Magnetoelectric nanoparticles for brain tissue stimulations

Recently, the possibility of engineering different types of nanoparticles has considerably widened the possibility of using such technology for a wide range of applications, from the nanomedicine to brain imaging with a high specificity biomolecular diagnostic. Among the different types of nanoparticles, the recently proposed magnetoelectric nanoparticles (MENPs), represent a significant innovation for all those biomedical applications requiring an interaction between electric fields and biological means. The uniqueness of MENPs is that they are multiferroic materials fabricated by a magnetostrictive core coated with piezoelectric shell, which exploits a magneto-mechanical-electro coupling phenomenon, which is the magnetic electric effect (ME). Consequently, when a low amplitude time varying external magnetic field is applied to the nanoparticles, a change in the localized surface potential on the nanoparticle is imposed due to magnetic electric effect and an electric field is generated in the area where the nanoparticles are located. The fundamental objective of this thesis was to use computational bio-electromagnetic techniques to quantify the electric field distributions obtained when MENPs are injected in biological tissues, and in particular in neural tissues. As a first step, MENPs were modeled as single nanoparticle (NP) according to the available experimental data reported for MENPs and were placed in simplified spherical geometries with the dielectric properties of brain tissues. As a second step, MENPs were simulated as agglomerates or “clusters” of NPs with different geometries placed both in simplified geometries and in complex highly detailed anatomical brain structures. Among all the possible targets among the brain structures, two types of tissues were considered, namely deep brain structures and cortical areas. The electric field distributions obtained when MENPs were located in deep brain structures and in cortical areas were compared to the distributions usually obtained by means of stimulation techniques used in clinical practice to stimulate the same areas, i.e., deep brain stimulation (DBS) and transcranial magnetic stimulation (TMS). Results obtained in this study represent the first step towards a better comprehension of the phenomena underlying neural stimulation by MENPs, overcoming most drawbacks of currently used neural stimulation techniques, and opening new frontiers for brain stimulation.

Recentemente, la capacità di ingegnerizzare diversi tipi di nanoparticelle ha notevolmente ampliato la possibilità di utilizzare tali tecnologie per una vasta gamma di applicazioni, dalla nanomedicina all'imaging cerebrale con diagnostica biomolecolare ad alta specificità. Tra tutti i tipi di nanoparticelle, le nanoparticelle magnetoelettriche (MENPs) recentemente proposte rappresentano un'innovazione significativa in tutte quelle applicazioni biomediche che richiedono un'interazione tra campi elettrici e mezzi biologici. L'unicità dei MENPs è che essendo materiali multiferroici fabbricati da un nucleo magnetostrittivo rivestito con guscio piezoelettrico, sfruttano un fenomeno di accoppiamento magneto-meccanico-elettrico conosciuto come effetto magnetoelettrico (ME). Di conseguenza, in seguito all’applicazione di un campo magnetico esterno variabile nel tempo a bassa ampiezza, le nanoparticelle generano un cambiamento del loro potenziale localizzato sulla superficie a causa dell'effetto magnetoelettrico e quindi inducono un campo elettrico nell'area in cui sono state localizzate. Lo scopo principale di questa tesi è stato quello di formulare un modello computazionale dei MENPs, che potesse essere utilizzato per quantificare le distribuzioni del campo elettrico ottenute in seguito alla loro localizzazione nei tessuti biologici, in particolare nei tessuti cerebrali. Come primo passo, i MENPs sono stati modellati come singole nanoparticelle (NP) rispettando i dati sperimentali riportati in letteratura. In seguito, il modello è stato collocato all’interno di geometrie sferiche semplificate e caratterizzate da proprietà dielettriche tipiche dei tessuti cerebrali. In una seconda fase, i MENPs sono stati simulati come agglomerati o "cluster" di NP usando diverse geometrie collocate sia in strutture semplici che in complesse ricostruzioni anatomiche del cervello. Tra tutti i possibili target, sono state considerate le strutture cerebrali profonde e le aree corticali. Le distribuzioni del campo elettrico calcolate in queste aree sono state confrontate con i valori ottenuti mediante tecniche di stimolazione usate tipicamente nella pratica clinica, ovvero, la stimolazione cerebrale profonda (DBS) e la stimolazione magnetica transcranica (TMS). I risultati ottenuti in questo studio rappresentano il primo passo verso una migliore comprensione dei fenomeni alla base dei MENPs, superando la maggior parte degli inconvenienti delle tecniche di stimolazione cerebrale attualmente utilizzate e aprendo nuove frontiere attraverso il loro impiego.