Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration.
Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration.
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用于远程神经刺激和运动功能恢复的自整流磁电超材料。
DOI：
10.1038/s41563-023-01680-4
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发表时间：
2024
期刊：
影响因子：
41.2
通讯作者：
Robinson,JacobT
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Chen,JoshuaC;Bhave,Gauri;Alrashdan,Fatima;Dhuliyawalla,Abdeali;Hogan,KatieJ;Mikos,AntoniosG;Robinson,JacobT
磁电材料将磁场转化为电场。这些材料通常用于无线电子和生物医学应用。例如，磁电可以实现对神经组织的远程刺激，但最佳共振频率通常太高，无法刺激神经活动。本文描述了一种用于精确定时神经刺激的自整流磁电超材料。这种超材料依靠半导体层间的非线性电荷传输，使材料在交变磁场的存在下产生稳定的偏置电压。我们产生任意脉冲序列，其时间平均电压偏差超过2v。因此，我们可以利用磁电非线性超材料无线刺激麻醉大鼠周围神经，使其恢复感觉反射，并在潜伏期小于5 ms的情况下恢复切断神经的信号传播。总的来说，这些结果表明合理的磁电超材料设计支持在先进生物技术和电子领域的应用。
Magnetoelectric materials convert magnetic fields into electric fields. These materials are often used in wireless electronic and biomedical applications. For example, magnetoelectrics could enable the remote stimulation of neural tissue, but the optimal resonance frequencies are typically too high to stimulate neural activity. Here we describe a self-rectifying magnetoelectric metamaterial for a precisely timed neural stimulation. This metamaterial relies on nonlinear charge transport across semiconductor layers that allow the material to generate a steady bias voltage in the presence of an alternating magnetic field. We generate arbitrary pulse sequences with time-averaged voltage biases in excess of 2 V. As a result, we can use magnetoelectric nonlinear metamaterials to wirelessly stimulate peripheral nerves to restore a sensory reflex in an anaesthetized rat model and restore signal propagation in a severed nerve with latencies of less than 5 ms. Overall, these results showing the rational design of magnetoelectric metamaterials support applications in advanced biotechnology and electronics.
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