Materialele electromagnetice pot reconecta nervii tăiați

Neuroinginerul Jacob Robinson și echipa sa de la Universitatea Rice au proiectat primul material electromagnetic care nu numai că rezolvă această problemă, dar realizează conversia magnetic-electrică de 120 de ori mai rapid decât materiale similare. Potrivit unui studiu publicat în revista Nature Materials, cercetătorii au arătat că materialul poate fi folosit pentru a stimula cu precizie neuronii de la distanță și pentru a reduce golul dintr-un nerv sciatic rupt la un model de șobolan.

Calitatea și performanța materialului pot avea un impact profund asupra tratamentelor de neurostimulare, făcând procedurile semnificativ mai puțin invazive, a spus Robinson. În loc de a implanta un dispozitiv de neurostimulare, cantități mici de substanță pot fi pur și simplu injectate în locația dorită. În plus, având în vedere gama de aplicații electromagnetice în calcul, detecție, electronică și alte domenii, cercetarea oferă un cadru pentru proiectarea materialelor avansate care pot stimula inovația la scară mai largă.

„Ne-am întrebat: am putea face o substanță care ar putea fi ca praful sau atât de mică încât, punând un vârf din ea în interiorul corpului, să puteți stimula creierul sau sistemul nervos?” a spus Joshua Chen, unul dintre cei din știință. și cercetători în tehnologie. Rice, absolvent de doctorat, este autorul principal al studiului. „Având în vedere această întrebare, ne-am gândit că materialele electromagnetice erau candidații ideali pentru utilizare în neurostimulare. Ele răspund la câmpurile magnetice, care pătrund cu ușurință în organism și le transformă în câmpuri electrice – un limbaj pe care sistemul nostru nervos îl folosește deja pentru a transmite informații. „

Cercetătorii au început cu un material electromagnetic compus dintr-un strat piezoelectric de titanat de plumb și zirconiu, plasat între două straturi legate magnetic de aliaj metalic de sticlă, sau Metglas, care poate fi magnetizat și demagnetizat rapid.

Gauri Bhave, un fost cercetător în laboratorul lui Robinson, care lucrează acum în transferul de tehnologie la Colegiul de Medicină Baylor, a explicat că elementul de reținere magnetic vibrează pe măsură ce se aplică un câmp magnetic.

„Această vibrație înseamnă că practic își schimbă forma”, a spus Bhave. „Un material piezoelectric este ceva care generează electricitate atunci când își schimbă forma. Deci, atunci când cele două sunt combinate, conversia pe care o obțineți este aceea că câmpul magnetic pe care îl aplicați din exteriorul obiectului se transformă într-un câmp electric.”

Cu toate acestea, semnalele electrice generate de magnetoelectricitate sunt prea rapide și uniforme pentru ca neuronii să le poată detecta. Provocarea a fost de a crea un nou material care ar putea genera un semnal electric care să facă de fapt celulele să răspundă.

„Pentru toate celelalte materiale electromagnetice, relația dintre câmpul electric și câmpul magnetic este liniară”, a spus Robinson. „Ne trebuie un material în care această relație să fie neliniară.” „Trebuia să ne gândim ce tipuri de materiale am putea pune în acest film care să creeze acel răspuns neliniar.”

Cercetătorii au stratificat platină, oxid de hafniu și oxid de zinc și au adăugat materialele stivuite deasupra filmului electromagnetic original. Una dintre provocările cu care s-au confruntat a fost găsirea unor tehnici de fabricație compatibile cu materialele.

„S-a depus multă muncă pentru realizarea acestui strat foarte subțire, cu o grosime de mai puțin de 200 de nanometri, care ne oferă proprietăți cu adevărat speciale”, a spus Robinson.

„Acest lucru a redus dimensiunea întregului dispozitiv, astfel încât să poată fi injectat în viitor”, a adăugat Bhave.

Ca o dovadă a conceptului, cercetătorii au folosit materialul pentru a stimula nervii periferici la șoareci și au demonstrat posibilitatea utilizării materialului în proteze neuronale, arătând că ar putea restabili funcția într-un nerv tăiat.

„Putem folosi acest metamaterial pentru a reduce golul din nervul rupt și a restabili vitezele rapide ale semnalului electric”, a spus Chen. „În general, am reușit să proiectăm în mod rațional un nou metamaterial care depășește multe provocări în neurotehnologie. Este important, acest cadru pentru proiectarea materialelor avansate poate fi aplicat altor aplicații, cum ar fi detectarea și memoria în electronică”.

Robinson, care s-a bazat pe doctoratul în fotonică ca sursă de inspirație pentru proiectarea de noi materiale, a spus că este „foarte interesant că acum putem proiecta dispozitive sau sisteme folosind materiale care nu existau înainte, mai degrabă decât să ne limităm la cele găsite în natură”. „.

„Odată ce descoperiți un nou material sau o clasă de materiale, cred că este foarte greu să anticipați toate utilizările potențiale ale acestuia”, a spus Robinson, profesor de inginerie electrică și informatică și bioinginerie. „Ne-am concentrat pe bioelectronică, dar mă aștept să existe multe aplicații în afara acestui domeniu.”

Antonius Mikus, profesor de inginerie chimică Lewis Calder la Rice, profesor de bioinginerie, știința materialelor și nanoinginerie și director al Laboratorului de biomateriale, Centrului de excelență în inginerie țesuturilor și al Laboratorului G. W. Cox pentru inginerie biomedicală, este, de asemenea, autorul studiului. .

Cercetarea a fost susținută de National Science Foundation (2023849) și National Institutes of Health (U18EB029353).