A magnetoelektromos implantátumok lehetővé teszik az idegműködés távolról történő helyreállítását – Fizika világa

A magnetoelektromos implantátumok lehetővé teszik az idegműködés távolról történő helyreállítását – Fizika világa

Időbélyeg: 1. november 2023. 8:05

Joshua Chen
Újszerű metaanyag A Rice Egyetem doktorandusza, Joshua Chen és munkatársai olyan magnetoelektromos anyagot terveztek, amely közvetlenül stimulálja az idegszövetet és áthidalja a törött idegek réseit. (Jóvolt: Gustavo Raskosky/Rice University)

Az amerikai Rice Egyetem kutatói olyan vezeték nélküli implantátumot fejlesztettek ki, amely mágneses impulzusokra reagálva stimulálja a neuronokat. A távoli működtetés érdekében a csapat egy új metaanyagot tervezett, amely a külső mágneses mezőket elektromos jelekké alakítja, amelyeket idegek továbbíthatnak. Egy tanulmányban, amelyről beszámoltak Természeti anyagok, első szerző Joshua Chen és munkatársai bizonyítják, hogy az eszköz képes helyreállítani az idegműködést patkányokban. Azt javasolják, hogy ez az új anyagosztály megkönnyítse a kevésbé invazív orvosi kezeléseket neurológiai és mentális egészségi állapotok esetén.

Az idegrendszer elektromos mezőkkel történő stimulálását számos rendellenesség kezelésére vizsgálták, beleértve a Parkinson-kórt és a depressziót. Az elektródát az agyba vagy az idegbe ültetik be, és vezetékekkel egy külső eszközhöz csatlakozik, amely elektromos jeleket küld a célszövetnek. A legújabb kutatás célja egy olyan implantátum megalkotása volt, amely távolról működik, és kevésbé invazív műtétet igényel.

"Van egy terápiás előny, amelyet megpróbálunk elérni, anélkül, hogy egy nagy eszközt helyeznénk el a testben" - magyarázza a neuromérnök Jacob Robinson aki a projektet vezette.

Egy ilyen implantátumnak jelet kell küldenie a sejteknek külső ingerre válaszul, és ezt ezredmásodperces késleltetéssel kell megtennie, miközben elég kicsi ahhoz, hogy célzott választ adjon. A tulajdonságok ilyen kombinációja nem található meg a természetben vagy a meglévő mesterséges anyagokban.

A távoli idegi stimuláció követelményeinek kielégítése

A mágneses mezők mélyen behatolnak a test belsejébe, de kevésbé hatékonyan stimulálják a sejteket, mint az elektromos mezők. A távoli sejtválasz lehetővé tétele érdekében a csapat olyan magnetoelektromos metaanyagot tervezett, amely a váltakozó mágneses jelet elektromos térré alakítja. Az eszköz mindkét oldalán egy olyan anyagréteg található, amely a mágneses tér hatására feszültséget hoz létre, a közepén pedig egy piezoelektromos anyag, amely feszültség hatására elektromos mezőt hoz létre.

Más tudósok magnetoelektromos anyagokat tanulmányoztak a neuronok távoli stimulálására, de ezek az eszközök túl lassúak ahhoz, hogy utánozzák az idegi jelátvitelt. A késleltetési idők minimalizálása érdekében az anyagot a rezonanciafrekvenciáján kell meghajtani, ami általában néhány száz kilohertz. Az idegsejtek membránjai azonban kiszűrik a nagyfrekvenciás jeleket, így a korábbi eszközök messze kerültek a rezonanciától.

A csapat által kidolgozott ötlet az volt, hogy az implantátumot úgy lehetne megtervezni, hogy stimulálja a sejteket, miközben az anyagot rezonanciára irányítja, az eszközben lévő áramot váltakozó áramról egyenárammá alakítva. Ennek elérése érdekében vékonyfilm-diódát helyeztek el a metaanyagon úgy, hogy az AC működés során az áram többnyire egy irányba folyjon, ami egyenáram-előfeszítést eredményez.

Implantátum bemutatók in vivo ígéret

A koncepció bizonyítékaként a kutatók bebizonyították, hogy az eszköz használható az idegműködés helyreállítására állatmodellben. Az implantátumot egy patkány lábában lévő levágott ülőideghez erősítették, és kimutatták, hogy a mágneses impulzus stimulálja az állat lábának izmait. Az implantátum 5 ms-os célkésleltetési időt ért el, ami megfelel a test idegi kommunikációs sebességének.

A vezetés helyreállítása a levágott idegben
Szakadék áthidalása A vázlat, amely bemutatja, hogy az implantátum hogyan támogatja a vezetés helyreállítását a leszakadt ülőidegben in vivo (Jóvolt: JC Chen et al., Nat. Mater. doi.org/10.1038/s41563-023-01680-4)

Az eszköz olyan elektromágneses manipulációt hajt végre, amely nem reprodukálható a természetben előforduló anyagokkal. A kutatók azt tervezik, hogy megvizsgálják, hogy az implantátum miniatürizálható-e mikro- vagy nanoméretűre, lehetővé téve az agyban történő felhasználást, esetleg injekciós formában.

Robinson hozzáteszi, hogy más alkalmazásokat is fontolgatnak, például áramforrásokat, ahol új magnetoelektromos hatásokat lehetne hasznosítani. „Azt hiszem, egy egész osztály metaanyagot tudunk létrehozni, ahol a mágneses mező és az elektromos tér közötti kapcsolat a miénk a mérnökök kezében” – mondja.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa