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».