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 converteren 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 de magnetisch-elektrische conversie 120 keer sneller uitvoert dan vergelijkbare materialen.
Volgens Een onderzoek De onderzoekers, gepubliceerd in Nature Materials, toonden aan dat het materiaal kan worden gebruikt om neuronen met precisie op afstand te stimuleren en het gat in een gescheurde heupzenuw te dichten 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, zouden kleine hoeveelheden van het materiaal eenvoudigweg op de gewenste locatie kunnen worden geïnjecteerd.
« We vroegen: ‘Kunnen we een materiaal maken dat op poeder lijkt of dat zo klein is dat het plaatsen van een klein snufje in het lichaam de hersenen of het zenuwstelsel kan stimuleren?' » zei hij. Joshua Cheneen Rice-promovendus die de 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 over te brengen.”
De onderzoekers begonnen met een magneto-elektrisch materiaal bestaande uit a piëzo-elektrisch laag van loodzirkoniumtitanaat ingeklemd tussen twee magnetostrictief lagen van metallische glaslegeringen, of metglasdie snel kan worden gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd.
Gauri Bhave, een voormalig onderzoeker bij het Robinson-laboratorium die nu werkt technologie overdracht aan Baylor College of Medicine, legde uit dat het magnetostrictieve element trilt onder toepassing van een magnetisch veld.
« Deze trilling betekent dat het feitelijk van vorm verandert », zei Bhave. “Piëzo-elektrisch materiaal is iets dat, wanneer het van vorm verandert, elektriciteit opwekt. « Dus wanneer deze twee worden gecombineerd, is de conversie die je krijgt dat het magnetische veld dat van buitenaf op het lichaam wordt aangelegd, een elektrisch veld wordt. »
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 ontwerpen dat een elektrisch signaal kon 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 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 zijn 120 keer sneller in het stimuleren van neuronale activiteit dan eerder gebruikte magnetische materialen. Afbeelding tegoed: Robinson Laboratory/Rice University.
« Hierdoor werd de grootte van het hele apparaat verkleind, zodat het in de toekomst injecteerbaar kon 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 dichten 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. Belangrijker nog is dat dit raamwerk voor geavanceerd materiaalontwerp kan worden toegepast op andere toepassingen, zoals detectie en geheugen in de elektronica.”
Robinson, die zich liet inspireren door zijn doctoraalwerk in de fotonica om het nieuwe materiaal te ontwerpen, 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 de materialen die in de natuur voorkomen. » .
« Als een nieuw materiaal of een nieuwe klasse materialen eenmaal is 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 hoop dat er buiten dit veld nog veel toepassingen zullen zijn. »
Fontein: rijst universiteit
Eerder gepubliceerd in The European Times.
