研究人员很早就认识到使用磁电材料的治疗潜力，这可以将磁场转化为电场的材料，以微创方式刺激神经组织，帮助治疗神经系统疾病或神经损伤。 然而，问题在于神经元很难对这种转换产生的电信号的形状和频率做出反应。

莱斯大学研究员、博士生 Joshua Chen 是《自然材料》杂志上发表的一项研究的主要作者。 （古斯塔沃·拉斯科斯基/莱斯大学摄）

莱斯大学神经工程师 Jacob Robinson 和他的团队设计了第一种磁电材料，不仅解决了这个问题，而且磁电转换速度比同类材料快 120 倍。 根据发表在《自然材料》上的一项研究，研究人员表明，该材料可用于远程精确刺激神经元，并弥合大鼠模型中断裂的坐骨神经的间隙。

罗宾逊说，这种材料的质量和性能可能会对神经刺激治疗产生深远的影响，从而显着减少侵入性手术。 无需植入神经刺激装置，只需将少量材料注射到所需部位即可。 此外，考虑到磁电学在计算、传感、电子和其他领域的应用范围，这项研究为先进材料设计提供了一个框架，可以更广泛地推动创新。

研究员 Gauri Bhave 是罗宾逊实验室的前研究科学家，是发表在《自然材料》上的一项研究的主要合著者。 （照片由高里·巴韦提供）

“我们问，‘我们能否创造一种像灰尘一样的材料，或者非常小，只需将其撒在体内，就可以刺激大脑或神经系统？’考虑到这个问题，我们认为磁电材料是用于神经刺激的理想候选材料。 它们对很容易渗透到体内的磁场做出反应，并将其转化为电场——这是我们的神经系统已经用来传递信息的语言。”

研究人员首先使用一种磁电材料，该材料由钛酸铅锆压电层夹在两层金属玻璃合金（Metglas）磁致伸缩层之间，可以快速磁化和消磁。

Gauri Bhave 是罗宾逊实验室的前研究员，现在贝勒医学院从事技术转让工作，她解释说，磁致伸缩元件会随着磁场的施加而振动。

研究插图线性磁电转换（顶部两个转换）与非线性（底部第三个）的神经响应示意图。 （图片由 Josh Chen/莱斯大学提供）

“这种振动意味着它基本上改变了它的形状，”Bhave说。 “压电材料是一种当它改变形状时就会产生电力的材料。 因此，当这两者结合起来时，你得到的转换就是你从身体外部施加的磁场变成了电场。”

然而，磁电产生的电信号太快且太均匀，神经元无法检测到。 我们面临的挑战是设计一种新材料，它可以产生电信号，使细胞真正做出反应。

“对于所有其他磁电材料，电场和磁场之间的关系是线性的，而我们需要的是这种关系是非线性的材料，”罗宾逊说。 “我们必须考虑可以在薄膜上沉积哪些材料来产生非线性响应。”

研究人员将铂、氧化铪和氧化锌分层，并将堆叠材料添加到原始磁电薄膜的顶部。 他们面临的挑战之一是找到与材料兼容的制造技术。

研究插图 与以前使用的磁性材料相比，磁电非线性超材料刺激神经活动的速度快 120 倍。 （图片由罗宾逊实验室/莱斯大学提供）

Robinson 说：“为了制造这种小于 200 纳米的非常薄的层，我们付出了大量的努力，这为我们提供了真正特殊的性能。这缩小了整个装置的尺寸，以便将来它可以注射。”

作为概念证明，研究人员使用该材料刺激大鼠的周围神经，并通过证明该材料可以恢复切断的神经的功能来证明该材料在神经修复术中的应用潜力。

“我们可以使用这种超材料来弥合断裂神经的间隙并恢复快速的电信号速度，”陈说。 “总的来说，我们能够合理地设计出一种新的超材料，克服了神经技术中的许多挑战。 更重要的是，这种先进材料设计框架可以应用于电子设备中的传感和存储等其他应用。”

研究员雅各布·罗宾逊（Jacob Robinson）是莱斯大学电气与计算机工程和生物工程教授。 （照片由罗宾逊实验室/莱斯大学提供）

罗宾逊利用自己在光子学领域的博士研究成果来设计新材料，他表示，他发现“我们现在可以使用以前从未存在过的材料来设计设备或系统，而不是局限于自然界中的材料，这真是令人兴奋。”

“一旦发现一种新材料或一类材料，我认为很难预测它们的所有潜在用途，”电气和计算机工程以及生物工程教授罗宾逊说。 “我们专注于生物电子学，但我预计该领域之外可能还有许多应用。”

Antonios Mikos，莱斯大学路易斯·考尔德化学工程教授、生物工程、材料科学和纳米工程教授、组织工程卓越中心生物材料实验室主任和 J.W. 考克斯生物医学工程实验室也是该研究的作者之一。

该研究得到了美国国家科学基金会 (2023849) 和美国国立卫生研究院 (U18EB029353) 的支持。