El material magnetoeléctrico es el primero de su tipo capaz de estimular directamente el tejido neural.
Los investigadores han reconocido desde hace tiempo el potencial terapéutico del uso de materiales magnetoeléctricos ⎯ que pueden convertir campos magnéticos en campos eléctricos ⎯ para estimular el tejido neural de forma mínimamente invasiva y ayudar a tratar trastornos neurológicos o daños a los nervios.
El problema, sin embargo, es que las neuronas tienen dificultades para responder a la forma y frecuencia de la señal eléctrica resultante de esta conversión.
Neuroingeniero de la Universidad Rice Jacob Robinson y su equipo diseñaron el primer material magnetoeléctrico que resuelve este problema y realiza la conversión magnética a eléctrica 120 veces más rápido que materiales similares.
De acuerdo a un estudio Publicado en Nature Materials, los investigadores demostraron que el material se puede utilizar para estimular neuronas de forma remota con precisión y cerrar la brecha en un nervio ciático roto en un modelo de rata.
Robinson dijo que las cualidades y el rendimiento del material podrían afectar profundamente los tratamientos de neuroestimulación, lo que permitiría procedimientos significativamente menos invasivos. En lugar de implantar un dispositivo de neuroestimulación, simplemente se podrían inyectar pequeñas cantidades del material en el lugar deseado.
«Preguntamos: ‘¿Podemos crear un material que pueda ser como polvo o que sea tan pequeño que con solo colocar una pizca dentro del cuerpo se pueda estimular el cerebro o el sistema nervioso?'», dijo. Josué Chenun alumno de doctorado de Rice que es el autor principal del estudio.
“Con esa pregunta en mente, pensamos que los materiales magnetoeléctricos eran candidatos ideales para su uso en neuroestimulación. Responden a campos magnéticos, que penetran fácilmente en el cuerpo, y los convierten en campos eléctricos, un lenguaje que nuestro sistema nervioso ya utiliza para transmitir información”.
Los investigadores comenzaron con un material magnetoeléctrico compuesto por un piezoeléctrico capa de titanato de plomo y circonio intercalado entre dos magnetorrestrictivo capas de aleaciones de vidrio metálico, o metglasque puede magnetizarse y desmagnetizarse rápidamente.
Gauri Bhave, ex investigador del laboratorio Robinson que ahora trabaja en transferencia de tecnología para Baylor College of Medicine, explicó que el elemento magnetorrestrictivo vibra con la aplicación de un campo magnético.
«Esta vibración significa que básicamente cambia de forma», dijo Bhave. “El material piezoeléctrico es algo que, cuando cambia de forma, genera electricidad. Entonces, cuando esos dos se combinan, la conversión que se obtiene es que el campo magnético que se aplica desde el exterior del cuerpo se convierte en un campo eléctrico”.
Sin embargo, las señales eléctricas de los magnetoeléctricos son demasiado rápidas y uniformes para que las neuronas las detecten. El desafío era diseñar un nuevo material que pudiera generar una señal eléctrica que realmente hiciera que las células respondieran.
«Para todos los demás materiales magnetoeléctricos, la relación entre el campo eléctrico y el campo magnético es lineal, y lo que necesitábamos era un material donde esa relación fuera no lineal», dijo Robinson. «Tuvimos que pensar en los tipos de materiales que podríamos depositar en esta película y que crearían esa respuesta no lineal».
Los investigadores colocaron capas de platino, óxido de hafnio y óxido de zinc y agregaron los materiales apilados encima de la película magnetoeléctrica original. Uno de los desafíos que enfrentaron fue encontrar técnicas de fabricación compatibles con los materiales.
«Se trabajó mucho para crear esta capa muy delgada de menos de 200 nanómetros que nos da propiedades realmente especiales», dijo Robinson.
Los metamateriales magnetoeléctricos no lineales son 120 veces más rápidos a la hora de estimular la actividad neuronal que los materiales magnéticos utilizados anteriormente. Crédito de la imagen: Laboratorio Robinson/Universidad Rice.
«Esto redujo el tamaño de todo el dispositivo para que en el futuro pudiera ser inyectable», añadió Bhave.
Como prueba de concepto, los investigadores utilizaron el material para estimular los nervios periféricos en ratas y demostraron el potencial del material para su uso en neuroprótesis al demostrar que podía restaurar la función en un nervio cortado.
«Podemos utilizar este metamaterial para cerrar la brecha en un nervio roto y restaurar velocidades rápidas de la señal eléctrica», dijo Chen.
“En general, pudimos diseñar racionalmente un nuevo metamaterial que supera muchos desafíos en neurotecnología. Y lo que es más importante, este marco para el diseño de materiales avanzados se puede aplicar a otras aplicaciones como la detección y la memoria en electrónica”.
Robinson, quien se inspiró en su trabajo doctoral en fotónica para diseñar el nuevo material, dijo que encuentra «realmente emocionante que ahora podamos diseñar dispositivos o sistemas utilizando materiales que nunca antes han existido en lugar de limitarnos a los que se encuentran en la naturaleza».
«Una vez que se descubre un nuevo material o clase de materiales, creo que es realmente difícil anticipar todos los usos potenciales para ellos», dijo Robinson, profesor de ingeniería eléctrica e informática y bioingeniería. «Nos hemos centrado en la bioelectrónica, pero espero que haya muchas aplicaciones más allá de este campo».
Fuente: Universidad de arroz
Publicado anteriormente en The European Times.
