麻省理工使用導(dǎo)電聚合物3D打印軟而靈活的腦植入物

魔猴君  行業(yè)資訊   1645天前

近日，據(jù)魔猴網(wǎng)了解，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員和工程師正在使用3D打印技術(shù)，采用導(dǎo)電聚合物液態(tài)材料開(kāi)發(fā)柔軟而靈活的大腦電極。

麻省理工學(xué)院的工程師們正在對(duì)導(dǎo)電聚合物的3D打印進(jìn)行研究，他們正在研究開(kāi)發(fā)符合大腦輪廓的軟神經(jīng)植入物，并在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)監(jiān)視活動(dòng)，而不會(huì)加劇周?chē)M織的狀況。

通常由金屬制成的大腦植入物會(huì)引起炎癥和疤痕組織的堆積。 3D打印的柔性聚合物電子設(shè)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(cè)大腦活動(dòng)的現(xiàn)有金屬基電極。因此，這項(xiàng)研究對(duì)于開(kāi)發(fā)可刺激神經(jīng)區(qū)域緩解癲癇，帕金森氏病和嚴(yán)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(lái)自麻省理工學(xué)院。

3D打印導(dǎo)電聚合物

在最近發(fā)表的研究中，由機(jī)械工程學(xué)和土木與環(huán)境工程學(xué)教授趙選河領(lǐng)導(dǎo)的麻省理工學(xué)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(shè)備的方法。該研究集中于導(dǎo)電聚合物，導(dǎo)電聚合物是具有固有導(dǎo)電性的一類聚合物。它們?cè)谏虡I(yè)上用作抗靜電涂料，因?yàn)樗鼈兛梢杂行У貛ё呷魏畏e聚在電子設(shè)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(shè)備上?！甭槭±砉W(xué)院Zhao小組的研究生Hyunwoo Yuk說(shuō)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(dǎo)電聚合物墨水溶液。通常，它是一種液體狀的導(dǎo)電聚合物溶液，其中包含提供材料導(dǎo)電特性的納米纖維。麻省理工學(xué)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(jìn)行3D打印，同時(shí)仍保留了該材料固有的導(dǎo)電性。

使PEDOT：PSS解決方案與3D打印兼容的過(guò)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(kāi)發(fā)的水和有機(jī)溶劑的溶液混合，以形成嵌入納米纖維的水凝膠。通過(guò)對(duì)不同的水凝膠形式進(jìn)行試驗(yàn)，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(dǎo)電又適合送入3D打印機(jī)?！白畛?，就像肥皂水一樣，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(guò)將新的，較厚的導(dǎo)電聚合物送入3D打印機(jī)中，研究人員能夠制造出穩(wěn)定的導(dǎo)電圖案。因此，該團(tuán)隊(duì)使用PEDOT：PSS解決方案創(chuàng)建了幾種導(dǎo)電聚合物設(shè)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(yàn)證。Yuk補(bǔ)充說(shuō)：“我們希望通過(guò)演示這一概念證明，人們可以使用該技術(shù)快速制造不同的設(shè)備?！八麄兛梢栽?0分鐘內(nèi)更改設(shè)計(jì)，運(yùn)行打印代碼并生成新設(shè)計(jì)。這完全可以簡(jiǎn)化由完全由軟材料制成的神經(jīng)界面的開(kāi)發(fā)。”

該團(tuán)隊(duì)還印刷了軟多電極陣列。圖片來(lái)自麻省理工學(xué)院。

測(cè)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(xì)的平行線匯聚了PEDOT：PSS材料，該線匯聚在一個(gè)尖端，寬約10微米。它的尺寸確保了電極具有從單個(gè)神經(jīng)元（即使用電脈沖在大腦中傳遞信息的細(xì)胞）拾取電信號(hào)的能力。通過(guò)測(cè)試，研究人員發(fā)現(xiàn)植入的電極確實(shí)能夠檢測(cè)到來(lái)自老鼠大腦內(nèi)單個(gè)神經(jīng)元的電信號(hào)，因?yàn)樗谑芸丨h(huán)境中自由移動(dòng)。

標(biāo)準(zhǔn)的神經(jīng)植入物使用金屬電極來(lái)刺激和監(jiān)視神經(jīng)系統(tǒng)的部分和結(jié)構(gòu)。這可以使科學(xué)家更清晰地了解大腦的活動(dòng)，并有助于針對(duì)各種神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ɡ缗两鹕喜。┝可矶ㄖ漂煼ê烷L(zhǎng)期的大腦植入物。

3D打印的導(dǎo)電聚合物網(wǎng)格的SEM圖像為200 μm。圖片來(lái)自《自然通訊》。

除了可能在振動(dòng)的情況下對(duì)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(duì)大腦中的電信號(hào)不太敏感。這是因?yàn)榻饘匐姌O以電子形式傳導(dǎo)電，而大腦中的神經(jīng)元以離子形式產(chǎn)生電信號(hào)-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(dǎo)致信號(hào)的某些部分在翻譯中丟失。據(jù)中國(guó)3D打印網(wǎng)了解，相比之下，3D打印的軟電極是由導(dǎo)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(guò)的水基材料。導(dǎo)電聚合物水凝膠的美麗之處在于其柔軟的機(jī)械性能，它是由離子導(dǎo)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(gè)容積都處于活動(dòng)狀態(tài)，因此靈敏度得到了提高。

神經(jīng)植入物領(lǐng)域的3D打印

盡管在導(dǎo)電聚合物的使用方面獨(dú)樹(shù)一幟，但麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)并不是第一個(gè)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(xué)（Carnegie Mellon University）的研究人員就發(fā)表了一項(xiàng)研究，該研究使用3D納米粒子打印技術(shù)來(lái)創(chuàng)建高密度神經(jīng)探針以記錄神經(jīng)學(xué)數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目從美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）獲得了195萬(wàn)美元的贈(zèng)款。

兩個(gè)月后，總部位于紐約的生物技術(shù)初創(chuàng)公司Qrons宣布與新罕布什爾州達(dá)特茅斯學(xué)院達(dá)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）許可協(xié)議，以開(kāi)發(fā)3D可打印植入物來(lái)治療穿透性或創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）。

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)