工程师3D打印柔软的橡胶状大脑植入物

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大脑是我们最脆弱的器官之一，就像最柔软的豆腐一样柔软。另一方面，大脑植入物通常由金属和其他刚性材料制成，随着时间的流逝会导致炎症和疤痕组织的积聚。

麻省理工学院的工程师正在开发柔软，灵活的神经植入物，这些植入物可以轻柔地顺应大脑的轮廓并在更长的时间内监视活动，而不会使周围的组织恶化。这种灵活的电子设备可能是现有的用于监视大脑活动的基于金属的电极的较软替代品，并且也可能用于刺激神经区域缓解癫痫，帕金森氏病和严重抑郁症状的大脑植入物。

在机械工程学和土木与环境工程学教授赵璇河的带领下，研究团队现在已经开发出一种方法，可以像橡胶一样柔软和灵活地进行3D打印神经探针和其他电子设备。

装置由一种导电的聚合物或软塑料制成。该团队将这种通常呈液体状的导电聚合物溶液转变为一种更像粘性牙膏的物质，然后他们可以将其输送到传统的3D打印机中，以制作稳定的导电图案。

该小组印刷了几种软电子设备，包括一个小的橡胶状电极，并将它们植入小鼠的大脑。当鼠标在受控环境中自由移动时，神经探针便能够从单个神经元中拾取活动。监视这种活动可以为科学家提供大脑活动的更高分辨率的图片，并且可以帮助针对各种神经系统疾病定制疗法和长期的大脑植入物。

“我们希望通过演示这一概念证明，人们可以使用该技术快速制造出不同的设备，”麻省理工学院Zhao小组的研究生Hyunwoo Yuk说。“他们可以在30分钟内更改设计，运行打印代码并生成新设计。希望这将简化完全由软材料制成的神经接口的开发。”

Yuk和Zhao已经在《自然通讯》杂志上发表了他们的研究结果。他们的合著者包括江西科技师范学院的卢宝阳和徐静坤，以及浙江大学医学院的沉林和罗建宏。

从肥皂水到牙膏

导电聚合物是近年来科学家急切探索的一类材料，因为它们将类塑料的柔韧性和类金属的导电性进行了独特的结合。导电聚合物在商业上用作抗静电涂层，因为它们可以有效地带走电子产品和其他易产生静电的表面上积聚的静电荷。

Yuk说：“这些聚合物解决方案易于喷涂在触摸屏等电子设备上。” “但是液体形式主要用于均质涂料，很难将其用于任何二维，高分辨率图案化。在3D模式下，这是不可能的。”

Yuk和他的同事认为，如果他们能够开发出可印刷的导电聚合物，那么他们就可以使用这种材料来印刷大量柔软，图案复杂的电子设备，例如柔性电路和单神经元电极。

在他们的新研究中，研究小组报告了对聚(3,4-乙撑二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐或PEDOT：PSS的改性，这是一种导电聚合物，通常以漆黑，深蓝色液体的形式提供。液体是水和PEDOT：PSS纳米纤维的混合物。液体从这些纳米纤维中获得导电性，当它们接触时，它们就像一种电荷可以流过的隧道。

如果研究人员将这种聚合物以液态形式送入3D打印机中，它只会在下层表面渗出。因此，该团队寻求一种在保持材料固有的导电性的同时增稠聚合物的方法。

他们首先将材料冷冻干燥，除去液体，然后留下纳米纤维的干燥基质或海绵。不理会这些纳米纤维会变脆和破裂。因此，研究人员然后将纳米纤维与他们先前开发的水和有机溶剂的溶液混合，以形成水凝胶，即一种嵌入纳米纤维的水基橡胶状材料。

他们制备了具有各种浓度的纳米纤维的水凝胶，发现纳米纤维的重量百分比介于5%到8%之间时，会产生牙膏状的材料，该材料既具有导电性又适合于送入3D打印机。

“起初，这就像肥皂水，”赵说。“我们浓缩纳米纤维，使其像牙膏一样粘稠，因此我们可以将其作为一种稠密的可印刷液体挤出。”

按需植入

研究人员将这种新型导电聚合物注入常规的3D打印机中，发现它们可以产生保持稳定且导电的复杂图案。

作为概念证明，他们印制了一个小的橡胶状电极，大小约为一块五彩纸屑。电极由一层柔性的透明聚合物组成，然后在其上将导电聚合物打印成细的平行线，该线汇聚在一个尖端，宽度约10微米，小到可以从单个神经元接收电信号。

该小组将电极植入小鼠的大脑，发现它可以从单个神经元中拾取电信号。

“传统上，电极是刚性的金属线，一旦发生振动，这些金属电极就会损坏组织，”赵说。“我们现在表明，您可以插入凝胶探针而不是针头。”

原则上，这种柔软的，基于水凝胶的电极甚至可能比传统的金属电极更为敏感。这是因为大多数金属电极以电子形式传导电，而大脑中的神经元则以离子形式产生电信号。大脑产生的任何离子电流都需要转换成金属电极可以记录的电信号，这种转换可能导致信号的某些部分失去平移。此外，离子只能在其表面与金属电极相互作用，这会限制电极在任何给定时间可以检测到的离子浓度。

相比之下，该团队的软电极是由导电纳米纤维制成的，嵌入在水凝胶中，水凝胶是一种离子可以自由通过的水基材料。

卢说：“导电聚合物水凝胶的美丽之处在于其柔软的机械性能，它是由离子导电的水凝胶以及纳米纤维的多孔海绵制成，离子可以流入和流出。” 。“由于电极的整个容积都处于活动状态，因此灵敏度得到了提高。”

除神经探针外，该团队还制造了一个多电极阵列-一块大小为Post-it的塑料正方形，上面印有非常薄的电极，研究人员还在其上在塑料孔周围进行印刷。神经科学家通常将培养的神​​经元填充到此类阵列的孔中，并可以通过设备下层电极检测到的信号来研究其活动。

在本次演示中，小组展示了他们可以使用3D打印技术来复制这种阵列的复杂设计，而不是传统的光刻技术。

包括仔细地将金属(例如金)蚀刻成规定的图案或掩模-这一过程可能需要几天才能完成一个器件。

Yuk说：“我们使用3D打印在不到一个小时的时间内就获得了与该设备相同的几何形状和分辨率，” “该工艺可以替代或补充光刻技术，这是一种按需制造各种神经科设备的更简单，更便宜的方法。”

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