Разработан материал, который может восстановить разорванные нервы

Исследователи давно осознали терапевтический потенциал использования магнитоэлектрики — материалов, которые могут превращать магнитные поля в электрические — для стимуляции нервной ткани минимально инвазивным способом и помощи в лечении неврологических расстройств или повреждений нервов. Проблема, однако, в том, что нейронам трудно реагировать на форму и частоту электрического сигнала, возникающего в результате этого преобразования.

Нейроинженер из Университета Райса Джейкоб Робинсон и его команда разработали первый магнитоэлектрический материал, который не только решает эту проблему, но и выполняет преобразование магнитного поля в электрическое в 120 раз быстрее, чем аналогичные материалы . Согласно исследованию , опубликованному в журнале Nature Materials , исследователи показали, что этот материал можно использовать для точной дистанционной стимуляции нейронов и устранения разрыва в сломанном седалищном нерве на модели крысы.

По словам Робинсона, качества и характеристики материала могут оказать глубокое влияние на методы нейростимуляции, делая процедуры значительно менее инвазивными. Вместо имплантации устройства нейростимуляции можно просто ввести небольшое количество материала в нужное место. Более того, учитывая диапазон применения магнитоэлектрики в вычислительной, сенсорной, электронике и других областях, исследование обеспечивает основу для разработки передовых материалов, которые могут стимулировать инновации в более широком смысле.

«Мы спросили: «Можем ли мы создать материал, который может быть похож на пыль или настолько мал, что, поместив лишь немного его внутрь тела, вы сможете стимулировать мозг или нервную систему?» — рассказал Джошуа Чен , Выпускник докторантуры Райса, ведущий автор исследования.

«Имея в виду этот вопрос, мы подумали, что магнитоэлектрические материалы являются идеальными кандидатами для использования в нейростимуляции. Они реагируют на магнитные поля, которые легко проникают в тело, и преобразуют их в электрические поля — язык, который наша нервная система уже использует для передачи информации."

Исследователи начали с магнитоэлектрического материала, состоящего из пьезоэлектрического слоя титаната свинца-циркония, зажатого между двумя магниторестрикционными слоями металлических стеклянных сплавов, или Metglas, которые можно быстро намагничивать и размагничивать.

Гаури Бхаве, бывший научный сотрудник лаборатории Робинсона, а сейчас работающий в области передачи технологий в Медицинском колледже Бэйлора, объяснил, что магниторестрикторный элемент вибрирует под действием магнитного поля.

«Эта вибрация означает, что он по сути меняет свою форму», — сказал Бхаве. «Пьезоэлектрический материал — это то, что, когда он меняет свою форму, создает электричество. Итак, когда эти два компонента объединяются, преобразование, которое вы получаете, заключается в том, что магнитное поле, которое вы прикладываете снаружи тела, превращается в электрическое поле."

Однако электрические сигналы, генерируемые магнитоэлектриками, слишком быстры и однородны, чтобы нейроны могли их обнаружить. Задача заключалась в том, чтобы разработать новый материал , который мог бы генерировать электрический сигнал, который действительно заставлял бы клетки реагировать.

«Для всех других магнитоэлектрических материалов связь между электрическим и магнитным полем линейна, и нам нужен был материал, в котором эта связь была бы нелинейной», — сказал Робинсон. «Нам пришлось подумать о том, какие материалы мы могли бы нанести на этот фильм, чтобы создать такой нелинейный отклик».

Исследователи наслаивали платину, оксид гафния и оксид цинка и добавили сложенные материалы поверх исходной магнитоэлектрической пленки. Одной из проблем, с которыми они столкнулись, был поиск технологий изготовления, совместимых с материалами.

«Много работы было потрачено на создание этого очень тонкого слоя толщиной менее 200 нанометров, который придает нам действительно особые свойства», — сказал Робинсон.

«Это уменьшило размер всего устройства, чтобы в будущем его можно было инъецировать», — добавил Бхаве.

В качестве доказательства своей концепции исследователи использовали этот материал для стимуляции периферических нервов у крыс и продемонстрировали потенциал материала для использования в нейропротезировании, показав, что он может восстанавливать функции перерезанного нерва.

«Мы можем использовать этот метаматериал, чтобы преодолеть разрыв в сломанном нерве и восстановить высокую скорость электрического сигнала», — сказал Чен. «В целом, нам удалось рационально разработать новый метаматериал, который решает многие проблемы в нейротехнологиях. И что еще более важно, эту основу для передового дизайна материалов можно применить и к другим приложениям, таким как восприятие и память в электронике».

Робинсон, который черпал вдохновение в своей докторской работе по фотонике в разработке нового материала, сказал, что он находит «действительно захватывающим то, что теперь мы можем проектировать устройства или системы, используя материалы, которые никогда раньше не существовали, а не ограничиваться только теми, которые существуют в природе».

«Как только вы обнаружите новый материал или класс материалов, я думаю, очень трудно предугадать все потенциальные возможности их использования», — сказал Робинсон, профессор электротехники, компьютерной инженерии и биоинженерии. «Мы сосредоточились на биоэлектронике, но я ожидаю, что за пределами этой области может быть много различных применений».