. Джошуа Чен, випускник докторської програми Райса, який є провідним автором дослідження.
«Зважаючи на це питання, ми подумали, що магнітоелектричні матеріали є ідеальними кандидатами для використання в нейростимуляції. Вони реагують на магнітні поля, які легко проникають у тіло, і перетворюють їх на електричні поля – мову, яку наша нервова система вже використовує для передачі інформації».
Дослідники почали з магнітоелектричного матеріалу, що складається з a п'єзоелектричний шар свинцю титанат цирконію затиснутий між двома магніторестрикційні шари сплавів металевого скла, або Metglas, які можна швидко намагнічувати і розмагнічувати.
Гаурі Бхаве, колишній дослідник лабораторії Робінсона, який зараз працює в ній technology для Медичного коледжу Бейлора, пояснив, що магніторестрикційний елемент вібрує під дією магнітного поля.
«Ця вібрація означає, що він фактично змінює свою форму», — сказав Бхаве. «П’єзоелектричний матеріал — це те, що, коли він змінює свою форму, створює електрику. Тож коли ці два поєднуються, ви отримуєте перетворення, яке полягає в тому, що магнітне поле, яке ви застосовуєте ззовні тіла, перетворюється на електричне поле».
Однак електричні сигнали магнітоелектриків надто швидкі та однорідні, щоб їх нейрони могли виявити. Завдання полягало в тому, щоб створити новий матеріал, який міг би генерувати електричний сигнал, який дійсно змусив би клітини реагувати.
«Для всіх інших магнітоелектричних матеріалів зв’язок між електричним і магнітним полем є лінійним, і нам потрібен був матеріал, у якому цей зв’язок був би нелінійним», — сказав Робінсон. «Нам потрібно було подумати про види матеріалів, які ми можемо нанести на цю плівку, щоб створити цю нелінійну реакцію».
Дослідники наклали шари платини, оксиду гафнію та оксиду цинку та додали складені матеріали поверх оригінальної магнітоелектричної плівки. Однією з проблем, з якою вони зіткнулися, було знайти техніку виготовлення, сумісну з матеріалами.
«Багато роботи було витрачено на створення цього дуже тонкого шару менше 200 нанометрів, який надає нам справді особливі властивості», — сказав Робінсон.
Магнітоелектричні нелінійні метаматеріали в 120 разів швидше стимулюють нейронну активність, ніж раніше використовувані магнітні матеріали. Кредит зображення: лабораторія Робінсона/Університет Райса
«Це зменшило розмір всього пристрою, щоб у майбутньому його можна було вводити», — додав Бхаве.
На підтвердження концепції дослідники використовували матеріал для стимуляції периферичних нервів у щурів і продемонстрували потенціал матеріалу для використання в нейропротезуванні, показавши, що він може відновити функцію відірваного нерва.
«Ми можемо використовувати цей метаматеріал, щоб закрити розрив у зламаному нерві та відновити швидку швидкість електричного сигналу», — сказав Чень.
«Загалом, ми змогли раціонально спроектувати новий метаматеріал, який долає багато проблем у нейротехнологіях. І що більш важливо, цю структуру для вдосконаленого дизайну матеріалів можна застосувати до інших програм, таких як датчики та пам’ять в електроніці».
Робінсон, який надихнувся своєю докторською роботою з фотоніки на розробку нового матеріалу, сказав, що він вважає «справді захоплюючим те, що тепер ми можемо розробляти пристрої чи системи, використовуючи матеріали, яких ніколи раніше не існувало, а не обмежуватися природними».
«Якщо ви відкриваєте новий матеріал або клас матеріалів, я думаю, що дійсно важко передбачити всі потенційні можливості їх використання», — сказав Робінсон, професор електротехніки, комп’ютерної інженерії та біоінженерії. «Ми зосередилися на біоелектроніці, але я очікую, що може бути багато застосувань за межами цієї галузі».
джерело: університет Райс
