Регенерация нервов — жизненно важная медицинская проблема — находится на перекрестке между фундаментальными исследованиями и практическим применением в клинической практике. Повреждения нервов, вызванные несчастными случаями или дегенеративными заболеваниями, влияют на качество жизни миллионов людей во всем мире.
В поисках реальных решений ученые из Университета Райса (Техас) разработали нанометрический материал, который не только восстанавливает разорванные нервы, но и стимулирует их рост. Это техническое достижение открывает новые перспективы в области нейростимуляции и регенеративной медицины, предлагая реальные терапевтические возможности для пациентов. Работа команды опубликована в журнале .
Сила магнитоэлектрической стимуляции
Джошуа Чен и его команда из Университета Райса приступили к смелым исследованиям, направленным на создание материала, способного существенно взаимодействовать с нервной системой. В пресс-релизе он поясняет: «Мы задались вопросом: «Можем ли мы создать материал, который выглядел бы как пыль или был бы настолько мал, что, поместив всего одну щепотку внутрь тела, мы могли бы стимулировать мозг или нервную систему?«
Магнитоэлектрические материалы оказались ответом на этот вопрос благодаря их уникальному свойству преобразовывать магнитные поля в электрические. Такое преобразование крайне важно, поскольку, хотя магнитные поля могут беспрепятственно проходить через человеческое тело, наша нервная система использует для связи только электрические сигналы.
Поэтому материал, разработанный группой Чена, состоит из двух слоев сплава металлического стекла Metglas и пьезоэлектрического слоя титаната циркония, расположенного между ними. Он действует как мост, улавливая внешние магнитные поля и преобразуя их в электрические сигналы, которые затем могут быть интерпретированы и использованы нервами.
Многообещающая эффективность: нанопротезы на подходе
Материал, разработанный исследователями из Университета Райса, оказался удивительно эффективным в экспериментах на крысах. С его помощью удалось не только стимулировать периферические нервы грызунов под наркозом, но и восстановить функции седалищного нерва, который был ранее перерезан. Это означает, что материал не только создает электрическую связь, но и способствует восстановлению и регенерации поврежденных нервов, что очень важно для восстановления функции нервов.
Заслуживает внимания и скорость взаимодействия этого материала. Оказалось, что он может работать примерно в 120 раз быстрее, чем материалы, ранее разработанные и использовавшиеся в аналогичных условиях. Такая скорость необходима для эффективного взаимодействия с нервами и может оказаться особенно полезной в ситуациях, когда требуется быстрый ответ нерва.
Исследователи предполагают широкое применение этого материала, в частности, для создания очень маленьких нейропротезов, которые можно будет даже вводить в организм. Это может означать, что в будущем вместо хирургической имплантации громоздких медицинских устройств, способствующих регенерации нервов или нервной коммуникации, подобные материалы можно будет вводить непосредственно в нужный участок, снижая необходимость инвазивной хирургии.
Проблемы и перспективы
Применение магнитоэлектрических материалов в неврологии хотя и перспективно, но наталкивается на определенные препятствия, одним из которых является скорость генерируемых этими материалами сигналов. При естественном функционировании нервы человека имеют определенную «скорость» или частоту, с которой они посылают и принимают электрические сигналы. Магнитоэлектрические материалы в своем исходном состоянии генерируют сигналы со скоростью, которая может быть слишком высокой для нервов человека, чтобы обнаружить и должным образом отреагировать на них. Это может сделать генерируемые сигналы неэффективными в реальных неврологических приложениях.
Нейроинженер Джейкоб Робинсон из Университета Райса говорит: «Для всех других магнитоэлектрических материалов связь между электрическим и магнитным полем линейна, а нам нужен был материал, в котором эта связь не была бы линейной«.
Для решения этой проблемы исследователи приступили к оптимизации магнитоэлектрической пленки. Они включили в состав материала оксид платины гафния и оксид цинка — два элемента, способных модулировать электрические свойства пленки. Сохраняя внутренние свойства материала, эти оксиды регулируют скорость генерируемых сигналов, что делает их более совместимыми с возможностями обнаружения человеческих нервов.
Важно также отметить, что, несмотря на добавление этих оксидов, команде удалось сохранить толщину пленки на уровне около 200 нанометров. Благодаря этому устройство остается достаточно тонким и легким для использования в медицинских целях, не вызывая при этом дискомфорта у пациента. Такая тонкость материала необходима для сохранения его биосовместимости, что делает его перспективным кандидатом для будущего применения в регенеративной медицине.
Робинсон заключает: «Когда вы открываете новый материал или новый класс материалов, я думаю, очень трудно предугадать все возможные варианты его применения. Мы сосредоточились на биоэлектронике, но я думаю, что может быть много других применений«.