I materiali elettromagnetici possono ricollegare i nervi recisi

Il neuroingegnere Jacob Robinson e il suo team della Rice University hanno progettato il primo materiale elettromagnetico che non solo risolve questo problema, ma esegue la conversione da magnetico a elettrico 120 volte più velocemente rispetto a materiali simili. Secondo uno studio pubblicato sulla rivista Nature Materials, i ricercatori hanno dimostrato che il materiale potrebbe essere utilizzato per stimolare con precisione i neuroni a distanza e per colmare il divario in un nervo sciatico rotto in un modello di ratto.

La qualità e le prestazioni del materiale possono avere un profondo impatto sui trattamenti di neurostimolazione, rendendo le procedure significativamente meno invasive, ha affermato Robinson. Invece di impiantare un dispositivo di neurostimolazione, è possibile semplicemente iniettare piccole quantità della sostanza nel punto desiderato. Inoltre, data la gamma di applicazioni elettromagnetiche nell’informatica, nel rilevamento, nell’elettronica e in altri campi, la ricerca fornisce un quadro per la progettazione di materiali avanzati in grado di guidare l’innovazione su scala più ampia.

“Ci siamo chiesti: potremmo creare una sostanza che potrebbe essere come la polvere o così piccola che inserendone un pizzico nel corpo, saremmo in grado di stimolare il cervello o il sistema nervoso?”, ha detto Joshua Chen, uno degli scienziati e ricercatori tecnologici. Rice, un dottorato, è l’autore principale dello studio. “Con questa domanda in mente, abbiamo pensato che i materiali elettromagnetici fossero candidati ideali per l’uso nella neurostimolazione. Rispondono ai campi magnetici, che penetrano facilmente nel corpo, e li convertono in campi elettrici – un linguaggio già utilizzato dal nostro sistema nervoso per trasmettere informazioni. “

I ricercatori hanno iniziato con un materiale elettromagnetico composto da uno strato piezoelettrico di titanato di piombo e zirconio inserito tra due strati legati magneticamente di lega di vetro metallico, o Metglas, che può essere rapidamente magnetizzato e smagnetizzato.

Gauri Bhave, un ex ricercatore del laboratorio di Robinson che ora lavora nel trasferimento tecnologico al Baylor College of Medicine, ha spiegato che l’elemento di ritenuta magnetica vibra quando viene applicato un campo magnetico.

“Questa vibrazione significa che sta sostanzialmente cambiando forma”, ha detto Bhave. “Un materiale piezoelettrico è qualcosa che genera elettricità quando cambia forma. Quindi, quando questi due vengono combinati, la conversione che si ottiene è che il campo magnetico applicato dall’esterno dell’oggetto si trasforma in un campo elettrico.”

Tuttavia, i segnali elettrici generati dalla magnetoelettricità sono troppo veloci e uniformi per essere rilevati dai neuroni. La sfida era progettare un nuovo materiale in grado di generare un segnale elettrico che facesse effettivamente rispondere le cellule.

“Per tutti gli altri materiali elettromagnetici, la relazione tra il campo elettrico e il campo magnetico è lineare”, ha detto Robinson, “Ciò di cui abbiamo bisogno è un materiale in cui questa relazione sia non lineare”. “Abbiamo dovuto pensare a quali tipi di materiali avremmo potuto inserire in questo film per creare quella risposta non lineare”.

I ricercatori hanno stratificato platino, ossido di afnio e ossido di zinco e hanno aggiunto i materiali impilati sopra la pellicola elettromagnetica originale. Una delle sfide che hanno dovuto affrontare è stata trovare tecniche di produzione compatibili con i materiali.

“È stato fatto molto lavoro per realizzare questo strato molto sottile, spesso meno di 200 nanometri, che ci conferisce proprietà davvero speciali”, ha detto Robinson.

“Ciò ha ridotto le dimensioni dell’intero dispositivo in modo che possa essere iniettato in futuro”, ha aggiunto Bhave.

Come prova di concetto, i ricercatori hanno utilizzato il materiale per stimolare i nervi periferici nei topi e hanno dimostrato la possibilità di utilizzare il materiale nelle protesi neurali dimostrando che potrebbe ripristinare la funzione in un nervo reciso.

“Possiamo usare questo metamateriale per colmare il divario nel nervo rotto e ripristinare velocità elevate del segnale elettrico”, ha detto Chen. “Nel complesso, siamo stati in grado di progettare razionalmente un nuovo metamateriale che supera molte sfide nel campo della neurotecnologia. È importante sottolineare che questo quadro per la progettazione di materiali avanzati può essere applicato ad altre applicazioni come il rilevamento e la memoria nell’elettronica.”

Robinson, che ha fatto affidamento sul suo dottorato in fotonica come ispirazione per progettare nuovi materiali, ha affermato di trovare “davvero entusiasmante il fatto che ora possiamo progettare dispositivi o sistemi utilizzando materiali che prima non esistevano invece di limitarci a quelli presenti in natura”. “.

“Una volta scoperto un nuovo materiale o una classe di materiali, penso che sia davvero difficile anticiparne tutti i potenziali usi”, ha affermato Robinson, professore di ingegneria elettrica e informatica e di bioingegneria. “Ci siamo concentrati sulla bioelettronica, ma prevedo che potrebbero esserci molte applicazioni al di fuori di quest’area”.

Anche Antonius Mikus, professore di ingegneria chimica Lewis Calder alla Rice, professore di bioingegneria, scienza dei materiali e nanoingegneria e direttore del Laboratorio di biomateriali, Centro di eccellenza in ingegneria dei tessuti e Laboratorio G. W. Cox per l’ingegneria biomedica, è anche un autore dello studio .

La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation (2023849) e dal National Institutes of Health (U18EB029353).