El equipo de Rice fabrica un diminuto estimulador neural accionado magnéticamente
Una muestra de la película ‘magnetoeléctrica’ de la Universidad de Rice sobre un lecho de arroz crudo. Los neuroingenieros de Rice crearon la película de dos capas para alimentar estimuladores neurales implantables que tienen aproximadamente el tamaño de un grano de arroz. La película convierte la energía de un campo magnético directamente en un voltaje eléctrico, eliminando la necesidad de una batería o una conexión de alimentación por cable. Crédito: Jeff Fitlow/Universidad de Rice
Los neuroingenieros de la Universidad de Rice han creado un diminuto implante quirúrgico que puede estimular eléctricamente el cerebro y el sistema nervioso sin utilizar una batería o una fuente de alimentación por cable.
El estimulador neural extrae su poder de la energía magnética y tiene aproximadamente el tamaño de un grano de arroz. Es el primer estimulador neural accionado magnéticamente que produce el mismo tipo de señales de alta frecuencia que los implantes alimentados por batería clínicamente aprobados que se utilizan para tratar la epilepsia, la enfermedad de Parkinson, el dolor crónico y otras afecciones.
El la investigación está disponible en línea hoy en la revista Neuron.
El ingrediente clave del implante es una película delgada de material «magnetoeléctrico» que convierte la energía magnética directamente en un voltaje eléctrico. El método evita los inconvenientes de las ondas de radio, el ultrasonido, la luz e incluso las bobinas magnéticas, todas las cuales se han propuesto para alimentar pequeños implantes inalámbricos y se ha demostrado que sufren interferencias con el tejido vivo o producen cantidades dañinas de calor.
Para demostrar la viabilidad de la tecnología magnetoeléctrica, los investigadores demostraron que los implantes funcionaron en roedores que estaban completamente despiertos y libres para deambular por sus recintos.
«Hacer esa demostración de prueba de principio es realmente importante, porque es un gran salto tecnológico pasar de una demostración de laboratorio a algo que podría ser realmente útil para tratar a las personas», dijo Jacob Robinson, autor correspondiente del estudio y miembro de la Iniciativa de Neuroingeniería de Rice. «Nuestros resultados sugieren que el uso de materiales magnetoeléctricos para la entrega de energía inalámbrica es más que una idea novedosa. Estos materiales son excelentes candidatos para bioelectrónica inalámbrica de grado clínico».
Diminutos implantes capaces de modular la actividad del cerebro y sistema nervioso podría tener amplias implicaciones. Si bien los implantes que funcionan con baterías se usan con frecuencia para tratar la epilepsia y reducir los temblores en pacientes con la enfermedad de Parkinson, la investigación ha demostrado que la estimulación neural podría ser útil para tratar la depresión, los trastornos obsesivo-compulsivos y más de un tercio de las personas que sufren de enfermedades crónicas e intratables. dolor que a menudo conduce a la ansiedad, la depresión y la adicción a los opioides.
Robinson dijo que la miniaturización realizada por la autora principal del estudio y estudiante graduada Amanda Singer es importante porque la clave para hacer que la terapia de estimulación neural esté más disponible es crear , dispositivos inalámbricos que son lo suficientemente pequeños para ser implantados sin cirugía mayor. Se podrían implantar dispositivos del tamaño de un grano de arroz en casi cualquier parte del cuerpo con un procedimiento mínimamente invasivo similar al que se usa para colocar stents en arterias bloqueadas, dijo.
Coautor del estudio y neuroingeniería Caleb Kemere, miembro de la iniciativa, dijo: «Cuando tienes que desarrollar algo que se pueda implantar por vía subcutánea en el cráneo de animales pequeños, las restricciones de tu diseño cambian significativamente. Lograr que esto funcione en un roedor en un entorno libre de restricciones realmente obligó a Amanda a empujar hacia abajo el tamaño y el volumen a la escala mínima posible».
Para las pruebas con roedores, se colocaron dispositivos debajo de la piel de los roedores que podían moverse libremente por sus recintos. Los roedores preferían estar en partes de los recintos donde un campo magnético activaba el estimulador y proporcionaba un pequeño voltaje al centro de recompensa de sus cerebros.
Para demostrar la viabilidad de la tecnología de estimulación neuronal en miniatura impulsada por magnetoeléctricos, la Universidad de Rice Los neuroingenieros crearon pequeños dispositivos que se colocaron debajo de la piel de los roedores que podían moverse libremente por sus recintos. Los roedores preferían estar en partes de los recintos donde un campo magnético activaba el estimulador y proporcionaba un pequeño voltaje al centro de recompensa de sus cerebros. Crédito: J. Robinson/Universidad Rice
Singer, un estudiante de física aplicada en el laboratorio de Robinson, resolvió el problema de la energía inalámbrica uniendo capas de dos materiales muy diferentes en una sola película. La primera capa, una lámina magnetoestrictiva de hierro, boro, silicio y carbono, vibra a nivel molecular cuando se coloca en un campo magnético. El segundo, un cristal piezoeléctrico, convierte la tensión mecánica directamente en tensión eléctrica.
«El campo magnético genera tensión en el material magnetoestrictivo», dijo Singer. «No hace que el material se vuelva visiblemente más grande o más pequeño, pero genera ondas acústicas y algunas de ellas tienen una frecuencia resonante que crea un modo particular que usamos llamado modo resonante acústico».
Acústico La resonancia en los materiales magnetoestrictivos es lo que hace que los grandes transformadores eléctricos emitan un zumbido audible. En los implantes de Singer, las reverberaciones acústicas activan la mitad piezoeléctrica de la película.
Robinson dijo que las películas magnetoeléctricas recolectan mucha energía pero operan a una frecuencia que es demasiado alta para afectar las células cerebrales.
«Una pieza importante de ingeniería que resolvió Amanda fue crear el circuito para modular esa actividad a una frecuencia más baja a la que responderían las células», dijo Robinson. «Es similar a la forma en que funciona la radio AM. Tienes estas ondas de muy alta frecuencia, pero están moduladas a una frecuencia baja que puedes escuchar».
Singer dijo que crear una señal bifásica modulada que podría estimular las neuronas sin dañarlas fue un desafío, al igual que la miniaturización.
«Cuando presentamos este artículo por primera vez, no teníamos la versión implantada en miniatura», dijo. «Hasta ese momento, lo más importante era averiguar cómo obtener realmente esa señal bifásica con la que estimulamos, qué elementos del circuito necesitábamos para hacer eso.
«Cuando recibimos las revisiones después de eso primero presentación, los comentarios fueron como, ‘Está bien, dices que puedes hacerlo pequeño. Entonces, hazlo pequeño’”, dijo Singer. “Entonces, pasamos otro año más o menos haciéndolo pequeño y demostrando que realmente funciona. Ese fue probablemente el mayor obstáculo. Al principio, fue difícil fabricar dispositivos pequeños que funcionaran».
En total, el estudio tomó más de cinco años, en gran parte porque Singer tuvo que hacer prácticamente todo desde cero, dijo Robinson.
«No hay infraestructura para esta tecnología de transferencia de energía”, dijo. «Si está usando radiofrecuencia (RF), puede comprar antenas de RF y generadores de señales de RF. Si está usando ultrasonido, no es como si alguien dijera: ‘Oh, por cierto, primero tiene que construir la máquina de ultrasonido’.
«Amanda tuvo que construir todo el sistema, desde el dispositivo que genera el campo magnético para las películas en capas que convierten el campo magnético en voltaje y los elementos del circuito que lo modulan y lo convierten en algo clínicamente útil. Tuvo que fabricarlo todo, empaquetarlo, ponerlo en un animal, crear el probar entornos y accesorios para los experimentos in vivo y realizar esos experimentos. Aparte de la lámina magnetoestrictiva y los cristales piezoeléctricos, no había nada en este proyecto que pudiera comprarse a un proveedor».
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El implante bioelectrónico controlado por imán podría aliviar el dolor Más información: Amanda Singer et al, Magnetoelectric Materials for Miniature, Wireless Neural Stimulation at Therapeutic Frequencies, Neuron (2020). DOI: 10.1016/j.neuron.2020.05.019 Información de la revista: Neuron
Proporcionado por la Universidad de Rice Cita: El equipo de Rice fabrica un pequeño estimulador neural accionado magnéticamente (2020 , 8 de junio) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-06-rice-team-tiny-magnetically-powered.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.