Onderzoekers hebben al lang het therapeutische potentieel onderkend van het gebruik van magneto-elektrische materialen, materialen die magnetische velden in elektrische velden omzetten, om op een minimaal invasieve manier zenuwweefsel te stimuleren om neurologische ziekten of zenuwbeschadiging te helpen behandelen. Het probleem is echter dat neuronen moeite hebben met het reageren op de vorm en frequentie van de elektrische signalen die door deze conversie worden geproduceerd.

Rice University-onderzoeker en promovendus Joshua Chen is de hoofdauteur van een studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials. (Foto door Gustavo Laskoski/Rice Universiteit)

Neuro-ingenieur Jacob Robinson van Rice University en zijn team ontwierpen het eerste magneto-elektrische materiaal dat niet alleen dit probleem oplost, maar ook magneto-elektriciteit 120 keer sneller omzet dan vergelijkbare materialen. Volgens een studie gepubliceerd in Nature Materials laten onderzoekers zien dat het materiaal kan worden gebruikt om neuronen op afstand nauwkeurig te stimuleren en gaten in doorgesneden heupzenuwen te overbruggen in een rattenmodel.

Robinson zei dat de kwaliteit en eigenschappen van het materiaal een diepgaande impact kunnen hebben op neurostimulatiebehandelingen, waardoor invasieve procedures aanzienlijk kunnen worden verminderd. Het is niet nodig om een ​​neurostimulatieapparaat te implanteren; slechts een kleine hoeveelheid materiaal wordt in het gewenste gebied geïnjecteerd. Bovendien biedt dit onderzoek, gezien het scala aan toepassingen van magneto-elektronica op het gebied van computers, detectie, elektronica en andere gebieden, een raamwerk voor geavanceerd materiaalontwerp dat innovatie op bredere schaal zou kunnen stimuleren.

Onderzoeker Gauri Bhave, voormalig onderzoeker in het Robinson Laboratory, is de hoofdco-auteur van een studie gepubliceerd in Nature Materials. (Foto met dank aan Gauri Bhave)

"We vroegen ons af: 'Kunnen we een materiaal maken dat op stof lijkt, of zo klein is dat het de hersenen of het zenuwstelsel zou kunnen stimuleren door het gewoon door het lichaam te verspreiden?' Met die vraag in gedachten dachten we dat magneto-elektrische materialen ideale kandidaten zouden zijn voor neurostimulatie. Ze reageren op magnetische velden die gemakkelijk het lichaam binnendringen en deze omzetten in elektrische velden – de taal die ons zenuwstelsel al gebruikt om informatie over te brengen."

De onderzoekers gebruikten eerst een magneto-elektrisch materiaal dat bestaat uit een piëzo-elektrische laag van lood-zirkoniumtitanaat, ingeklemd tussen twee magnetostrictieve lagen van een metaalglaslegering (Metglas) die snel kan worden gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd.

Gauri Bhave, een voormalig onderzoeker in het laboratorium van Robinson die nu werkt aan technologieoverdracht aan het Baylor College of Medicine, legt uit dat magnetostrictieve elementen trillen als reactie op de toepassing van een magnetisch veld.

Studieillustratie Schematische weergave van neurale reacties op lineaire magneto-elektrische transities (bovenste twee transities) versus niet-lineaire (onderste derde). (Foto met dank aan Josh Chen/Rice University)

"Deze trilling betekent dat het feitelijk van vorm verandert", zei Bhave. "Een piëzo-elektrisch materiaal is een materiaal dat elektriciteit opwekt wanneer het van vorm verandert. Dus als deze twee worden gecombineerd, ontstaat de conversie dat het magnetische veld dat je van buiten het lichaam aanbrengt, een elektrisch veld wordt."

De elektrische signalen die door magneto-elektriciteit worden gegenereerd, zijn echter te snel en uniform om door neuronen te worden gedetecteerd. De uitdaging is om een ​​nieuw materiaal te ontwerpen dat elektrische signalen kan genereren, zodat cellen daadwerkelijk reageren.

"Voor alle andere magneto-elektrische materialen is de relatie tussen de elektrische en magnetische velden lineair, en wat we nodig hebben zijn materialen waarvan de relatie niet-lineair is", zei Robinson. "We moeten overwegen welke materialen op de film kunnen worden afgezet om een ​​niet-lineaire respons te produceren."

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

Onderzoeksillustratie: Magneto-elektrisch niet-lineaire metamaterialen stimuleren neurale activiteit 120 keer sneller dan eerder gebruikte magnetische materialen. (Afbeelding met dank aan Robinson Laboratory/Rice University)

"Er is veel moeite gestoken in het maken van deze zeer dunne laag, minder dan 200 nanometer, wat ons echt speciale eigenschappen geeft", zei Robinson. "Hierdoor wordt het hele apparaat kleiner, zodat het in de toekomst kan worden geïnjecteerd."

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 zenuwprothesen door aan te tonen dat het de functie van doorgesneden zenuwen kon herstellen.

"We kunnen dit metamateriaal gebruiken om de kloof in afgesneden zenuwen 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. Belangrijker nog is dat dit geavanceerde raamwerk voor materiaalontwerp kan worden toegepast op andere toepassingen, zoals detectie en opslag in elektronische apparaten."


Onderzoeker Jacob Robinson is hoogleraar elektrische en computertechniek en bio-engineering aan de Rice University. (Foto met dank aan Robinson Laboratory/Rice University)

Robinson, die zijn promotieonderzoek in de fotonica gebruikt om nieuwe materialen te ontwerpen, zegt 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 ons te beperken tot 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 al hun potentiële toepassingen te voorspellen", zegt Robinson, hoogleraar elektrische en computertechniek en bio-engineering. "We zijn gefocust op bio-elektronica, maar ik verwacht dat er buiten dat veld veel toepassingen zullen zijn."

Antonios Mikos, Rice's Louis Calder hoogleraar chemische technologie, hoogleraar bio-engineering, materiaalkunde en nano-engineering en directeur van het Biomaterials Laboratory in het Center of Excellence for Tissue Engineering en het J.W. Cox Laboratory of Biomedical Engineering is ook auteur van het onderzoek.

Dit onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation (2023849) en de National Institutes of Health (U18EB029353).