Các nhà nghiên cứu từ lâu đã nhận ra tiềm năng trị liệu của việc sử dụng vật liệu điện từ, vật liệu chuyển đổi từ trường thành điện trường, để kích thích mô thần kinh theo phương pháp xâm lấn tối thiểu nhằm giúp điều trị các bệnh về thần kinh hoặc tổn thương thần kinh. Tuy nhiên, vấn đề là tế bào thần kinh gặp khó khăn trong việc phản ứng với hình dạng và tần số của tín hiệu điện được tạo ra bởi sự chuyển đổi này.
Nhà nghiên cứu và nghiên cứu sinh tiến sĩ của Đại học Rice, Joshua Chen là tác giả chính của một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Materials. (Ảnh của Gustavo Laskoski/Đại học Rice)
Kỹ sư thần kinh Jacob Robinson của Đại học Rice và nhóm của ông đã thiết kế vật liệu điện từ đầu tiên không chỉ giải quyết được vấn đề này mà còn chuyển đổi điện từ nhanh hơn 120 lần so với các vật liệu tương tự. Theo một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Materials, các nhà nghiên cứu cho thấy rằng vật liệu này có thể được sử dụng để kích thích chính xác các tế bào thần kinh từ xa và thu hẹp khoảng cách giữa các dây thần kinh tọa bị cắt đứt ở mô hình chuột.
Robinson cho biết chất lượng và hiệu suất của vật liệu này có thể có tác động sâu sắc đến các phương pháp điều trị kích thích thần kinh, làm giảm đáng kể các thủ thuật xâm lấn. Không cần phải cấy thiết bị kích thích thần kinh; chỉ cần một lượng nhỏ vật liệu được tiêm vào khu vực mong muốn. Hơn nữa, với phạm vi ứng dụng của điện từ trong máy tính, cảm biến, điện tử và các lĩnh vực khác, nghiên cứu này cung cấp một khuôn khổ cho thiết kế vật liệu tiên tiến có thể thúc đẩy sự đổi mới rộng rãi hơn.
Nhà nghiên cứu Gauri Bhave, cựu nhà khoa học nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Robinson, là đồng tác giả chính của một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Materials. (Ảnh do Gauri Bhave cung cấp)
"Chúng tôi hỏi: 'Chúng ta có thể tạo ra một vật liệu giống như bụi, hoặc rất nhỏ, có thể kích thích não hoặc hệ thần kinh chỉ bằng cách lan truyền nó khắp cơ thể không?' Với câu hỏi này, chúng tôi nghĩ rằng vật liệu điện từ sẽ là ứng cử viên lý tưởng cho kích thích thần kinh. Chúng rất dễ xâm nhập. Từ trường trong cơ thể phản ứng và chuyển nó thành điện trường - ngôn ngữ mà hệ thần kinh của chúng ta hệ thống đã sử dụng để truyền đạt thông tin.”
Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên sử dụng vật liệu điện từ bao gồm một lớp áp điện chì-zirconium titanate được kẹp giữa hai lớp từ giảo của hợp kim thủy tinh kim loại (Metglas) có thể bị từ hóa và khử từ nhanh chóng.
Gauri Bhave, cựu nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Robinson, hiện đang làm việc trong lĩnh vực chuyển giao công nghệ tại Đại học Y Baylor, giải thích rằng các phần tử từ giảo dao động để phản ứng với tác dụng của từ trường.
Nghiên cứu Minh họa Sơ đồ biểu diễn phản ứng thần kinh đối với các chuyển đổi điện từ tuyến tính (hai chuyển đổi trên cùng) so với phi tuyến tính (phần ba dưới cùng). (Ảnh của Josh Chen/Đại học Rice)
"Sự rung động này có nghĩa là về cơ bản nó thay đổi hình dạng," Bhave nói. "Vật liệu áp điện là vật liệu tạo ra điện khi nó thay đổi hình dạng. Vì vậy, khi cả hai kết hợp với nhau, sự chuyển đổi bạn nhận được là từ trường bạn tác dụng từ bên ngoài cơ thể trở thành điện trường."
Tuy nhiên, tín hiệu điện do điện từ tạo ra quá nhanh và đồng đều nên tế bào thần kinh không thể phát hiện được. Thách thức ở đây là thiết kế một loại vật liệu mới có thể tạo ra tín hiệu điện để tế bào thực sự phản ứng.
"Đối với tất cả các vật liệu điện từ khác, mối quan hệ giữa điện trường và từ trường là tuyến tính và thứ chúng ta cần là một loại vật liệu có mối quan hệ đó là phi tuyến tính", Robinson nói. “Chúng tôi phải nghĩ xem chất liệu nào có thể được đưa lên phim để tạo ra phản ứng phi tuyến tính.”
Các nhà nghiên cứu đã xếp lớp bạch kim, hafnium oxit và kẽm oxit rồi thêm các vật liệu xếp chồng lên nhau lên trên lớp màng điện từ ban đầu. Một trong những thách thức họ gặp phải là tìm ra kỹ thuật sản xuất tương thích với vật liệu.
Nghiên cứu Minh họa Siêu vật liệu phi tuyến điện từ kích thích hoạt động thần kinh nhanh hơn 120 lần so với vật liệu từ tính được sử dụng trước đây. (Hình ảnh được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Robinson/Đại học Rice)
Robinson cho biết: “Chúng tôi đã nỗ lực rất nhiều để tạo ra lớp rất mỏng này, chưa đến 200 nanomet, mang lại cho chúng tôi những đặc tính thực sự đặc biệt”. "Điều này thu nhỏ kích thước của toàn bộ thiết bị để có thể tiêm vào trong tương lai."
Để chứng minh khái niệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng vật liệu này để kích thích các dây thần kinh ngoại biên ở chuột và chứng minh tiềm năng sử dụng của vật liệu này trong các bộ phận giả thần kinh bằng cách chứng minh rằng nó có thể khôi phục chức năng cho các dây thần kinh bị đứt.
"Chúng tôi có thể sử dụng siêu vật liệu này để thu hẹp khoảng cách giữa các dây thần kinh bị đứt và khôi phục tốc độ tín hiệu điện nhanh", Chen nói. "Nhìn chung, chúng tôi có thể thiết kế hợp lý một siêu vật liệu mới vượt qua nhiều thách thức trong công nghệ thần kinh. Quan trọng hơn, khung thiết kế vật liệu tiên tiến này có thể được áp dụng cho các ứng dụng khác như cảm biến và lưu trữ trong các thiết bị điện tử." TAG PH4
Nhà nghiên cứu Jacob Robinson là giáo sư về kỹ thuật điện, máy tính và kỹ thuật sinh học tại Đại học Rice. (Ảnh do Phòng thí nghiệm Robinson/Đại học Rice cung cấp)
Robinson, người đã sử dụng nghiên cứu tiến sĩ của mình về quang tử học để thiết kế các vật liệu mới, cho biết ông đã phát hiện ra rằng “giờ đây chúng ta có thể thiết kế các thiết bị hoặc hệ thống bằng cách sử dụng các vật liệu chưa từng tồn tại trước đây”.
"Một khi một vật liệu hoặc một loại vật liệu mới được phát hiện, tôi nghĩ rất khó để dự đoán tất cả các ứng dụng tiềm năng của chúng," Robinson, giáo sư về kỹ thuật điện, máy tính và kỹ thuật sinh học cho biết. "Chúng tôi tập trung vào điện tử sinh học, nhưng tôi dự đoán có thể có nhiều ứng dụng ngoài lĩnh vực đó."
Antonios Mikos, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học Lewis Calder, giáo sư kỹ thuật sinh học, khoa học vật liệu và kỹ thuật nano, giám đốc Phòng thí nghiệm Vật liệu Sinh học tại Trung tâm Kỹ thuật Mô và Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Y sinh J.W. Cox tại Đại học Rice, cũng là tác giả của nghiên cứu. Quỹ Khoa học Quốc gia (2023849) và Viện Y tế Quốc gia (U18EB029353).