Les chercheurs reconnaissent depuis longtemps le potentiel thérapeutique de l’utilisation de la magnétoélectrique – des matériaux capables de transformer les champs magnétiques en champs électriques – pour stimuler le tissu neural de manière peu invasive et aider à traiter les troubles neurologiques ou les lésions nerveuses. Le problème, cependant, est que les neurones ont du mal à réagir à la forme et à la fréquence du signal électrique résultant de cette conversion.
Le neuro-ingénieur Jacob Robinson de l’Université Rice et son équipe ont conçu le premier matériau magnétoélectrique qui non seulement résout ce problème, mais effectue la conversion magnétique-électrique 120 fois plus rapidement que des matériaux similaires. Selon une étude publiée dans Nature Materials, les chercheurs ont montré que le matériau pouvait être utilisé pour stimuler avec précision les neurones à distance et pour combler le fossé d’un nerf sciatique brisé dans un modèle de rat.
Les qualités et les performances du matériau pourraient avoir un impact profond sur les traitements de neurostimulation, rendant ainsi les procédures nettement moins invasives, a déclaré Robinson. Au lieu d’implanter un appareil de neurostimulation, de petites quantités de matériau pourraient simplement être injectées au site souhaité. De plus, étant donné la gamme d’applications de la magnétoélectrique dans les domaines de l’informatique, de la détection, de l’électronique et dans d’autres domaines, la recherche fournit un cadre pour la conception de matériaux avancés qui pourrait stimuler l’innovation de manière plus large.
Nous avons demandé : « Pouvons-nous créer un matériau qui ressemble à de la poussière ou qui soit si petit qu’en en plaçant juste une pincée à l’intérieur du corps, vous pourriez stimuler le cerveau ou le système nerveux ? C’est en gardant cette question à l’esprit que nous avons pensé que les matériaux magnétoélectriques étaient des candidats idéaux pour une utilisation en neurostimulation. Ils réagissent aux champs magnétiques, qui pénètrent facilement dans le corps, et les convertissent en champs électriques – un langage que notre système nerveux utilise déjà pour relayer les informations. »
Joshua Chen, ancien élève du doctorat Rice, auteur principal de l’étude
Les chercheurs ont commencé avec un matériau magnétoélectrique constitué d’une couche piézoélectrique de titanate de plomb et de zirconium prise en sandwich entre deux couches magnétostrictives d’alliages de verre métallique, ou Metglas, qui peuvent être rapidement magnétisées et démagnétisées.
Gauri Bhave, ancien chercheur du laboratoire Robinson qui travaille désormais dans le transfert de technologie pour le Baylor College of Medicine, a expliqué que l’élément magnétostrictif vibre sous l’application d’un champ magnétique.
« Cette vibration signifie qu’il change fondamentalement de forme », a déclaré Bhave. « Le matériau piézoélectrique est quelque chose qui, lorsqu’il change de forme, crée de l’électricité. Ainsi, lorsque ces deux éléments sont combinés, la conversion que vous obtenez est que le champ magnétique que vous appliquez depuis l’extérieur du corps se transforme en un champ électrique. champ. »
Cependant, les signaux électriques générés par les magnétoélectriques sont trop rapides et uniformes pour que les neurones puissent les détecter. Le défi consistait à concevoir un nouveau matériau capable de générer un signal électrique qui inciterait réellement les cellules à réagir.
« Pour tous les autres matériaux magnétoélectriques, la relation entre le champ électrique et le champ magnétique est linéaire, et nous avions besoin d’un matériau dans lequel cette relation n’était pas linéaire », a déclaré Robinson. « Nous avons dû réfléchir aux types de matériaux que nous pourrions déposer sur ce film pour créer cette réponse non linéaire. »
Les chercheurs ont superposé du platine, de l’oxyde de hafnium et de l’oxyde de zinc et ont ajouté les matériaux empilés sur le film magnétoélectrique d’origine. L’un des défis auxquels ils étaient confrontés était de trouver des techniques de fabrication compatibles avec les matériaux.
« Beaucoup de travail a été consacré à la création de cette couche très fine de moins de 200 nanomètres qui nous confère des propriétés vraiment spéciales », a déclaré Robinson.
« Cela a réduit la taille de l’ensemble du dispositif afin qu’à l’avenir il puisse être injectable », a ajouté Bhave.
Comme preuve de concept, les chercheurs ont utilisé ce matériau pour stimuler les nerfs périphériques chez le rat et ont démontré le potentiel d’utilisation de ce matériau dans les neuroprothèses en montrant qu’il pouvait restaurer la fonction d’un nerf sectionné.
« Nous pouvons utiliser ce métamatériau pour combler le fossé d’un nerf brisé et restaurer des vitesses de signal électrique rapides », a déclaré Chen. « Dans l’ensemble, nous avons pu concevoir de manière rationnelle un nouveau métamatériau qui surmonte de nombreux défis en neurotechnologie. Et plus important encore, ce cadre de conception de matériaux avancés peut être appliqué à d’autres applications telles que la détection et la mémoire en électronique. »
Robinson, qui s’est inspiré de ses travaux de doctorat en photonique pour concevoir ce nouveau matériau, a déclaré qu’il trouvait « vraiment excitant que nous puissions désormais concevoir des dispositifs ou des systèmes en utilisant des matériaux qui n’ont jamais existé auparavant plutôt que de nous limiter à ceux de la nature ».
« Une fois que vous découvrez un nouveau matériau ou une nouvelle classe de matériaux, je pense qu’il est vraiment difficile d’en anticiper toutes les utilisations potentielles », a déclaré Robinson, professeur de génie électrique et informatique et de bio-ingénierie. « Nous nous sommes concentrés sur la bioélectronique, mais je pense qu’il pourrait y avoir de nombreuses applications au-delà de ce domaine. »
Antonios Mikos, professeur Louis Calder de génie chimique à Rice, professeur de bio-ingénierie, de science des matériaux et de nano-ingénierie et directeur du laboratoire de biomatériaux, du centre d’excellence en ingénierie tissulaire et du laboratoire JW Cox pour le génie biomédical, est également l’auteur de l’étude.
La recherche a été soutenue par la National Science Foundation (2023849) et les National Institutes of Health (U18EB029353).
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