123RF
Magnetyczny materiał naprawił uszkodzone nerwy
Redaktor: Monika Stelmach
Data: 16.10.2023
Źródło: Marek Matacz/PAP, Nature Materials: „Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration”
Działy:
Aktualności w Onkologia
Aktualności
Naukowcy wykorzystali magnetoelektryczny materiał do regeneracji uszkodzonych u szczurów nerwów kulszowych. W prosty sposób wstrzykuje się go w pożądane miejsce, a on pobudza nerwy do naprawy.
Uszkodzenia nerwów nie są łatwe do regeneracji. Jedną z badanych metod jest wykorzystanie magnetoelektrycznych materiałów – takich, które impulsy magnetyczne zamieniają w sygnały elektryczne. Mogłoby to pozwalać na stymulowanie wzrostu tkanki nerwowej w minimalnie inwazyjnych procedurach.
– Dotąd jednak neurony słabo reagowały na kształt i częstotliwość powstających w takich materiałach pól – tłumaczą naukowcy z Rice University, którzy właśnie ulepszyli to podejście.
Na łamach magazynu „Nature Materials” opisali materiał, który rozwiązuje te problemy, a do tego zamienia impulsy magnetyczne w pole elektryczne dużo sprawniej.
W ramach opisanego eksperymentu badaczom udało się naprawić specjalnie uszkodzone nerwy kulszowe szczurów. Procedura jest minimalnie inwazyjna, w przeciwieństwie do innych rozwijanych metod, takich jak wszczepianie specjalnych stymulatorów. Materiał można po prostu wstrzyknąć w odpowiednie miejsce.
– Zadaliśmy sobie pytanie, czy możemy stworzyć materiał, który może przypominać pył, lub którego cząstki będą tak małe, że po umieszczeniu go w niewielkiej ilości wewnątrz ciała byłby w stanie stymulować mózg lub inne części układu nerwowego? Mając to pytanie na uwadze, uznaliśmy, że materiały magnetoelektryczne są idealnymi kandydatami do zastosowania w neurostymulacji. Reagują one na pola magnetyczne, które łatwo przenikają do ciała i przekształcają je w pola elektryczne – język, którego nasz układ nerwowy używa do przekazywania informacji – opowiada Joshua Chen, główny autor badania.
Materiał składa się z trzech warstw, z których dwie wibrują pod wpływem pól magnetycznych. Między nimi znajduje się warstwa o właściwościach piezoelektrycznych.
– Drgania powodują, że materiał zmienia swój kształt. Tymczasem materiał piezoelektryczny to coś, co przy zmianie kształtu wytwarza elektryczność. Dlatego gdy oba te elementy są połączone, pole magnetyczne przykładane z zewnątrz ciała przekształca się w pole elektryczne – tłumaczy Gauri Bhave, współautorka wynalazku.
To jednak nie wystarcza, ponieważ powstające sygnały elektryczne są zbyt szybkie i jednostajne, aby komórki na nie reagowały. – Dla wszystkich innych materiałów magnetoelektrycznych relacja między polem elektrycznym a polem magnetycznym jest liniowa, a nam potrzebny był materiał, w którym ten związek byłby nieliniowy – wyjaśnia prof. Jacob T. Robinson.
– Musieliśmy zastanowić się nad rodzajem materiałów, jakie moglibyśmy dodatkowo nanieść na nasze warstwy, aby uzyskać tę nieliniową reakcję – podkreśla.
Badacze wykorzystali platynę, tlenek cynku oraz tlenek hafnu. Kolejnym wyzwaniem, które udało się pokonać, było uzyskanie bardzo cienkiej, mierzącej 200 nm grubości warstwy.
– Osiągnięty sukces może oznaczać korzyści także dla innych dziedzin poza neurologią. Generalnie udało się nam racjonalnie zaprojektować nowy metamateriał, który pozwolił nam pokonać wiele wyzwań związanych z neurotechnologią. Co więcej, opracowana przez nas metoda zaawansowanego projektowania materiałów może być zastosowana w innych dziedzinach, takich jak budowa czujników czy układów pamięci w elektronice – twierdzi Chen.
– Dotąd jednak neurony słabo reagowały na kształt i częstotliwość powstających w takich materiałach pól – tłumaczą naukowcy z Rice University, którzy właśnie ulepszyli to podejście.
Na łamach magazynu „Nature Materials” opisali materiał, który rozwiązuje te problemy, a do tego zamienia impulsy magnetyczne w pole elektryczne dużo sprawniej.
W ramach opisanego eksperymentu badaczom udało się naprawić specjalnie uszkodzone nerwy kulszowe szczurów. Procedura jest minimalnie inwazyjna, w przeciwieństwie do innych rozwijanych metod, takich jak wszczepianie specjalnych stymulatorów. Materiał można po prostu wstrzyknąć w odpowiednie miejsce.
– Zadaliśmy sobie pytanie, czy możemy stworzyć materiał, który może przypominać pył, lub którego cząstki będą tak małe, że po umieszczeniu go w niewielkiej ilości wewnątrz ciała byłby w stanie stymulować mózg lub inne części układu nerwowego? Mając to pytanie na uwadze, uznaliśmy, że materiały magnetoelektryczne są idealnymi kandydatami do zastosowania w neurostymulacji. Reagują one na pola magnetyczne, które łatwo przenikają do ciała i przekształcają je w pola elektryczne – język, którego nasz układ nerwowy używa do przekazywania informacji – opowiada Joshua Chen, główny autor badania.
Materiał składa się z trzech warstw, z których dwie wibrują pod wpływem pól magnetycznych. Między nimi znajduje się warstwa o właściwościach piezoelektrycznych.
– Drgania powodują, że materiał zmienia swój kształt. Tymczasem materiał piezoelektryczny to coś, co przy zmianie kształtu wytwarza elektryczność. Dlatego gdy oba te elementy są połączone, pole magnetyczne przykładane z zewnątrz ciała przekształca się w pole elektryczne – tłumaczy Gauri Bhave, współautorka wynalazku.
To jednak nie wystarcza, ponieważ powstające sygnały elektryczne są zbyt szybkie i jednostajne, aby komórki na nie reagowały. – Dla wszystkich innych materiałów magnetoelektrycznych relacja między polem elektrycznym a polem magnetycznym jest liniowa, a nam potrzebny był materiał, w którym ten związek byłby nieliniowy – wyjaśnia prof. Jacob T. Robinson.
– Musieliśmy zastanowić się nad rodzajem materiałów, jakie moglibyśmy dodatkowo nanieść na nasze warstwy, aby uzyskać tę nieliniową reakcję – podkreśla.
Badacze wykorzystali platynę, tlenek cynku oraz tlenek hafnu. Kolejnym wyzwaniem, które udało się pokonać, było uzyskanie bardzo cienkiej, mierzącej 200 nm grubości warstwy.
– Osiągnięty sukces może oznaczać korzyści także dla innych dziedzin poza neurologią. Generalnie udało się nam racjonalnie zaprojektować nowy metamateriał, który pozwolił nam pokonać wiele wyzwań związanych z neurotechnologią. Co więcej, opracowana przez nas metoda zaawansowanego projektowania materiałów może być zastosowana w innych dziedzinach, takich jak budowa czujników czy układów pamięci w elektronice – twierdzi Chen.
