麻省理工学院开发柔软,灵活的神经植入物,可以按需打印3D

3D印刷脑电极

新技术可实现更快速,按需设计的更柔软,更安全的神经设备。信贷:由研究人员提供

技术可以实现快速,按需设计的更柔软,更安全的神经装置。

大脑是我们最脆弱的器官之一,像豆腐一样柔软。另一方面,脑植入通常由金属和其他刚性材料制成,随着时间的推移可以引起炎症和瘢痕组织的堆积。

麻省理工学院工程师正在努力开发柔软的柔性神经植入物,可以轻松地符合大脑的轮廓和监测活动,而不会加剧周围组织。这种柔性电子器件可以是旨在监测脑活动的现有金属基电极的替代方案,并且在促进神经区域的脑植入中也可用于缓解癫痫病,帕金森病和严重抑郁症的症状。

在机械工程和土木与环境工程教授赵宣和的带领下,该研究团队现已开发出一种3D打印神经探针和其他像橡胶一样柔软灵活的电子设备的方法。

这种设备是由一种导电的聚合物或软塑料制成的。该团队将这种通常呈液体状的导电聚合物溶液转变成更粘稠的牙膏状物质,然后他们可以通过传统的3D打印机打印出稳定的导电模式。

该团队印刷了几种软电子设备,包括小型橡胶电极,它们植入鼠标的大脑。当鼠标在受控环境中自由移动时,神经探针能够从单个神经元拾取活性。监测此活动可以为科学家提供大脑活动的更高分辨率图片,可以帮助剪裁治疗和用于各种神经系统疾病的疗法和长期脑植入物。

“我们希望通过展示这种概念证明,人们可以利用这项技术迅速制作不同的设备,”赵群组织在麻省理工学院的研究生yuk说。“他们可以更改设计,运行打印代码,并在30分钟内生成新设计。希望这将简化神经界面的发展,充分由软材料制成。“

Yuk和Zhao在期刊上发表了结果自然通信.他们的合著者包括江西科技师范大学的卢宝阳和徐景坤,以及浙江大学医学院的林申和罗建宏。

从肥皂水到牙膏

导电聚合物是一类由塑料般的柔韧性和金属般的导电性结合而成的材料,近年来科学家们一直在积极探索。导电聚合物在商业上被用作抗静电涂层,因为它们可以有效地带走积聚在电子产品和其他易静电表面上的任何静电电荷。

Yuk说:“这些聚合物溶液很容易喷洒在电子设备上,比如触摸屏。”“但这种液体形式主要用于均匀涂层,很难用于任何二维、高分辨率的图案。在3D中,这是不可能的。”

YUK和他的同事推出,如果它们可以开发可打印的导电聚合物,则可以使用材料来打印一系列软,错综复杂的图案化的电子设备,例如柔性电路和单神经元电极。

在他们的新研究中,该团队报告了对聚(3,4-乙烯二氧噻吩)的修饰聚苯乙烯磺酸盐或PEDOT:PSS,导电聚合物通常以惰性深蓝色液体的形式供应。液体是PEDOT的水和纳米纤维的混合物:PSS。液体从这些纳米纤维获得其电导率,当它们接触时,用作一种隧道,通过该隧道通过该隧道,任何电荷都可以流动。

如果研究人员以其液体形式将该聚合物送入3D打印机中,则它将在底层表面上渗出。因此,团队寻找一种加厚聚合物的方法,同时保持材料的固有电导率。

他们首先冷冻干燥材料,除去液体并留下纳米纤维的干燥基质或海绵。单独留下,这些纳米纤维将变脆和裂缝。因此,研究人员将纳米纤维混合用水溶液和它们以前显影的有机溶剂,形成水凝胶 - 一种嵌入纳米纤维的水基橡胶材料。

它们使水凝胶具有各种浓度的纳米纤维,并且发现5至8重量%的纳米纤维的范围产生牙膏状材料,其既是导电的,也适于进入3D打印机。

“最初,它就像肥皂水,”赵说。“我们凝结纳米纤维,使其像牙膏一样粘稠,所以我们可以将其挤出为厚厚的可打印液体。”

植入需求

研究人员将新的导电聚合物进入传统的3D打印机,并发现它们可以产生复杂的图案,其保持稳定和导电。

作为概念的证据,它们印刷了一个小,橡胶的电极,大约一块五彩纸屑的尺寸。电极由一层柔性透明聚合物组成,然后它们在其上印刷导电聚合物,以薄的平行线在尖端中聚集,测量约10微米的宽度 - 足够小,以从单个神经元拾取电信号。

该团队将电极植入鼠标的大脑中,发现它可以从单个神经元拾取电信号。

赵说:“传统上,电极是刚性金属丝,一旦有振动,这些金属电极可能会损伤组织。”“我们现在已经展示了你可以插入凝胶探针而不是针头。”

原则上,这种柔软的水凝胶基电极甚至可能比传统金属电极更敏感。这是因为大多数金属电极以电子形式传导电,而脑中的神经元以离子的形式产生电信号。需要将大脑产生的任何离子电流都需要转换成金属电极可以注册的电信号 - 这可以导致在翻译中丢失的信号的某些部分的转换。更重要的是,离子只能与其表面的金属电极相互作用,这可以限制电极可以在任何给定时间检测电极的离子的浓度。

相比之下,团队的软电极由电子导电纳米纤维制成,嵌入水凝胶中 - 离子可以自由通过的水基材料。

“导电聚合物水凝胶的美是在其软机械性能之上,它由水凝胶制成,其是离子导电的,并且也是纳米纤维的多孔海绵,离子可以进出,”卢说.“因为电极的整个体积是有效的,因此增强了其灵敏度。”

除了神经探头之外,该团队还制造了一种多电极阵列 - 一个小型的塑料后型塑料方形,印有非常薄的电极,研究人员还印刷了圆形塑料井。神经电影分子通常用培养的神经元填充这种阵列的孔,并且可以通过器件的底层电极检测的信号来研究它们的活动。

对于本演示,本集团显示它们可以使用3D打印复制这种阵列的复杂设计,而传统的光刻技术涉及小心地蚀刻金属,例如金属,以规定的图案或掩码 - 这是一个可能需要数天的过程单个设备。

“我们使用3D打印在不到一小时内使用3D打印进行相同的几何和解决该设备,”yuk说。“该过程可以取代或补充光刻技术,作为一种更简单和更便宜的方式来制造各种神经系统的方式。”

参考:“电导聚合物的3D打印”由Hyunwoo Yuk,Baoyang Lu,沉林,凯曲,京坤徐,建红罗和玄河赵,2020年3月30日,自然通信
DOI:10.1038 / S41467-020-15316-7

3评论在“麻省​​理工学院开发柔软,灵活的神经植入物,可以按需打印3D”

  1. 我希望这项研究是有效的,因为很多人都支持它。

  2. 哈丽特威廉姆斯|2020年4月3日凌晨3:22|回复

    我想知道他们将如何资助这个项目?

  3. 哈里特特戴维斯|4月3日,2020年3:23 AM|回复

    我现在可以很好地欣赏科学之美。
    http://s3.amazonaws.com/subwaysurfers/index.html.

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