Ingeniører 3-D print blødt, gummiagtige hjerneimplantater

Hjernen er et af vores mest sårbare organer, lige så blød som den blødeste tofu. Hjerneimplantater, på den anden side, er typisk lavet af metal og andre stive materialer, der over tid kan forårsage betændelse og opbygning af arvæv.

MIT-ingeniører arbejder på at udvikle bløde, fleksible neurale implantater, der forsigtigt kan tilpasse sig hjernens konturer og overvåge aktivitet over længere perioder, uden at forværre omgivende væv. Sådan fleksibel elektronik kunne være blødere alternativer til eksisterende metalbaserede elektroder designet til at overvåge hjerneaktivitet, og kan også være nyttige i hjerneimplantater, der stimulerer neurale regioner for at lette symptomer på epilepsi, Parkinsons sygdom, og svær depression.

Anført af Xuanhe Zhao, en professor i maskinteknik og i civil- og miljøteknik, forskerholdet har nu udviklet en måde at 3-D-printe neurale prober og andre elektroniske enheder på, der er lige så bløde og fleksible som gummi.

Enhederne er lavet af en type polymer, eller blød plast, der er elektrisk ledende. Holdet forvandlede denne normalt væskelignende ledende polymeropløsning til et stof mere som tyktflydende tandpasta - som de derefter kunne føre gennem en konventionel 3-D-printer for at gøre stabil, elektrisk ledende mønstre.

Holdet printede flere bløde elektroniske enheder, herunder en lille, gummiagtig elektrode, som de implanterede i hjernen på en mus. Mens musen bevægede sig frit i et kontrolleret miljø, neuralsonden var i stand til at opfange aktiviteten fra en enkelt neuron. Overvågning af denne aktivitet kan give forskerne et billede i højere opløsning af hjernens aktivitet, og kan hjælpe med at skræddersy terapier og langsigtede hjerneimplantater til en række neurologiske lidelser.

"Vi håber ved at demonstrere dette proof of concept, folk kan bruge denne teknologi til at lave forskellige enheder, hurtigt, " siger Hyunwoo Yuk, en kandidatstuderende i Zhaos gruppe ved MIT. "De kan ændre designet, køre udskrivningskoden, og generer et nyt design på 30 minutter. Forhåbentlig vil dette strømline udviklingen af ​​neurale grænseflader, fuldt lavet af bløde materialer."

Yuk og Zhao har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation . Deres medforfattere inkluderer Baoyang Lu og Jingkun Xu fra Jiangxi Science and Technology Normal University, sammen med Shen Lin og Jianhong Luo fra Zheijiang University's School of Medicine.

Fra sæbevand til tandpasta

Ledende polymerer er en klasse af materialer, som forskere ivrigt har udforsket i de seneste år for deres unikke kombination af plastiklignende fleksibilitet og metallignende elektrisk ledningsevne. Ledende polymerer bruges kommercielt som antistatiske belægninger, da de effektivt kan bortføre enhver elektrostatisk ladning, der opbygges på elektronik og andre statiske udsatte overflader.

"Disse polymerløsninger er nemme at sprøjte på elektriske enheder som touchskærme, " siger Yuk. "Men den flydende form er for det meste til homogene belægninger, og det er svært at bruge dette til enhver todimensionel, mønstre i høj opløsning. I 3D, det er umuligt."

Yuk og hans kolleger ræsonnerede, at hvis de kunne udvikle en printbar ledende polymer, de kunne så bruge materialet til at printe en lang række bløde, indviklet mønstrede elektroniske enheder, såsom fleksible kredsløb, og enkelt-neuronelektroder.

I deres nye undersøgelse, teamrapporten ændrer poly (3, 4-ethylendioxythiophen) polystyrensulfonat, eller PEDOT:PSS, en ledende polymer, der typisk leveres i form af en blæk, mørkeblå væske. Væsken er en blanding af vand og nanofibre af PEDOT:PSS. Væsken får sin ledningsevne fra disse nanofibre, hvilken, når de kommer i kontakt, fungere som en slags tunnel, hvorigennem enhver elektrisk ladning kan strømme.

Hvis forskerne skulle føre denne polymer ind i en 3D-printer i flydende form, det ville simpelthen bløde hen over den underliggende overflade. Så holdet ledte efter en måde at fortykke polymeren på og samtidig bevare materialets iboende elektriske ledningsevne.

Først frysetørrede de materialet, fjerne væsken og efterlade en tør matrix, eller svamp, af nanofibre. Efterladt, disse nanofibre ville blive skøre og revne. Så forskerne blandede derefter nanofibrene med en opløsning af vand og et organisk opløsningsmiddel, som de tidligere havde udviklet, at danne en hydrogel - en vandbaseret, gummiagtigt materiale indlejret med nanofibre.

De lavede hydrogeler med forskellige koncentrationer af nanofibre, og fandt ud af, at et interval mellem 5 og 8 vægtprocent af nanofibre producerede et tandpasta-lignende materiale, der både var elektrisk ledende og egnet til indføring i en 3-D-printer.

"I første omgang, det er som sæbevand, " siger Zhao. "Vi kondenserer nanofibrene og gør dem tyktflydende som tandpasta, så vi kan presse det ud som en tyk, trykbar væske."

Implantater efter behov

Forskerne fodrede den nye ledende polymer ind i en konventionel 3-D-printer og fandt ud af, at de kunne producere indviklede mønstre, der forblev stabile og elektrisk ledende.

Som et bevis på konceptet, de trykte en lille, gummiagtig elektrode, på størrelse med et stykke konfetti. Elektroden består af et lag af fleksibel, gennemsigtig polymer, hvorpå de så trykte den ledende polymer, i tynde, parallelle linjer, der konvergerede ved en spids, måler omkring 10 mikron bred - lille nok til at opfange elektriske signaler fra en enkelt neuron.

Holdet implanterede elektroden i hjernen på en mus og fandt ud af, at den kunne opfange elektriske signaler fra en enkelt neuron.

"Traditionelt elektroder er stive metaltråde, og når der først er vibrationer, disse metalelektroder kan beskadige væv, " siger Zhao. "Vi har vist nu, at du kan indsætte en gelsonde i stedet for en nål."

I princippet, så blød, Hydrogel-baserede elektroder kan endda være mere følsomme end konventionelle metalelektroder. Det er fordi de fleste metalelektroder leder elektricitet i form af elektroner, hvorimod neuroner i hjernen producerer elektriske signaler i form af ioner. Enhver ionstrøm produceret af hjernen skal omdannes til et elektrisk signal, som en metalelektrode kan registrere - en konvertering, der kan resultere i, at en del af signalet går tabt i oversættelsen. Hvad mere er, ioner kan kun interagere med en metalelektrode på dens overflade, som kan begrænse koncentrationen af ​​ioner, som elektroden kan detektere på et givet tidspunkt.

I modsætning, holdets bløde elektrode er lavet af elektronledende nanofibre, indlejret i en hydrogel - et vandbaseret materiale, som ioner frit kan passere igennem.

"Skønheden ved en ledende polymerhydrogel er, oven i dets bløde mekaniske egenskaber, den er lavet af hydrogel, som er ionisk ledende, og også en porøs svamp af nanofibre, som ionerne kan strømme ind og ud af, " siger Lu. "Fordi elektrodens hele volumen er aktiv, dens følsomhed er øget."

Ud over neuralsonden, holdet fremstillede også et multielektrode-array - et lille, Post-it-størrelse firkant af plastik, trykt med meget tynde elektroder, som forskerne også trykte en rund plastbrønd over. Neurovidenskabsmænd fylder typisk brøndene i sådanne arrays med dyrkede neuroner, og kan studere deres aktivitet gennem de signaler, der detekteres af enhedens underliggende elektroder.

Til denne demonstration, gruppen viste, at de kunne replikere de komplekse designs af sådanne arrays ved hjælp af 3-D-print, versus traditionelle litografiteknikker, som involverer omhyggelig ætsning af metaller, såsom guld, ind i foreskrevne mønstre, eller masker - en proces, der kan tage dage at færdiggøre en enkelt enhed.

"Vi laver den samme geometri og opløsning af denne enhed ved hjælp af 3-D-print, på mindre end en time, " siger Yuk. "Denne proces kan erstatte eller supplere litografiteknikker, som en enklere og billigere måde at lave en række neurologiske anordninger på, på efterspørgsel."