麻省理工使用導電聚合物3D打印軟而靈活的腦植入物
魔猴君 行業(yè)資訊 1706天前
近日，據(jù)魔猴網(wǎng)了解，麻省理工學院（MIT）的研究人員和工程師正在使用3D打印技術，采用導電聚合物液態(tài)材料開發(fā)柔軟而靈活的大腦電極。
麻省理工學院的工程師們正在對導電聚合物的3D打印進行研究，他們正在研究開發(fā)符合大腦輪廓的軟神經(jīng)植入物，并在更長的時間內(nèi)監(jiān)視活動，而不會加劇周圍組織的狀況。
通常由金屬制成的大腦植入物會引起炎癥和疤痕組織的堆積。 3D打印的柔性聚合物電子設備的使用可以潛在地提供一種更軟，更安全，更快速的替代方法，以替代旨在監(jiān)測大腦活動的現(xiàn)有金屬基電極。因此，這項研究對于開發(fā)可刺激神經(jīng)區(qū)域緩解癲癇，帕金森氏病和嚴重抑郁癥狀的大腦植入物也可能有用。
柔性神經(jīng)電極，帶有3D打印的軟電子活性聚合物。圖片來自麻省理工學院。
3D打印導電聚合物
在最近發(fā)表的研究中，由機械工程學和土木與環(huán)境工程學教授趙選河領導的麻省理工學院研究小組概述了一種3D打印神經(jīng)探針和其他像橡膠一樣柔軟和有彈性的電子設備的方法。該研究集中于導電聚合物，導電聚合物是具有固有導電性的一類聚合物。它們在商業(yè)上用作抗靜電涂料，因為它們可以有效地帶走任何積聚在電子設備和其他容易產(chǎn)生靜電的表面上的靜電荷。
“這些聚合物解決方案很容易噴涂在觸摸屏等電子設備上?！甭槭±砉W院Zhao小組的研究生Hyunwoo Yuk說道， “但是液體形式主要用于均質(zhì)涂料，很難將其用于任何二維，高分辨率的圖案。在3D模式下，這是不可能的。”在本文中，研究人員介紹了一種基于聚（3,4-乙撐二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）的3D可打印導電聚合物墨水溶液。通常，它是一種液體狀的導電聚合物溶液，其中包含提供材料導電特性的納米纖維。麻省理工學院的研究小組將這種物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N類似于“粘性牙膏”的增稠材料，以使其可進行3D打印，同時仍保留了該材料固有的導電性。
使PEDOT：PSS解決方案與3D打印兼容的過程包括將材料冷凍干燥，去除液體并留下干燥的納米纖維基質(zhì)。然后將這些納米纖維與它們先前已經(jīng)開發(fā)的水和有機溶劑的溶液混合，以形成嵌入納米纖維的水凝膠。通過對不同的水凝膠形式進行試驗，研究人員發(fā)現(xiàn)，納米纖維的重量百分比介于5％到8％之間，可以產(chǎn)生牙膏狀的材料，該材料既導電又適合送入3D打印機?！白畛酰拖穹试硭粯?，我們濃縮納米纖維，使其像牙膏一樣粘稠，因此我們可以將其作為一種稠密的可印刷液體擠出?！?/span>
通過將新的，較厚的導電聚合物送入3D打印機中，研究人員能夠制造出穩(wěn)定的導電圖案。因此，該團隊使用PEDOT：PSS解決方案創(chuàng)建了幾種導電聚合物設備，包括柔軟的橡膠狀電極，并將其植入到小鼠的大腦中，以此作為概念驗證。Yuk補充說：“我們希望通過演示這一概念證明，人們可以使用該技術快速制造不同的設備?！八麄兛梢栽?0分鐘內(nèi)更改設計，運行打印代碼并生成新設計。這完全可以簡化由完全由軟材料制成的神經(jīng)界面的開發(fā)。”
該團隊還印刷了軟多電極陣列。圖片來自麻省理工學院。
測試3D打印電極
小型電極由一層柔軟的透明聚合物組成，MIT小組3D在其上以細的平行線匯聚了PEDOT：PSS材料，該線匯聚在一個尖端，寬約10微米。它的尺寸確保了電極具有從單個神經(jīng)元（即使用電脈沖在大腦中傳遞信息的細胞）拾取電信號的能力。通過測試，研究人員發(fā)現(xiàn)植入的電極確實能夠檢測到來自老鼠大腦內(nèi)單個神經(jīng)元的電信號，因為它在受控環(huán)境中自由移動。
標準的神經(jīng)植入物使用金屬電極來刺激和監(jiān)視神經(jīng)系統(tǒng)的部分和結構。這可以使科學家更清晰地了解大腦的活動，并有助于針對各種神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ɡ缗两鹕喜。┝可矶ㄖ漂煼ê烷L期的大腦植入物。
3D打印的導電聚合物網(wǎng)格的SEM圖像為200 μm。圖片來自《自然通訊》。
除了可能在振動的情況下對大腦組織造成損害外，原則上，與基于水凝膠的電極相比，金屬電極對大腦中的電信號不太敏感。這是因為金屬電極以電子形式傳導電，而大腦中的神經(jīng)元以離子形式產(chǎn)生電信號-這意味著離子電流需要轉(zhuǎn)換才能被金屬電極記錄。這有可能導致信號的某些部分在翻譯中丟失。據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，相比之下，3D打印的軟電極是由導電納米纖維制成的，嵌入在水凝膠中，水凝膠是一種離子可以自由通過的水基材料。導電聚合物水凝膠的美麗之處在于其柔軟的機械性能，它是由離子導電的水凝膠以及納米纖維的多孔海綿制成，離子可以流入和流出。由于電極的整個容積都處于活動狀態(tài)，因此靈敏度得到了提高。
神經(jīng)植入物領域的3D打印
盡管在導電聚合物的使用方面獨樹一幟，但麻省理工學院的研究團隊并不是第一個使用3D打印創(chuàng)建神經(jīng)植入物的人。早在2019年，卡內(nèi)基梅隆大學（Carnegie Mellon University）的研究人員就發(fā)表了一項研究，該研究使用3D納米粒子打印技術來創(chuàng)建高密度神經(jīng)探針以記錄神經(jīng)學數(shù)據(jù)。該項目從美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）獲得了195萬美元的贈款。
兩個月后，總部位于紐約的生物技術初創(chuàng)公司Qrons宣布與新罕布什爾州達特茅斯學院達成知識產(chǎn)權（IP）許可協(xié)議，以開發(fā)3D可打印植入物來治療穿透性或創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）。
