研究人員很早就認識到使用磁電材料的治療潛力，這可以將磁場轉化為電場的材料，以微創方式刺激神經組織，幫助治療神經系統疾病或神經損傷。然而，問題在於神經元很難對這種轉換產生的電訊號的形狀和頻率做出反應。

萊斯大學研究員、博士生Joshua Chen 是《自然材料》雜誌上發表的一項研究的主要作者。（古斯塔沃·拉斯科斯基/萊斯大學攝）

萊斯大學神經工程師Jacob Robinson 和他的團隊設計了第一種磁電材料，不僅解決了這個問題，而且磁電轉換速度比同類材料快120 倍。根據發表在《自然材料》上的一項研究，研究人員表明，該材料可用於遠端精確刺激神經元，並彌合大鼠模型中斷裂的坐骨神經的間隙。

羅賓遜說，這種材料的品質和性能可能會對神經刺激治療產生深遠的影響，從而顯著減少侵入性手術。無需植入神經刺激裝置，只需將少量材料注射到所需部位即可。此外，考慮到磁電學在計算、感測、電子和其他領域的應用範圍，這項研究為先進材料設計提供了一個框架，可以更廣泛地推動創新。

研究員Gauri Bhave 是羅賓遜實驗室的前研究科學家，也是發表在《自然材料》上的一項研究的主要合著者。（照片由高里巴韋提供）

「我們問，『我們能否創造一種像灰塵一樣的材料，或者非常小，只需將其撒在體內，就可以刺激大腦或神經系統？』考慮到這個問題，我們認為磁電材料是用於神經刺激的理想候選材料。 它們對很容易滲透到體內的磁場做出反應，並將其轉化為電場——這是我們的神經系統已經用來傳遞訊息的語言。”

研究人員首先使用一種磁電材料，該材料由鈦酸鉛鋯壓電層夾在兩層金屬玻璃合金（Metglas）磁致伸縮層之間，可以快速磁化和消磁。

Gauri Bhave 是羅賓遜實驗室的前研究員，現在貝勒醫學院從事技術轉移工作，她解釋說，磁致伸縮元件會隨著磁場的施加而振動。

研究插圖線性磁電轉換（頂部兩個轉換）與非線性（底部第三個）的神經響應示意圖。（圖片由Josh Chen/萊斯大學提供）

「這種振動意味著它基本上改變了它的形狀，」Bhave說。“壓電材料是一種當它改變形狀時就會產生電力的材料。 因此，當這兩者結合起來時，你得到的轉換就是你從身體外部施加的磁場變成了電場。”

然而，磁電產生的電訊號太快且太均勻，神經元無法偵測到。我們面臨的挑戰是設計一種新材料，它可以產生電訊號，使細胞真正做出反應。

「對於所有其他磁電材料，電場和磁場之間的關係是線性的，而我們需要的是這種關係是非線性的材料，」羅賓遜說。“我們必須考慮可以在薄膜上沉積哪些材料來產生非線性響應。”

研究人員將鉑、氧化鉿和氧化鋅分層，並將堆疊材料添加到原始磁電薄膜的頂部。他們面臨的挑戰之一是找到與材料相容的製造技術。

研究插圖與先前使用的磁性材料相比，磁電非線性超材料刺激神經活動的速度快120 倍。（圖片由羅賓遜實驗室/萊斯大學提供）

Robinson 說：“為了製造這種小於200 奈米的非常薄的層，我們付出了大量的努力，這為我們提供了真正特殊的性能。這縮小了整個裝置的尺寸，以便將來它可以注射。”

作為概念證明，研究人員使用該材料刺激大鼠的周邊神經，並透過證明該材料可以恢復切斷的神經的功能來證明該材料在神經修復術中的應用潛力。

「我們可以使用這種超材料來彌合斷裂神經的間隙並恢復快速的電訊號速度，」陳說。「總的來說，我們能夠合理地設計出一種新的超材料，克服了神經技術中的許多挑戰。 更重要的是，這種先進材料設計框架可以應用於電子設備中的感測和存儲等其他應用。”

研究員雅各布·羅賓遜（Jacob Robinson）是萊斯大學電機與電腦工程和生物工程教授。（照片由羅賓遜實驗室/萊斯大學提供）

羅賓遜利用自己在光子學領域的博士研究成果來設計新材料，他表示，他發現「我們現在可以使用以前從未存在過的材料來設計設備或系統，而不是局限於自然界中的材料，這真是令人興奮。”

「一旦發現一種新材料或一類材料，我認為很難預測它們的所有潛在用途，」電氣和電腦工程以及生物工程教授羅賓遜說。“我們專注於生物電子學，但我預計該領域之外可能還有許多應用。”

Antonios Mikos，萊斯大學路易斯·考爾德化學工程教授、生物工程、材料科學和奈米工程教授、組織工程卓越中心生物材料實驗室主任和JW 考克斯生物醫學工程實驗室也是該研究的作者之一。

該研究得到了美國國家科學基金會(2023849) 和美國國立衛生研究院(U18EB029353) 的支持。