Новый магнитоэлектрический материал — первый в своём роде, способный напрямую стимулировать нервную ткань
Схема нейронного ответа при линейном преобразовании магнитного поля в электрическое (два верхних преобразования) и нелинейном (третье нижнее).
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 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, учёные продемонстрировали, что материал может быть использован для точной дистанционной стимуляции нейронов и для устранения разрыва седалищного нерва у крыс. По словам Робинсона, свойства и характеристики материала могут оказать существенное влияние на методы нейростимуляции, сделав их значительно менее инвазивными. Вместо имплантации устройства для нейростимуляции можно будет просто произвести инъекцию крошечного количества 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. «Мы задались вопросом: «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, помещённого между двумя магниторестрикционными слоями сплавов металлического стекла, или Metglas, которые могут быстро намагничиваться и размагничиваться. Магнитоэлектрические нелинейные метаматериалы в 120 раз быстрее стимулируют нейронную активность по сравнению с ранее использовавшимися магнитными материалами.
Гаури Бхаве, бывший научный сотрудник лаборатории Робинсона, ныне работающий в области передачи технологий в Медицинском колледже Бэйлора, объяснил, что магниторестрикционный элемент вибрирует под действием магнитного поля. «Эта вибрация означает, что он, по сути, меняет свою форму», — сказал Бхаве. «Пьезоэлектрический материал — это материал, который, изменяя свою форму, создаёт 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. «Нам нужно было придумать, какие материалы нанести на эту плёнку, чтобы создать нелинейный отклик». Исследователи наслоили платину, оксид гафния и оксид цинка и добавили эти материалы поверх исходной магнитоэлектрической плёнки. Одна из трудностей, с которой они столкнулись, заключалась в поиске технологий изготовления, совместимых с этими материалами. «Очень много работы было проделано для создания очень тонкого слоя толщиной менее 200 нанометров, который придаёт материалу особые свойства», — сказал Робинсон. «Это позволило уменьшить размеры всего устройства и в будущем сделать его инъекционным», — добавил Бхаве. В качестве доказательства работоспособности концепции исследователи использовали материал для стимуляции периферических нервов у крыс и продемонстрировали потенциал материала для использования в нейропротезировании, показав, что он может восстановить функцию разорванного нерва. «Мы можем использовать этот метаматериал для преодоления разрыва в повреждённом 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 ещё 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 в области фотоники, он считает «очень интересным то, что теперь мы можем разрабатывать устройства или системы с использованием материалов, которых раньше не существовало, а не ограничиваться теми, которые существуют в природе». «При открытии нового материала или класса материалов, я думаю, очень трудно бывает предугадать все возможные варианты их применения», — сказал Робинсон, профессор электротехники и вычислительной техники и биоинженерии. «Мы сосредоточились на биоэлектронике, но я ожидаю, что у неё может быть множество применений и за пределами этой области».
