Nature Materials: Ученые создали материал для стимуляции нервной ткани

Исследователи давно признали терапевтический потенциал использования магнитоэлектриков — материалов, способных превращать магнитные поля в электрические, — для малоинвазивной стимуляции нервной ткани и лечения неврологических заболеваний и повреждений нервов.

Проблема, однако, заключается в том, что нейроны с трудом реагируют на форму и частоту электрического сигнала, получаемого в результате такого преобразования.

Нейроинженер Джейкоб Робинсон из Университета Райса и его команда разработали первый магнитоэлектрический материал, который не только решает эту проблему, но и осуществляет преобразование магнитного поля в электрическое в 120 раз быстрее, чем аналогичные материалы. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature Materials, ученые продемонстрировали, что этот материал может быть использован для точной дистанционной стимуляции нейронов и для устранения разрыва седалищного нерва на крысиной модели.

По словам Робинсона, качества и характеристики материала могут оказать значительное влияние на методы нейростимуляции, сделав процедуры значительно менее инвазивными. Вместо имплантации устройства для нейростимуляции можно будет просто вводить крошечное количество материала в нужное место. Кроме того, учитывая широту применения магнитоэлектриков в вычислительной технике, сенсорике, электронике и других областях, данное исследование закладывает основу для разработки передовых материалов, которые могут способствовать инновациям в более широком смысле.

Можем ли мы создать материал, который был бы похож на пыль или настолько мал, что, поместив его внутрь тела, можно было бы стимулировать мозг или нервную систему? — сказал Джошуа Чен, выпускник университета Райс, ведущий автор исследования.

Задавшись этим вопросом, мы решили, что магнитоэлектрические материалы являются идеальными кандидатами для использования в нейростимуляции. Они реагируют на магнитные поля, которые легко проникают в организм, 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 циркония свинца, помещенного между двумя магниторестрикционными слоями сплавов металлического стекла, или Metglas, которые могут быстро намагничиваться и размагничиваться.

Гаури Бхаве, бывший научный сотрудник лаборатории Робинсона, ныне работающий в области передачи технологий в Медицинском колледже Бэйлора, пояснил, что магниторестрикционный элемент вибрирует при приложении магнитного поля.

Эта вибрация означает, что он, по сути, меняет свою форму, — сказал Бхаве.

Пьезоэлектрический материал — это материал, который, изменяя свою форму, создает электричество. Поэтому, когда эти два компонента объединяются, получается преобразование, при котором магнитное поле, прикладываемое снаружи тела, превращается в электрическое поле.

Однако электрические сигналы, генерируемые магнитоэлектриками, слишком быстры и однородны, чтобы нейроны могли их обнаружить. Задача состояла в том, чтобы создать новый материал, способный генерировать электрический сигнал, который действительно заставит клетки реагировать.

Во всех других магнитоэлектрических материалах связь между электрическим и магнитным полем линейна, а нам нужен был материал, в котором эта связь была бы нелинейной, — говорит Робинсон.

Мы должны были подумать о том, какие материалы мы можем нанести на эту пленку, чтобы создать нелинейный отклик.

Исследователи наслоили платину, оксид гафния и оксид цинка и добавили эти материалы поверх исходной магнитоэлектрической пленки. Одна из трудностей, с которой они столкнулись, заключалась в поиске технологий изготовления, совместимых с этими материалами.

Робинсон сказал:

Много работы было проделано для того, чтобы создать очень тонкий слой толщиной менее 200 нанометров, который придает нам действительно особые свойства.

«Это позволило уменьшить размер всего устройства, так что в будущем его можно будет использовать для инъекций», — добавил Бхаве.

В качестве доказательства концепции исследователи использовали материал для стимуляции периферических нервов у крыс и продемонстрировали потенциал материала для использования в нейропротезировании, показав, что он может восстановить функцию отрезанного нерва.

Мы можем использовать этот метаматериал для преодоления разрыва в разорванном нерве и восстановления высокой скорости электрического сигнала, — сказал Чен.

В целом нам удалось рационально разработать новый метаматериал, который позволяет преодолеть многие проблемы в области нейротехнологий. И, что еще более важно, эта основа для разработки передовых материалов может быть применена в других областях, таких как сенсорика и память в электронике.

По словам Робинсона, который при создании нового материала опирался на свою докторскую работу по фотонике, очень интересно, что теперь мы можем разрабатывать устройства или системы с использованием материалов, которых раньше не существовало, а не ограничиваться теми, которые существуют в природе.

Как только вы открываете новый материал или класс материалов, я думаю, очень трудно предугадать все возможные варианты их применения, — сказал Робинсон, профессор электротехники и вычислительной техники и биоинженерии.

Мы сосредоточились на биоэлектронике, но я ожидаю, что у нее может быть множество применений и за пределами этой области.

10.10.2023