麻省理工使用导电聚合物3D打印软而灵活的脑植入物
通常由金属制成的大脑植入物会引起炎症和疤痕组织的堆积。 3D打印的柔性聚合物电子设备的使用可以潜在地提供一种更软，更安全，更快速的替代方法，以替代旨在监测大脑活动的现有金属基电极。因此，这项研究对于开发可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也可能有用。
柔性神经电极，带有3D打印的软电子活性聚合物。图片来自麻省理工学院。
3D打印导电聚合物
在最近发表的研究中，由机械工程学和土木与环境工程学教授赵选河领导的麻省理工学院研究小组概述了一种3D打印神经探针和其他像橡胶一样柔软和有弹性的电子设备的方法。该研究集中于导电聚合物，导电聚合物是具有固有导电性的一类聚合物。它们在商业上用作抗静电涂料，因为它们可以有效地带走任何积聚在电子设备和其他容易产生静电的表面上的静电荷。
“这些聚合物解决方案很容易喷涂在触摸屏等电子设备上。”麻省理工学院Zhao小组的研究生Hyunwoo Yuk说道， “但是液体形式主要用于均质涂料，很难将其用于任何二维，高分辨率的图案。在3D模式下，这是不可能的。”在本文中，研究人员介绍了一种基于聚（3,4-乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）的3D可打印导电聚合物墨水溶液。通常，它是一种液体状的导电聚合物溶液，其中包含提供材料导电特性的纳米纤维。麻省理工学院的研究小组将这种物质转变为一种类似于“粘性牙膏”的增稠材料，以使其可进行3D打印，同时仍保留了该材料固有的导电性。
使PEDOT：PSS解决方案与3D打印兼容的过程包括将材料冷冻干燥，去除液体并留下干燥的纳米纤维基质。然后将这些纳米纤维与它们先前已经开发的水和有机溶剂的溶液混合，以形成嵌入纳米纤维的水凝胶。通过对不同的水凝胶形式进行试验，研究人员发现，纳米纤维的重量百分比介于5％到8％之间，可以产生牙膏状的材料，该材料既导电又适合送入3D打印机。“最初，就像肥皂水一样，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。”
通过将新的，较厚的导电聚合物送入3D打印机中，研究人员能够制造出稳定的导电图案。因此，该团队使用PEDOT：PSS解决方案创建了几种导电聚合物设备，包括柔软的橡胶状电极，并将其植入到小鼠的大脑中，以此作为概念验证。Yuk补充说：“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不同的设备。“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。这完全可以简化由完全由软材料制成的神经界面的开发。”
该团队还印刷了软多电极阵列。图片来自麻省理工学院。
测试3D打印电极
小型电极由一层柔软的透明聚合物组成，MIT小组3D在其上以细的平行线汇聚了PEDOT：PSS材料，该线汇聚在一个尖端，宽约10微米。它的尺寸确保了电极具有从单个神经元（即使用电脉冲在大脑中传递信息的细胞）拾取电信号的能力。通过测试，研究人员发现植入的电极确实能够检测到来自老鼠大脑内单个神经元的电信号，因为它在受控环境中自由移动。
标准的神经植入物使用金属电极来刺激和监视神经系统的部分和结构。这可以使科学家更清晰地了解大脑的活动，并有助于针对各种神经系统疾病（例如帕金森氏病）量身定制疗法和长期的大脑植入物。
3D打印的导电聚合物网格的SEM图像为200 µm。图片来自《自然通讯》。
除了可能在振动的情况下对大脑组织造成损害外，原则上，与基于水凝胶的电极相比，金属电极对大脑中的电信号不太敏感。这是因为金属电极以电子形式传导电，而大脑中的神经元以离子形式产生电信号-这意味着离子电流需要转换才能被金属电极记录。这有可能导致信号的某些部分在翻译中丢失。据中国3D打印网了解，相比之下，3D打印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。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。
神经植入物领域的3D打印
尽管在导电聚合物的使用方面独树一帜，但麻省理工学院的研究团队并不是第一个使用3D打印创建神经植入物的人。早在2019年，卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的研究人员就发表了一项研究，该研究使用3D纳米粒子打印技术来创建高密度神经探针以记录神经学数据。该项目从美国国立卫生研究院（NIH）获得了195万美元的赠款。
两个月后，总部位于纽约的生物技术初创公司Qrons宣布与新罕布什尔州达特茅斯学院达成知识产权（IP）许可协议，以开发3D可打印植入物来治疗穿透性或创伤性脑损伤（TBI）。
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