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《Nature Materials》：磁电超材料！

2023-10-16 09:17:10 0 338

一、研究背景

对神经活动的远程刺激将使侵入性更小的医学治疗成为可能，并提高我们在行为自由的动物身上研究神经科学的能力。磁场是远程控制神经活动的理想选择，因为这些磁场可以无损地穿过空气并深入人体。然而，我们体内的细胞和蛋白质具有非常弱的磁性；因此，要使磁场刺激生物反应，研究人员通常要么使用脉冲磁性材料产生的超过 1 T 的高磁场强度，要么使用磁性材料将微弱的磁刺激（通常小于 100 mT）转化为可以刺激附近细胞的能量形式。事实上，这种基于材料的方法具有极佳的选择性，因为人们可以通过限制磁性材料的位置来刺激特定区域，也可以将磁性材料与转基因细胞结合起来，实现细胞类型特异性神经刺激。以材料为基础的磁刺激技术如果能实现毫秒级计时，就能实现许多神经治疗和研究应用，这些应用需要神经调节与感官刺激和行为精确同步；然而，现有的磁性材料远远达不到毫秒级的时间精度。例如，超顺磁性纳米粒子的磁加热可以刺激表达热敏感受器的神经元，其行为反应时间接近 500 ms，或者触发药物释放，引起行为反应的潜伏期为几秒钟。磁性纳米粒子的机械位移也能通过机械感受器刺激神经活动，但在体内的反应时间为几秒钟。磁电（ME）纳米粒子也被用于远程神经调控，认为这种材料可以将外加磁场转化为电场，直接激活电压门控离子通道。然而，涉及 ME 纳米粒子的实验显示，其潜伏期相对较长，从几百毫秒到几秒钟不等，这表明它们并不能按需直接驱动动作电位。这种较长的潜伏期可能是因为 ME 纳米粒子的驱动频率为 150 Hz，与其共振频率相差甚远。这种频率差异导致电场相对较小，这是因为在共振频率之外观察到的 ME 耦合系数降低了。事实上，当施加的磁场与材料的机械共振模式相匹配时，磁场和电场之间的转换率α（其中 E = αH）会增加 100 倍以上，而与非共振磁性纳米粒子相比，则会增加 10⁶ 倍以上。对于长度小于 5 mm的材料，最低共振频率通常大于 100 kHz，由于细胞固有的低通滤波，这个频率太快，无法直接刺激神经活动。因此，对于远高于细胞膜低通截止频率（约 1 kHz）的频率，必须进行自整流才能有效激活电压门控离子通道。因此，ME 材料只有与电子电路相结合，将高频 ME 响应转换为低频电刺激时，才能实现毫秒级潜伏期的神经刺激。我们假设，如果使用具有非线性 ME 耦合系数 α 的 ME 材料，就能实现毫秒级的神经刺激。非线性 α 可以实现 ME 响应的自校正。事实上，非线性电荷传输已在类似的材料系统中得到证实，并产生了较大的二阶非线性。在这种非线性 ME 材料中，通过简单地脉冲交流载波（图 1a），自整流可将交流（a.c.）驱动磁场转换为直流（d.c.）电场。这种直流电场可以快速刺激电压门控离子通道。

二、研究成果

由于目前还没有关于天然材料中具有较大非线性系数的 ME 材料的报道，休斯顿莱斯大学Jacob T. Robinson研究团队受到超材料领域的启发，设计了一种复合材料，其整体 ME 耦合系数将显示出很强的非线性。图 2 显示了其他几种超材料，在这些超材料中，场或力之间的转换是通过一种材料特性来描述的，这种材料特性在自然界中无法观察到，但可以通过组合组成材料或元件来实现。他们假设，通过在超材料层压板（图 1b）上添加非线性电荷传输层，可以制造出一种自校正磁电非线性超材料（MNM）。因此，这种复合材料将具有非线性 ME 耦合系数 α，它描述了外加磁场 (H) 与感应电动势 (V) 之间的关系（V = αH）（图 1c）。相关研究工作以“Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。祝贺！

三、图文速递

图1. MNM 利用磁场实现无线神经调制

图2. 超材料中的工程材料特性

图3. 任意脉冲序列和 MNM 的特征描述

为了制造这种自校正 MNM，他们在 ME 层压板上添加了纳米级整流电子传输（RET）层，ME 层压板由三层组成，其中锆钛酸铅（PZT）压电层位于 Metglas 两层磁致伸缩层的中心。通过沉积 130 nm 的ZnO和 40 nm 的HfO₂来添加 RET，从而形成薄膜叠层，作为电荷载流子在材料中移动的二极管（图 3d）。他们采用这种设计的理由是要打破正负磁场电压响应的对称性。这样，他们就能创造出一种强非线性 ME 耦合系数，从而实现自校正（图 1c）。他们之所以选择ZnO作为 RET 层，是因为它以前曾被用于制造二极管，而且他们可以在低温（100 °C）下沉积ZnO，无需进行化学蚀刻，这样就可以与 ME 层板进行单片集成。为了改善结构的整流特性，他们采用原子层沉积技术，在低温条件下通过调节前驱体流速来控制ZnO层中的电子浓度。他们还沉积了一层钝化 HfO₂，通过防止反向电流来进一步改善整流特性（图 3e）。

当他们在机械共振频率下施加交流磁场时，他们发现 MNM 显示出自校正功能，而这正是精确定时神经刺激的关键所在（图 3b）。红线显示的是 200 µs 窗口滑动平均电压波形，显示在施加磁场时，MNM 上会产生 1.7 V 的偏置电压，而 ME 薄膜上不会（图 3a）。这些数据还表明，通过脉冲交流磁场，他们可以产生直流电刺激。图 3a 和 b 显示了使用 375 kHz 载波的任意低频脉冲串的例子。

图4. 使用 MNM 的体内实验和对照组

图5. 在严重神经啮齿动物模型中测量 MNM 的刺激潜伏期

作为精确计时的 MNM 刺激如何支持神经假体应用的另一个例子，他们使用 MNM 恢复了大鼠坐骨神经断裂处的神经传导（图 5）。如图 5a 所示，他们使用脉冲发生器以 1 mA、1 ms的脉冲刺激被切断神经的上游，并使用神经套记录被切断神经近端处的神经电位。然后，他们利用在神经套上测量到的电压作为磁场驱动器的触发器，激活 MNM 中的电脉冲，为断裂神经远端的神经袖带供电。通过这种方式，他们利用 MNM 来弥合神经间隙，使电信号能够依靠 MNM 的短潜伏期继续穿过被切断的神经，从而避免了大量的信号传播延迟（图 5a）。他们在图 5 中绘制了施加电压和测量电压。他们发现，MNM 成功地弥合了坐骨神经间隙，使神经信号能够激活远端肌群，延迟时间小于 5 ms（图 5c）。

四、结论与展望

慢性生物技术应用的一个潜在问题是如何封装 MNM 以避免 ME 系数受阻，一些材料（如含铅的 PZT 层）可能需要用更惰性的压电材料（如 AlN 或聚偏二氟乙烯）来替代。总之，他们的研究表明，有可能合理地设计出能将磁场转换为电场的超材料，以克服神经技术领域的挑战，而这种超材料设计框架或许还能应用于传感、电子和存储器领域的各种应用，这些应用都依赖于在微型材料中操纵磁场和电场。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01680-4

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