麻省理工使用導電聚合物3D列印軟而靈活的腦植入物

2020-12-01 3D列印網

中國3D列印網4月22日訊，麻省理工學院（MIT）的研究人員和工程師正在使用3D列印技術，採用導電聚合物液態材料開發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列印進行研究，他們正在研究開發符合大腦輪廓的軟神經植入物，並在更長的時間內監視活動，而不會加劇周圍組織的狀況。

通常由金屬製成的大腦植入物會引起炎症和疤痕組織的堆積。 3D列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，以替代旨在監測大腦活動的現有金屬基電極。因此，這項研究對於開發可刺激神經區域緩解癲癇，帕金森氏病和嚴重抑鬱症狀的大腦植入物也可能有用。

柔性神經電極，帶有3D列印的軟電子活性聚合物。圖片來自麻省理工學院。

3D列印導電聚合物

在最近發表的研究中，由機械工程學和土木與環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列印神經探針和其他像橡膠一樣柔軟和有彈性的電子設備的方法。該研究集中於導電聚合物，導電聚合物是具有固有導電性的一類聚合物。它們在商業上用作抗靜電塗料，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生靜電的表面上的靜電荷。

「這些聚合物解決方案很容易噴塗在觸控螢幕等電子設備上。」麻省理工學院Zhao小組的研究生Hyunwoo Yuk說道， 「但是液體形式主要用於均質塗料，很難將其用於任何二維，高解析度的圖案。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於聚（3,4-乙撐二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）的3D可列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轉變為一種類似於「粘性牙膏」的增稠材料，以使其可進行3D列印，同時仍保留了該材料固有的導電性。

使PEDOT：PSS解決方案與3D列印兼容的過程包括將材料冷凍乾燥，去除液體並留下乾燥的納米纖維基質。然後將這些納米纖維與它們先前已經開發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，研究人員發現，納米纖維的重量百分比介於5％到8％之間，可以產生牙膏狀的材料，該材料既導電又適合送入3D印表機。

「最初，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。」

通過將新的，較厚的導電聚合物送入3D印表機中，研究人員能夠製造出穩定的導電圖案。因此，該團隊使用PEDOT：PSS解決方案創建了幾種導電聚合物設備，包括柔軟的橡膠狀電極，並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製造不同的設備。

「他們可以在30分鐘內更改設計，運行列印代碼並生成新設計。這完全可以簡化由完全由軟材料製成的神經界面的開發。」

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列印電極

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元（即使用電脈衝在大腦中傳遞信息的細胞）拾取電信號的能力。通過測試，研究人員發現植入的電極確實能夠檢測到來自老鼠大腦內單個神經元的電信號，因為它在受控環境中自由移動。

標準的神經植入物使用金屬電極來刺激和監視神經系統的部分和結構。這可以使科學家更清晰地了解大腦的活動，並有助於針對各種神經系統疾病（例如帕金森氏病）量身定製療法和長期的大腦植入物。

3D列印的導電聚合物網格的SEM圖像為200 m。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，與基於水凝膠的電極相比，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，而大腦中的神經元以離子形式產生電信號-這意味著離子電流需要轉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。據中國3D列印網了解，相比之下，3D列印的軟電極是由導電納米纖維製成的，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於其柔軟的機械性能，它是由離子導電的水凝膠以及納米纖維的多孔海綿製成，離子可以流入和流出。由於電極的整個容積都處於活動狀態，因此靈敏度得到了提高。神經植入物領域的3D列印 儘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並不是第一個使用3D列印創建神經植入物的人。早在2019年，卡內基梅隆大學（Carnegie Mellon University）的研究人員就發表了一項研究，該研究使用3D納米粒子列印技術來創建高密度神經探針以記錄神經學數據。該項目從美國國立衛生研究院（NIH）獲得了195萬美元的贈款。 兩個月後，總部位於紐約的生物技術初創公司Qrons宣布與新罕布夏州達特茅斯學院達成智慧財產權（IP）許可協議，以開發3D可列印植入物來治療穿透性或創傷性腦損傷（TBI）。

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