Tes menunjukkan kekuatan ‘magnetoelectric’ adalah pilihan yang layak untuk implan tingkat klinis – ScienceDaily

Tes menunjukkan kekuatan ‘magnetoelectric’ adalah pilihan yang layak untuk implan tingkat klinis – ScienceDaily


Ahli saraf Universitas Rice telah menciptakan implan bedah kecil yang secara elektrik dapat merangsang otak dan sistem saraf tanpa menggunakan baterai atau catu daya kabel.

Stimulator saraf mengambil kekuatannya dari energi magnet dan ukurannya kira-kira sebesar sebutir beras. Ini adalah stimulator saraf bertenaga magnet pertama yang menghasilkan jenis sinyal frekuensi tinggi yang sama seperti implan bertenaga baterai yang disetujui secara klinis yang digunakan untuk mengobati epilepsi, penyakit Parkinson, nyeri kronis, dan kondisi lainnya.

Penelitian ini tersedia online hari ini di jurnal Neuron.

Bahan utama implan adalah film tipis dari bahan “magnetoelectric” yang mengubah energi magnet secara langsung menjadi tegangan listrik. Metode ini menghindari kekurangan gelombang radio, ultrasound, cahaya dan bahkan kumparan magnet, yang semuanya telah diusulkan untuk memberi daya pada implan nirkabel kecil dan telah terbukti mengalami gangguan pada jaringan hidup atau menghasilkan panas dalam jumlah yang berbahaya.

Untuk mendemonstrasikan kelayakan teknologi magnetoelektrik, para peneliti menunjukkan implan bekerja pada hewan pengerat yang benar-benar terjaga dan bebas berkeliaran di sekitar selungkupnya.

“Melakukan demonstrasi bukti prinsip sangat penting, karena ini adalah lompatan teknologi besar untuk beralih dari demonstrasi benchtop ke sesuatu yang mungkin benar-benar berguna untuk merawat orang,” kata Jacob Robinson, penulis terkait studi tersebut dan anggota dari the Rice Neuroengineering Initiative. “Hasil kami menunjukkan bahwa menggunakan bahan magnetoelektrik untuk pengiriman daya nirkabel lebih dari ide baru. Bahan ini adalah kandidat yang sangat baik untuk bioelektronika nirkabel tingkat klinis.”

Implan kecil yang mampu memodulasi aktivitas otak dan sistem saraf dapat memiliki implikasi yang luas. Sementara implan bertenaga baterai sering digunakan untuk mengobati epilepsi dan mengurangi tremor pada pasien dengan penyakit Parkinson, penelitian telah menunjukkan bahwa stimulasi saraf dapat berguna untuk mengobati depresi, gangguan obsesif-kompulsif, dan lebih dari sepertiga dari mereka yang menderita penyakit kronis dan keras kepala. rasa sakit yang sering menyebabkan kecemasan, depresi, dan kecanduan opioid.

Robinson mengatakan miniaturisasi oleh penulis utama studi dan mahasiswa pascasarjana Amanda Singer penting karena kunci untuk membuat terapi stimulasi saraf lebih banyak tersedia adalah menciptakan perangkat nirkabel bebas baterai yang cukup kecil untuk ditanamkan tanpa operasi besar. Perangkat seukuran sebutir beras dapat ditanamkan hampir di mana saja di tubuh dengan prosedur invasif minimal yang mirip dengan yang digunakan untuk memasang stent di arteri yang tersumbat, katanya.

Rekan penulis studi dan anggota inisiatif neuroengineering Caleb Kemere berkata, “Saat Anda harus mengembangkan sesuatu yang dapat ditanamkan secara subkutan pada tengkorak hewan kecil, batasan desain Anda berubah secara signifikan. Membuat ini bekerja pada hewan pengerat di lingkungan bebas kendala benar-benar memaksa Amanda untuk menurunkan ukuran dan volume ke skala seminimal mungkin. “

Untuk pengujian hewan pengerat, perangkat ditempatkan di bawah kulit hewan pengerat yang bebas berkeliaran di seluruh kandangnya. Hewan pengerat lebih suka berada di bagian kandang di mana medan magnet mengaktifkan stimulator dan memberikan tegangan kecil ke pusat reward otak mereka.

Singer, seorang mahasiswa fisika terapan di lab Robinson, memecahkan masalah daya nirkabel dengan menggabungkan lapisan dua bahan yang sangat berbeda dalam satu film. Lapisan pertama, foil magnetostriktif dari besi, boron, silikon dan karbon, bergetar pada tingkat molekuler saat ditempatkan di medan magnet. Kedua, kristal piezoelektrik, mengubah tegangan mekanis langsung menjadi tegangan listrik.

“Medan magnet menghasilkan tekanan pada bahan magnetostriktif,” kata Singer. “Itu tidak membuat materi menjadi semakin besar dan kecil, tetapi menghasilkan gelombang akustik dan beberapa di antaranya berada pada frekuensi resonansi yang menciptakan mode tertentu yang kami gunakan yang disebut mode resonansi akustik.”

Resonansi akustik pada bahan magnetostriktif inilah yang menyebabkan transformator listrik besar bersenandung. Dalam implan Singer, gema akustik mengaktifkan separuh piezoelektrik film.

Robinson mengatakan film magnetoelectric memanen banyak tenaga tetapi beroperasi pada frekuensi yang terlalu tinggi untuk mempengaruhi sel-sel otak.

“Bagian utama dari rekayasa yang dipecahkan Amanda adalah menciptakan sirkuit untuk memodulasi aktivitas itu pada frekuensi yang lebih rendah yang akan direspon oleh sel,” kata Robinson. “Ini mirip dengan cara kerja radio AM. Anda memiliki gelombang frekuensi sangat tinggi ini, tetapi mereka dimodulasi pada frekuensi rendah yang dapat Anda dengar.”

Singer mengatakan menciptakan sinyal bifasik termodulasi yang dapat menstimulasi neuron tanpa merusaknya adalah sebuah tantangan, seperti miniaturisasi.

“Saat pertama kali kami mengirimkan makalah ini, kami tidak memiliki versi implan miniatur,” katanya. “Sampai saat itu, hal terbesar adalah mencari tahu bagaimana sebenarnya mendapatkan sinyal bifasik yang kami rangsang, elemen sirkuit apa yang kami perlukan untuk melakukan itu.

“Ketika kami mendapatkan ulasannya kembali setelah pengiriman pertama itu, komentarnya seperti, ‘Oke, kamu bilang kamu bisa membuatnya kecil. Jadi, buat kecil,'” kata Singer. “Jadi, kami menghabiskan satu tahun atau lebih untuk membuatnya kecil dan menunjukkan bahwa itu benar-benar berfungsi. Itu mungkin rintangan terbesar. Membuat perangkat kecil yang berfungsi itu sulit, pada awalnya.”

Secara keseluruhan, penelitian ini memakan waktu lebih dari lima tahun, terutama karena Singer harus membuat hampir semuanya dari awal, kata Robinson.

“Tidak ada infrastruktur untuk teknologi transfer daya ini,” katanya. “Jika Anda menggunakan frekuensi radio (RF), Anda dapat membeli antena RF dan generator sinyal RF. Jika Anda menggunakan ultrasound, tidak seperti seseorang berkata, ‘Oh, ngomong-ngomong, pertama-tama Anda harus membuat mesin ultrasound . ‘

“Amanda harus membangun seluruh sistem, dari perangkat yang menghasilkan medan magnet hingga lapisan film yang mengubah medan magnet menjadi tegangan dan elemen sirkuit yang memodulasi itu dan mengubahnya menjadi sesuatu yang berguna secara klinis. Dia harus membuat semua itu, kemas, taruh pada hewan, buat lingkungan uji dan perlengkapan untuk eksperimen in vivo dan lakukan eksperimen tersebut. Selain foil magnetostriktif dan kristal piezoelektrik, tidak ada apa pun dalam proyek ini yang dapat dibeli dari vendor. “

Robinson dan Kemere masing-masing adalah profesor teknik kelistrikan dan komputer serta bioteknologi.

Rekan penulis tambahan termasuk Shayok Dutta, Eric Lewis, Ziying Chen, Joshua Chen, Nishant Verma, Benjamin Avants dan Ariel Feldman, semua Rice, dan John O’Malley dan Michael Beierlein, keduanya dari University of Texas Health Science Center di Houston’s Sekolah Kedokteran McGovern.

Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation dan National Institutes of Health.

Untuk Informasi Lebih lanjut silahkan Kunjungi : Togel Hongkong

Author Image
adminProzen