Gemanipuleerd materiaal kan afgesneden zenuwen opnieuw verbinden

Het magneto-elektrische 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 transformeren magnetische velden naar elektrische velden ⎯ om zenuwweefsel op een minimaal invasieve manier 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 een magnetisch-elektrische conversie 120 keer sneller uitvoert dan vergelijkbare materialen.

Volgens 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 procedures aanzienlijk minder invasief worden. In plaats van een neurostimulatieapparaat te implanteren, zouden kleine hoeveelheden materiaal eenvoudigweg op de gewenste plaats kunnen worden geïnjecteerd.

Joshua Chen, voormalig promovendus aan de Rice University, is de hoofdauteur van een studie gepubliceerd in Nature Materials. Foto door Gustavo Raskosky/Rice Universiteit

Bovendien biedt het onderzoek, gezien het scala aan toepassingen van magneto-elektriciteit in 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 snufje in het lichaam te plaatsen de hersenen of het zenuwstelsel kunt stimuleren?’ « , gezegd Joshua Cheneen voormalige Rice-promovendus die een van de hoofdauteurs van het onderzoek is.

“Met deze 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.

Gauri Bhave, voormalig laboratoriumonderzoeker van Robinson, is hoofdcoauteur van een studie gepubliceerd in Nature Materials. Foto met dank aan Gauri Bhave/Rice University

De onderzoekers begonnen met een magneto-elektrisch materiaal bestaande uit: piëzo-elektrisch laag van loodzirkoniumtitanaat ingeklemd tussen twee magnetostrictief lagen van metallische glaslegeringen, of Metglasdie snel kan worden gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd.

Gauri Bhave, een voormalige Robinson-laboratoriumonderzoeker die nu werkt aan technologieoverdracht voor het Baylor College of Medicine, legde uit dat het magnetostrictieve element trilt onder invloed van een magnetisch veld.

« Deze trilling betekent dat het fundamenteel van vorm verandert », zei Bhave. “Piëzo-elektrisch 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 van buiten het lichaam aanbrengt, verandert in een elektrisch veld.

Jacob Robinson is hoogleraar elektrische en computertechniek en bio-engineering aan de Rice University. Foto met dank aan Robinson Lab/Rice University

Magneto-elektrische elektrische signalen zijn echter te snel en uniform om door neuronen te worden gedetecteerd. De uitdaging was om een ​​nieuw materiaal te ontwerpen dat een elektrisch signaal zou kunnen genereren dat cellen daadwerkelijk tot reactie zou aanzetten.

“Voor alle andere magneto-elektrische materialen is de relatie tussen het elektrische veld en het magnetische veld lineair, en we hadden een materiaal nodig waarin die relatie niet lineair was,” zei Robinson. “We moesten nadenken over welke soorten materialen we op deze film konden plaatsen om deze niet-lineaire respons te creëren. »

De onderzoekers brachten platina, hafniumoxide en zinkoxide in laagjes aan en voegden de gestapelde materialen toe aan de originele magneto-elektrische film. Een van de uitdagingen waarmee ze werden geconfronteerd, was het vinden van productietechnieken die compatibel waren met de materialen.

« Er is veel werk gestoken in het creëren van deze zeer dunne laag van minder dan 200 nanometer, die ons echt speciale eigenschappen geeft », zei Robinson.

Niet-lineaire magneto-elektrische metamaterialen stimuleren de neuronale activiteit 120 keer sneller dan eerder gebruikte magnetische materialen. Afbeelding tegoed: Robinson Laboratory/Rice University

“Hierdoor is de omvang van het hele apparaat verkleind, zodat het in de toekomst injecteerbaar kan zijn,” voegde Bhave eraan toe.

Als proof of concept gebruikten onderzoekers dit materiaal om perifere zenuwen bij ratten te stimuleren en demonstreerden ze het potentieel van dit 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 de opening van 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 geavanceerde raamwerk voor materiaalontwerp kan worden toegepast op andere toepassingen, zoals detectie en geheugen in de elektronica.

Robinson, die zich bij het ontwerpen van het nieuwe materiaal liet inspireren door zijn doctoraalwerk in de fotonica, zei dat hij het “heel spannend vond dat we nu apparaten of systemen kunnen ontwerpen met materialen die nog nooit eerder hebben bestaan, in plaats van ons te beperken tot die uit de natuur.”

« Als je eenmaal een nieuw materiaal of een nieuwe klasse materialen ontdekt, denk ik dat het heel moeilijk is om alle mogelijke toepassingen ervan te anticiperen », zegt Robinson, hoogleraar elektrische en computertechniek en bio-engineering. “We concentreerden ons op bio-elektronica, maar ik denk dat er buiten dat gebied nog veel toepassingen mogelijk zijn. »

Bron: Rijst Universiteit