나노 입자를 이용한 자기 신경 제어

자성 나노 입자는 "하나의 크기가 모든 것에 적합"할 필요는 없다. 대신, 개별 자성 나노 입자는 외부 교번 자기장의 주파수와 진폭을 변화 시켜서 개별적으로 가열 할 수 있도록 다양한 크기와 구성으로 배열 될 수있다. MIT 대학원생 Michael G. Christiansen과 동료들은 최근 응용 물리학에서 편지 용지.

그들이 자기 열 멀티플렉싱 이라고하는 새로운 전략  은 신경과 뇌 세포를 자극하고 약물 전달을 목표로하는 잠재력을 가지고 있습니다.

"우리의 접근 방식의 참신함은 서로 다른 교번 자기장 조건에서 충분히 뚜렷한 자기 특성을 가진 입자가 가장 잘 가열된다는 것을 인식하는 것입니다. 실제로 우리는 한 가지 유형을 선택적으로 가열 할 수있는 상황을 상상할 수 있습니다 크리스티안 센은 설명한다.

"교번 자기장의 주파수와 진폭은 선택적으로 가열되는 다른 입자 유형의 역할이 역전되도록 변경 될 수 있습니다. 이는 입자 가열에 의해 시작된 개별 프로세스를 독립적으로 트리거 할 수있는 비 침습적 방법을 제공하기 때문에 강력합니다. 신경 조절, 약물 방출 또는 다른 원하는 치료 작용 "이라고 그는 말했다.

Christiansen의 시뮬레이션 및 실험 작업의 결과는 2014 년 5 월 26 일 , "단일 도메인 나노 입자의 자기 다중화 된 가열" APL 논문에  발표되었다 .  Christiansen의 공동 저자 인 Alex Senko는 AC 자력계 데이터 수집을 도와주었습니다. 나노 입자를 합성 한 Ritchie Chen; 가브리엘라 로메로 (Gabriel Romero)는 나노 입자의 투과 전자 현미경 (TEM) 이미지를 촬영했다. 선임 저자  Polina Anikeeva , 재료 과학 및 공학과 AMAX 조교수.

Anikeeva 박사는“우리는 신경 자극을위한 변환기 역할을 할 수있는 나노 자성 물질을 사용하여 뉴런과 완전히 비 침습적 인 인터페이스를 시도하고있다.

바람직한 자기 방향

Christiansen 연구 자료 인 페라이트 또는 산화철은 이방성이라고 불리는 조건 인 결정 구조와 관련하여 특정 방향에서 자기 방향을 선호합니다. 선호하는 자기 방향을 "쉬운 축"이라고합니다. 자석을 사용하여 나침반 바늘을 편향시킬 수있는 것처럼 외부 자기장을 적용하여 자기 방향에 영향을 줄 수 있지만,이 경우 자기장이 한 축에서 다른 축으로 방향을 밀 수있을만큼 충분히 커야합니다. 이러한 장이 주기적으로 적용되고, 방향을 앞뒤로 밀면, 현상은 히스테리시스 루프에 의해 그래픽으로 예시 될 수 있으며, 이는 하나의 바람직한 방향에서 다른 방향으로 사이클을 통과하는데 필요한인가 된 자기장의 강도를 나타낸다.

이러한 자기 재배 향 과정에서, 나노 입자는 가열되어 그 열을 그들의 환경으로 방출시킨다. Christiansen은 시간에 따른 온도 변화를 측정하는 열량 측정으로이 열 출력을 측정했습니다. 그런 다음 그 데이터를 자성 물질 1g 당 에너지 손실로 변환했습니다.

순환 반전

외부 자기장을 번갈아 가면서 연구원들은 자성 물질에 대한 히스테리시스 루프를 순환하여 열을 생성합니다. "매우 이방성 입자 세트가 있고 높은 필드와 낮은 주파수에서 작동하는 경우, 히스테리시스 루프의 개별 영역이 훨씬 크기 때문에 이방성이 낮은 다른 입자 세트보다 더 많이 가열됩니다." "고주파, 저장 모드로 전환하면 이전에 가열되지 않은 이방성 입자가 가장 적게 가열됩니다. 히스테리시스 루프 영역이 대략 같은 크기로 필드에 반응 할 수 있기 때문입니다. 이 루프를 더 높은 주파수에서 더 빠르게 순환하므로 가열되어 가열되며 이방성이 높은 다른 입자는

Christiansen은 자기장의 교반에 의해 생성 된 열을 테이블에 문지르는 블록에 비합니다. 무게와 거칠기 때문에 마찰이 많은 큰 블록은 낮은 주파수에서 큰 순환 력이 가해지면서 열을 발생 시키지만, 작고 부드러운 블록은 더 적은 힘과 더 높은 주파수가 필요합니다. 큰 블록에 작은 힘을 가해도 열이 발생하지 않습니다. "자기장은 힘과 같고 이방성은 마찰과 같다"고 설명했다.

자극 뉴런

멀티플렉싱 기술의 한 가지 잠재적 인 용도는 활동 전위를 자극하여 뉴런을 발사하려고 시도하는 것입니다. 크리스천 센은“직장에는 고유 한 생물학적 증폭 메커니즘이있다”고 말했다. "뉴런 막의 작은 부분을 탈분극 화하면 뉴런에 자연적으로 존재하는 전압 게이트 채널이 있기 때문에 전체 세포가 활동 전위를 겪습니다."

자기 열 멀티플렉싱은 서로 다른 뉴런 유형 또는 뇌의 다른 부분을 대상으로 독립적으로 운전할 수있는 능력을 가지고 사용될 수 있습니다. 크리스천 슨은“자기장의 구동 조건, 즉 교번 자기장의 주파수와 진폭을 변경함으로써 이러한 다른 영역이나 셀 유형을 선택적으로 자극 할 수있을 것이다.

24 세인 Christiansen은 올 가을 재료 과학 및 공학 박사 과정의 3 년차에 입학하고 있습니다. Christiansen은 학부 과정에서 Arizona State University에서 물리학을 전공했으며 MIT의 재료 가공 센터와 재료 과학 및 공학 센터가 공동으로 주최하는 MIT의 Summer Scholars 프로그램에 참여했습니다.

코발트 또는 망간과 같은 금속을 첨가하여 산화철 또는 페라이트의 화학적 조성을 변경하면 외부 자기장에 대한 반응도 변화된다고 그는 말했다. "코발트를 첨가하면 페라이트가 더 이방성이되고 특정 방향이된다 "망간은 반대 효과를 갖는 경향이 있습니다."

결과 확인

이 논문이 출판되기 전에 Christiansen은 대안적인 AC 자력 측정법을 통해 열량 측정 결과를 확인해야했으며, 이는 샘플 자화의 위상이 다른 구성 요소를 통해 소산 된 에너지를 살펴 봅니다. "저희에게있어 가장 큰 장애물은 저널 리뷰어가 열량 측정 이외의 다른 증거를 원한다는 것이 었습니다. 그래서 우리는 리뷰를 되찾았으며이 AC 자력계를 구성하고 문제를 해결하는 데 약 한 달 반이 걸렸습니다."라고 그는 말합니다. 동료 대학원생 알렉산더 센코 (Alexander Senko)가 도와주었습니다.

"자기 논문에서 보여주는 다중화 유형은 직경이 다른 두 개의 산화철 입자 세트입니다. 하나는 망간 도핑되었습니다. 우리의 데이터는 수백 킬로 헤르츠의 교차점을 보여줍니다. 크리스티안 슨은 25 나노 미터 산화철과 그 교차점 이후 15 나노 미터 산화철 또는 15 나노 망간 망간 도핑 된 산화철은 더 이상 가열되지 않는다고 말했다. . MIT 팀은 자기 열 멀티플렉싱에 대한 임시 특허를 보유하고 있습니다.

Christiansen은 2013 년 12 월 보스턴에서 열린 MRS 가을 회의에서 프레젠테이션을 발표했습니다.이 작업은 Sanofi Biomedical Innovation Award와 DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) Young Faculty Award에서 부분적으로 자금을 지원했습니다.

Christiansen과 동료들은 약물 방출 및 기타 응용 프로그램과의 다중화 시연과 같은보다 구체적인 방법으로 결과를 입증하기 위해 노력하고 있습니다.