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

麻省理工學(xué)(xué)院的工程師們正在對導(dǎo)電聚合物的3D打印進(jìn)行研究，他們正在研究開(kāi)發(fā)(fā)符合大腦輪廓的軟神經(jīng)(jīng)植入物，并在更長(cháng)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)測大腦活動(dòng)的現(xiàn)有金屬基電極。因此，這項研究對于開(kāi)發(fā)(fā)可刺激神經(jīng)(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)(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)(xué)院。

3D打印導(dǎo)電聚合物

在最近發(fā)(fā)表的研究中，由機械工程學(xué)(xué)和土木與環(huán)(huán)境工程學(xué)(xué)教授趙選河領(lǐng)(lǐng)導(dǎo)的麻省理工學(xué)(xué)院研究小組概述了一種3D打印神經(jīng)(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(lèi)聚合物。它們在商業(yè)(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(shè)備和其他容易產(chǎn)(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)(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)(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?！痹詒疚鬧?，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)(xué)院的研究小組將這種物質(zhì)(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐環(huán)N類(lèi)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)(zhì)。然后將這些納米纖維與它們先前已經(jīng)(jīng)開(kāi)發(fā)(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(guò)對不同的水凝膠形式進(jìn)行試驗，研究人員發(fā)(fā)現(xiàn)，納米纖維的重量百分比介于5％到8％之間，可以產(chǎn)(chǎn)生牙膏狀的材料，該材料既導(dǎo)電又適合送入3D打印機?！白畛?，就像吩図水一?，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打印機中，研究人員能夠制造出穩(wěn)定的導(dǎo)電圖案。因此，該團隊使用PEDOT：PSS解決方案創(chuàng )(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，以此作為概念驗證。Yuk補充說(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)(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，運行打印代碼并生成新設(shè)計。這完全可以簡(jiǎn)化由完全由軟材料制成的神經(jīng)(jīng)界面的開(kāi)發(fā)(fā)?！?/span>

該團隊還印刷了軟多電極陣列。圖片來(lái)自麻省理工學(xué)(xué)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(xiàn)匯聚了PEDOT：PSS材料，該線(xiàn)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)(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(guò)測試，研究人員發(fā)(fā)現(xiàn)植入的電極確實(shí)能夠檢測到來(lái)自老鼠大腦內(nèi)單個(gè)神經(jīng)(jīng)元的電信號，因為它在受控環(huán)(huán)境中自由移動(dòng)。

標(biāo)準(zhǔn)的神經(jīng)(jīng)植入物使用金屬電極來(lái)刺激和監(jiān)視神經(jīng)(jīng)系統(tǒng)的部分和結(jié)構(gòu)。這可以使科學(xué)(xué)家更清晰地了解大腦的活動(dòng)，并有助于針對各種神經(jīng)(jīng)系統(tǒng)疾?。ɡ緡兩鶘喜。┝可磯ㄖ漂煼ê烷L(cháng)期的大腦植入物。

3D打印的導(dǎo)電聚合物網(wǎng)(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(dǎo)電，而大腦中的神經(jīng)(jīng)元以離子形式產(chǎn)(chǎn)生電信號-這意味著(zhù)離子電流需要轉(zhuǎn)換才能被金屬電極記錄。這有可能導(dǎo)致信號的某些部分在翻譯中丟失。據(jù)中國3D打印網(wǎng)(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)(tài)，因此靈敏度得到了提高。

神經(jīng)(jīng)植入物領(lǐng)(lǐng)域的3D打印

盡管在導(dǎo)電聚合物的使用方面獨樹(shù)一幟，但麻省理工學(xué)(xué)院的研究團隊并不是第一個(gè)使用3D打印創(chuàng )(chuàng)建神經(jīng)(jīng)植入物的人。早在2019年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(xué)（Carnegie Mellon University）的研究人員就發(fā)(fā)表了一項研究，該研究使用3D納米粒子打印技術(shù)(shù)來(lái)創(chuàng )(chuàng)建高密度神經(jīng)(jīng)探針以記錄神經(jīng)(jīng)學(xué)(xué)數(shù)據(jù)。該項目從美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）獲得了195萬(wàn)美元的贈款。

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

來(lái)源：中國3D打印網(wǎng)(wǎng)