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Os investigadores há muito que reconhecem o potencial terapêutico da utilização de magnetoeléctricos – materiais que podem transformar campos magnéticos em campos eléctricos – para estimular o tecido neural de uma forma minimamente invasiva e ajudar a tratar distúrbios neurológicos ou danos nos nervos. O problema, porém, é que os neurônios têm dificuldade em responder à forma e à frequência do sinal elétrico resultante dessa conversão.
O neuroengenheiro da Rice University, Jacob Robinson, e sua equipe projetaram o primeiro material magnetoelétrico que não apenas resolve esse problema, mas realiza a conversão magnético-elétrica 120 vezes mais rápido do que materiais semelhantes. De acordo com um estudo publicado na Nature Materials, os pesquisadores mostraram que o material pode ser usado para estimular remotamente neurônios com precisão e para preencher a lacuna em um nervo ciático quebrado em um modelo de rato.
As qualidades e o desempenho do material podem ter um impacto profundo nos tratamentos de neuroestimulação, tornando os procedimentos significativamente menos invasivos, disse Robinson. Em vez de implantar um dispositivo de neuroestimulação, pequenas quantidades do material poderiam simplesmente ser injetadas no local desejado. Além disso, dada a gama de aplicações da magnetoelétrica na computação, detecção, eletrônica e outros campos, a pesquisa fornece uma estrutura para o design de materiais avançados que poderia impulsionar a inovação de forma mais ampla.
“Perguntamos: ‘Podemos criar um material que possa ser como poeira ou que seja tão pequeno que, colocando apenas uma pitada dele dentro do corpo, você seria capaz de estimular o cérebro ou o sistema nervoso?’”, disse Joshua Chen, um Ex-aluno de doutorado em Rice, autor principal do estudo. “Com essa questão em mente, pensamos que os materiais magnetoelétricos eram candidatos ideais para uso em neuroestimulação. Eles respondem a campos magnéticos, que penetram facilmente no corpo, e os convertem em campos elétricos – uma linguagem que nosso sistema nervoso já usa para transmitir Informação.”
Os pesquisadores começaram com um material magnetoelétrico feito de uma camada piezoelétrica de titanato de chumbo-zircônio imprensada entre duas camadas magnetorrestritivas de ligas metálicas de vidro, ou Metglas, que podem ser rapidamente magnetizadas e desmagnetizadas.
Gauri Bhave, ex-pesquisador do laboratório Robinson que agora trabalha em transferência de tecnologia para o Baylor College of Medicine, explicou que o elemento magnetorrestritivo vibra com a aplicação de um campo magnético.
“Esta vibração significa que basicamente muda de forma”, disse Bhave. “O material piezoelétrico é algo que, quando muda de forma, cria eletricidade. Então, quando esses dois são combinados, a conversão que você obtém é que o campo magnético que você aplica do lado de fora do corpo se transforma em um elétrico campo.”
No entanto, os sinais elétricos gerados pela magnetoeletricidade são muito rápidos e uniformes para serem detectados pelos neurônios. O desafio era projetar um novo material que pudesse gerar um sinal elétrico que realmente fizesse as células responderem.
“Para todos os outros materiais magnetoelétricos, a relação entre o campo elétrico e o campo magnético é linear, e o que precisávamos era de um material onde essa relação fosse não linear”, disse Robinson. “Tivemos que pensar sobre os tipos de materiais que poderíamos depositar neste filme que criariam essa resposta não linear.”
Os pesquisadores colocaram camadas de platina, óxido de háfnio e óxido de zinco e adicionaram os materiais empilhados sobre o filme magnetoelétrico original. Um dos desafios que enfrentaram foi encontrar técnicas de fabricação compatíveis com os materiais.
“Muito trabalho foi feito para fazer essa camada muito fina de menos de 200 nanômetros que nos dá propriedades realmente especiais”, disse Robinson.
“Isso reduziu o tamanho de todo o dispositivo para que no futuro ele pudesse ser injetável”, acrescentou Bhave.
Como prova de conceito, os pesquisadores usaram o material para estimular nervos periféricos em ratos e demonstraram o potencial do material para uso em neuropróteses, mostrando que ele poderia restaurar a função de um nervo rompido.
“Podemos usar este metamaterial para preencher a lacuna em um nervo quebrado e restaurar velocidades rápidas de sinal elétrico”, disse Chen. “No geral, fomos capazes de projetar racionalmente um novo metamaterial que supera muitos desafios na neurotecnologia. E o mais importante, esta estrutura para design de materiais avançados pode ser aplicada a outras aplicações, como detecção e memória em eletrônica.”
Robinson, que se inspirou em seu trabalho de doutorado em fotônica para projetar o novo material, disse que acha “realmente emocionante que agora possamos projetar dispositivos ou sistemas usando materiais que nunca existiram antes, em vez de ficarmos confinados aos da natureza”.
“Depois que você descobre um novo material ou classe de materiais, acho que é realmente difícil prever todos os usos potenciais para eles”, disse Robinson, professor de engenharia elétrica e de computação e bioengenharia. “Nós nos concentramos na bioeletrônica, mas espero que haja muitas aplicações além deste campo.”
Antonios Mikos, professor Louis Calder de Engenharia Química da Rice, professor de bioengenharia e ciência de materiais e nanoengenharia e diretor do Laboratório de Biomateriais, Centro de Excelência em Engenharia de Tecidos e Laboratório JW Cox de Engenharia Biomédica, também é autor do estudo.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (2023849) e pelos Institutos Nacionais de Saúde (U18EB029353).
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