Les chercheurs reconnaissent depuis longtemps le potentiel thérapeutique de l’utilisation de matériaux magnétoélectriques, des matériaux qui convertissent les champs magnétiques en champs électriques, pour stimuler le tissu neural de manière peu invasive afin d’aider à traiter les maladies neurologiques ou les lésions nerveuses. Le problème, cependant, est que les neurones ont du mal à réagir à la forme et à la fréquence des signaux électriques produits par cette conversion.

Joshua Chen, chercheur et doctorant à l'Université Rice, est l'auteur principal d'une étude publiée dans la revue Nature Materials. (Photo de Gustavo Laskoski/Université du riz)

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 convertit également la magnétoélectricité 120 fois plus rapidement que des matériaux similaires. Selon une étude publiée dans Nature Materials, les chercheurs montrent que le matériau peut être utilisé pour stimuler avec précision les neurones à distance et combler les lacunes des nerfs sciatiques sectionnés dans un modèle de rat.

Robinson a déclaré que la qualité et les propriétés du matériau pourraient avoir un impact profond sur les traitements de neurostimulation, réduisant considérablement les procédures invasives. Il n’est pas nécessaire d’implanter un appareil de neurostimulation ; seule une petite quantité de matériau est injectée dans la zone souhaitée. En outre, compte tenu de la gamme d’applications de la magnétoélectronique dans les domaines de l’informatique, de la détection, de l’électronique et dans d’autres domaines, cette recherche fournit un cadre pour la conception de matériaux avancés qui pourrait stimuler l’innovation de manière plus large.

Le chercheur Gauri Bhave, ancien chercheur scientifique au laboratoire Robinson, est le co-auteur principal d'une étude publiée dans Nature Materials. (Photo gracieuseté de Gauri Bhave)

« Nous avons demandé : « Pourrions-nous créer un matériau semblable à de la poussière, ou si petit qu'il pourrait stimuler le cerveau ou le système nerveux simplement en le répandant dans le corps ? » C’est en gardant cette question à l’esprit que nous avons pensé que les matériaux magnétoélectriques seraient des candidats idéaux pour la neurostimulation. Ils réagissent aux champs magnétiques qui pénètrent facilement dans le corps et les convertissent en champs électriques – le langage que notre système nerveux utilise déjà pour communiquer des informations. »

Les chercheurs ont d’abord utilisé un matériau magnétoélectrique constitué d’une couche piézoélectrique de titanate de plomb et de zirconium prise en sandwich entre deux couches magnétostrictives d’un alliage de verre métallique (Metglas) qui peut être rapidement magnétisé et démagnétisé.

Gauri Bhave, ancien chercheur du laboratoire de Robinson qui travaille désormais dans le transfert de technologie au Baylor College of Medicine, explique que les éléments magnétostrictifs vibrent en réponse à l'application d'un champ magnétique.

Illustration de l'étude Représentation schématique des réponses neuronales aux transitions magnétoélectriques linéaires (deux transitions supérieures) par rapport aux transitions non linéaires (tiers inférieur). (Photo fournie par Josh Chen/Université Rice)

"Cette vibration signifie qu'il change fondamentalement de forme", a déclaré Bhave. "Un matériau piézoélectrique est un matériau 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 du corps devient un champ électrique."

Cependant, les signaux électriques générés par la magnétoélectricité sont trop rapides et uniformes pour que les neurones puissent les détecter. Le défi consiste à concevoir un nouveau matériau capable de générer des signaux électriques afin que les cellules réagissent réellement.

"Pour tous les autres matériaux magnétoélectriques, la relation entre les champs électrique et magnétique est linéaire, et nous avons besoin de matériaux dans lesquels la relation est non linéaire", a déclaré Robinson. "Nous devons réfléchir aux matériaux qui peuvent être déposés sur le film pour produire une réponse non linéaire."

Les chercheurs ont superposé du platine, de l'oxyde de hafnium et de l'oxyde de zinc et ont ajouté le matériau empilé au-dessus du film magnétoélectrique d'origine. L’un des défis auxquels ils sont confrontés est de trouver des techniques de fabrication compatibles avec les matériaux.

Illustration de recherche : les métamatériaux magnétoélectriquement non linéaires stimulent l’activité neuronale 120 fois plus rapidement que les matériaux magnétiques précédemment utilisés. (Image gracieuseté du Laboratoire Robinson/Université Rice)

"De nombreux efforts ont été déployés pour créer cette couche très fine, inférieure à 200 nanomètres, qui nous confère des propriétés vraiment spéciales", a déclaré Robinson. "Cela réduit la taille de l'ensemble du dispositif afin qu'il puisse être injecté à l'avenir."

Comme preuve de concept, les chercheurs ont utilisé le matériau pour stimuler les nerfs périphériques chez le rat et ont démontré le potentiel d'utilisation du matériau dans les prothèses nerveuses en démontrant qu'il pouvait restaurer la fonction des nerfs sectionnés.

"Nous pouvons utiliser ce métamatériau pour combler le fossé entre les nerfs sectionnés 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. Plus important encore, ce cadre de conception de matériaux avancé peut être appliqué à d'autres applications telles que la détection et le stockage dans des appareils électroniques."


Le chercheur Jacob Robinson est professeur de génie électrique et informatique et de bio-ingénierie à l'Université Rice. (Photo fournie par le Laboratoire Robinson/Université Rice)

Robinson, qui utilise ses recherches de doctorat en photonique pour concevoir de nouveaux matériaux, a déclaré qu'il trouve "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 aux matériaux trouvés dans la nature".

"Une fois qu'un nouveau matériau ou une nouvelle classe de matériaux est découvert, je pense qu'il est très difficile de prédire toutes leurs utilisations potentielles", a déclaré Robinson, professeur de génie électrique et informatique et de bio-ingénierie. "Nous nous concentrons sur la bioélectronique, mais je pense qu'il pourrait y avoir de nombreuses applications en dehors de ce domaine."

Antonios Mikos, professeur Louis Calder de génie chimique de 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 J.W. Le laboratoire Cox de génie biomédical est également l'un des auteurs de l'étude.

Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation (2023849) et les National Institutes of Health (U18EB029353).