Investigadores de la Universidad William Marsh Rice, conocida como Universidad Rice, han diseñado el primer material magnetoeléctrico, elaborado con arroz, capaz de realizar la conversión de magnética a eléctrica 120 veces más rápido que materiales similares y que, a su vez, se puede utilizar para estimular con precisión las neuronas de forma remota, con lo que han conseguido cerrar la brecha en un nervio ciático roto en un modelo de rata.
Desde hace mucho tiempo, el neuroingeniero de la Universidad Rice, Jacob Robinson, y su equipo, reconocían el potencial terapéutico del uso de magnetoeléctricos. Estos materiales son capaces de convertir campos magnéticos, en campos eléctricos, dichos campos se diferencian en que los primeros describen la influencia magnética sobre un objeto en el espacio y los segundos son un campo definido por la magnitud de la fuerza eléctrica en cualquier punto en el espacio.
MAGNETOELÉTRICOS Y LA REGENERACIÓN DE TEJIDO
Los magnetoeléctricos pueden ser de gran utilidad a la hora de estimular el tejido neuronal de una manera mínimamente invasiva y ayudar a tratar trastornos neurológicos o daños a los nervios. El problema, sin embargo, es que a las neuronas les cuesta responder a la forma y frecuencia de la señal eléctrica resultante de esta conversión.
"Las cualidades y el rendimiento de este material podrían tener un profundo impacto en los tratamientos de neuroestimulación"
Los trastornos neurológicos aglutinan una gran diversidad de enfermedades desde depresión crónica, migraña, meningitis, párkinson hasta demencia, entre otras. En en año 2007 estas enfermedades afectaban a unas 1.000 millones de personas en todo el mundo y a día de hoy, ese dato se ha multiplicado, convirtiéndose así en una de las patologías más frecuentes que existen a nivel mundial.
En este marco, tal y cómo explicó Robinson, "las cualidades y el rendimiento de este material podrían tener un profundo impacto en los tratamientos de neuroestimulación, haciendo que los procedimientos sean significativamente menos invasivos. En lugar de implantar un dispositivo de neuroestimulación, simplemente se podrían inyectar pequeñas cantidades del material en el lugar deseado". Además, dada la gama de aplicaciones de la magnetoeléctrica en la informática, la detección, la electrónica y otros campos, la investigación proporciona un marco para el diseño de materiales avanzados que podría impulsar la innovación de manera más amplia y mejorar así la calidad de vida de los pacientes.
PROCEDIMIENTO
Joshua Chen, ex alumno de doctorado de Rice y autor principal del estudio, se inspiró para comenzar esta investigación preguntándose a sí mismo: “¿Se podría crear un material que pueda ser como polvo o que sea tan pequeño que con solo colocar una pizca dentro del cuerpo se pueda estimular el cerebro o el sistema nervioso?”. Con el objetivo de dar una respuesta a esta pregunta, los investigadores comenzaron con un material magnetoeléctrico formado por una capa piezoeléctrica de titanato de plomo y circonio intercalada entre dos capas magnetorrestrictivas de aleaciones de vidrio metálico, o Metglas , que pueden magnetizarse y desmagnetizarse rápidamente.
"El material piezoeléctrico es algo que, cuando cambia de forma, genera electricidad"
Tras utilizar este material, llegaron a la conclusión de que el elemento magnetorrestrictivo vibra con la aplicación de un campo magnético. "Esta vibración significa que básicamente cambia de forma", indicó Gauri Bhave, del Baylor College of Medicine. “El material piezoeléctrico es algo que, cuando cambia de forma, genera electricidad. Entonces, cuando esos dos se combinan, la conversión que se obtiene es que el campo magnético que se aplica desde el exterior del cuerpo se convierte en un campo eléctrico”.
Sin embargo, las señales eléctricas que generan los magnetoeléctricos son demasiado rápidas y uniformes para que las neuronas las detecten. A partir de entonces tenían un nuevo desafío: Diseñar un nuevo material que pudiera generar una señal eléctrica que realmente hiciera que las células respondieran.
Los investigadores colocaron capas de platino, óxido de hafnio y óxido de zinc y agregaron los materiales apilados encima de la película magnetoeléctrica original. Uno de los desafíos que enfrentaron fue encontrar técnicas de fabricación compatibles con los materiales. Como prueba de concepto, los investigadores utilizaron el material para estimular los nervios periféricos en ratas y demostraron el potencial del material para su uso en neuroprótesis al demostrar que podía restaurar la función en un nervio cortado.
UN PROMETEDOR HALLAZGO CIENTÍFICO
"Podemos utilizar este metamaterial para cerrar la brecha en un nervio roto y restaurar velocidades rápidas de la señal eléctrica", señaló Chen. “Este marco para el diseño de materiales avanzados se puede aplicar a otras aplicaciones como la detección y la memoria en electrónica”.
A partir de este progreso, se pueden diseñar nuevos dispositivo o sistemas utilizando materiales que antes no existían. Aún así, los autores matizaron que es pronto para definir o anticipar los beneficios y usos potenciales que pueda tener este hallazgo científico, que en principio se ha centrado en la bioelectrónica, pero que se espera poder utilizar en muchos otros campos.