Un nouveau matériau électromagnétique comble le vide du nerf sectionné et restaure sa fonction

Les chercheurs reconnaissent depuis longtemps le potentiel thérapeutique de l’utilisation de la magnétoélectrique – des matériaux capables de convertir les champs magnétiques en champs électriques – pour stimuler les tissus nerveux de manière peu invasive et aider à traiter les troubles neurologiques ou les lésions nerveuses. Mais le problème 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 et son équipe de l’Université Rice ont conçu le premier matériau électromagnétique qui non seulement résout ce problème, mais effectue également la conversion magnétique-électrique 120 fois plus rapidement que des matériaux similaires. Selon une étude publiée dans la revue Nature Materials, les chercheurs ont montré que le matériau pouvait être utilisé pour stimuler précisément les neurones à distance et pour combler le fossé d’un nerf sciatique brisé dans un modèle de rat.

La qualité et les performances du matériau peuvent avoir un impact profond sur les traitements de neurostimulation, rendant les procédures nettement moins invasives, a déclaré Robinson. Au lieu d’implanter un appareil de neurostimulation, de petites quantités de substance peuvent simplement être injectées à l’endroit souhaité. En outre, compte tenu de la gamme d’applications électromagnétiques 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 capables de stimuler l’innovation à une plus grande échelle.

Nous avons demandé : « Pouvons-nous fabriquer une substance qui pourrait être comme de la poussière ou si petite que le simple fait d’en mettre une pincée dans le corps serait capable de stimuler le cerveau ou le système nerveux ? C’est en gardant cette question à l’esprit que nous avons pensé que les matériaux électromagnétiques seraient 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 réellement pour transmettre des informations.

Joshua Chen, doctorant à l’Université Rice, est l’auteur principal de l’étude.

Les chercheurs ont commencé avec un matériau électromagnétique composé d’une couche piézoélectrique de titanate de plomb et de zirconium prise en sandwich entre deux couches liées magnétiquement d’un alliage de verre métallique, ou Metglas, qui peuvent être rapidement magnétisées et démagnétisées.

Gauri Bhave, un ancien chercheur du laboratoire de Robinson qui travaille maintenant dans le transfert de technologie au Baylor College of Medicine, a expliqué que l’élément de retenue magnétique vibre lorsqu’un champ magnétique est appliqué.

« Cette vibration signifie qu’il change fondamentalement de forme », a déclaré Bhave. « Un matériau piézoélectrique est quelque chose qui génère de l’électricité lorsqu’il change de forme. Ainsi, lorsque ces deux éléments sont combinés, la conversion que vous obtenez est que le champ magnétique que vous appliquez depuis l’extérieur de l’objet se transforme en champ électrique. »

Cependant, les signaux électriques générés par la magnétoélectricité 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 ferait réellement réagir les cellules.

« Pour tous les autres matériaux électromagnétiques, la relation entre le champ électrique et le champ magnétique est linéaire », a déclaré Robinson. « Ce dont nous avons besoin, c’est d’un matériau dans lequel cette relation est non linéaire. » « Nous avons dû réfléchir aux types de matériaux que nous pourrions mettre dans 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 électromagnétique 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 d’épaisseur, qui nous confère des propriétés vraiment spéciales », a déclaré Robinson.

« Cela a réduit la taille de l’ensemble du dispositif afin qu’il puisse être injecté à l’avenir », a ajouté Bhave.

Comme preuve de concept, les chercheurs ont utilisé ce matériau pour stimuler les nerfs périphériques chez la souris et ont démontré la possibilité d’utiliser ce matériau dans des prothèses neurales en montrant qu’il pouvait restaurer la fonction d’un nerf sectionné.

« Nous pouvons utiliser ce métamatériau pour combler le fossé dans le 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. Il est important de noter que 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 son doctorat en photonique pour concevoir de nouveaux matériaux, a déclaré qu’il trouvait « vraiment excitant que nous puissions désormais concevoir des dispositifs ou des systèmes en utilisant des matériaux qui n’existaient pas auparavant plutôt que de nous limiter à ceux que l’on trouve dans 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 en dehors de ce domaine. »

Antonius Mikus, professeur Lewis 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 génie tissulaire et du laboratoire G. W. 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).