Техника может обеспечить быструю разработку по требованию более мягких и безопасных нейронных устройств.
Мозг - один из наших самых уязвимых органов, мягкий, как самый мягкий тофу. Мозговые имплантаты, с другой стороны, обычно изготавливаются из металла и других жестких материалов, которые со временем могут вызвать воспаление и образование рубцовой ткани.
Инженеры Массачусетского технологического института работают над созданием мягких, гибких нейронных имплантатов, которые могут плавно повторять контуры мозга и отслеживать активность в течение более длительного времени, не раздражая окружающие ткани. Такая гибкая электроника может стать более мягкой альтернативой существующим металлическим электродам, предназначенным для мониторинга активности мозга, а также может быть полезна в мозговых имплантатах, стимулирующих нейронные области для облегчения симптомов эпилепсии, болезни Паркинсона и тяжелой депрессии.
Под руководством Сюаньхэ Чжао, профессора машиностроения, гражданского и экологического строительства, исследовательская группа разработала способ 3D-печати нейронных зондов и других электронных устройств, мягких и гибких, как резина..
Устройства изготовлены из полимера или мягкого пластика, обладающего электропроводностью. Команда преобразовала этот обычно жидкий раствор проводящего полимера в вещество, больше похожее на вязкую зубную пасту, которую они затем могли пропустить через обычный 3D-принтер для создания устойчивых электропроводящих узоров..
Команда напечатала несколько мягких электронных устройств, в том числе небольшой резиновый электрод, который они имплантировали в мозг мыши. Поскольку мышь свободно перемещалась в контролируемой среде, нейронный зонд смог уловить активность одного нейрона. Наблюдение за этой активностью может дать ученым картину активности мозга с более высоким разрешением и может помочь в разработке методов лечения и долгосрочных мозговых имплантатов для различных неврологических расстройств.
«Мы надеемся, что, продемонстрировав это доказательство концепции, люди смогут использовать эту технологию для быстрого создания различных устройств», - говорит Хюнву Юк, аспирант группы Чжао в Массачусетском технологическом институте. «Они могут изменить дизайн, запустить код печати и создать новый дизайн за 30 минут. Надеюсь, это упростит разработку нейроинтерфейсов, полностью сделанных из мягких материалов».
Юк и Чжао опубликовали свои результаты сегодня в журнале Nature Communications. Их соавторами являются Баоян Лу и Цзинкунь Сюй из Цзянсиского научно-технического педагогического университета, а также Шэнь Линь и Цзяньхун Луо из Медицинской школы Чжэйцзянского университета.
Команда напечатала несколько мягких электронных устройств, в том числе небольшой резиновый электрод.
От мыльной воды до зубной пасты
Проводящие полимеры - это класс материалов, которые ученые с энтузиазмом исследовали в последние годы из-за их уникального сочетания пластиковой гибкости и металлической электропроводности. Проводящие полимеры коммерчески используются в качестве антистатических покрытий, поскольку они могут эффективно отводить любые электростатические заряды, которые накапливаются на электронике и других поверхностях, подверженных статическому электричеству.
«Эти полимерные растворы легко распылять на электрические устройства, такие как сенсорные экраны, - говорит Юк. «Но жидкая форма в основном предназначена для однородных покрытий, и ее трудно использовать для любого двумерного рисунка с высоким разрешением. В 3D это невозможно».
Юк и его коллеги пришли к выводу, что если им удастся разработать пригодный для печати проводящий полимер, то они смогут использовать этот материал для печати множества мягких электронных устройств со сложной структурой, таких как гибкие схемы и однонейронные устройства. электроды.
В своем новом исследовании ученые сообщают о модификации поли(3,4-этилендиокситиофена) полистиролсульфоната, или PEDOT:PSS, проводящего полимера, обычно поставляемого в виде чернильной темно-синей жидкости. Жидкость представляет собой смесь воды и нановолокон PEDOT:PSS. Жидкость получает свою проводимость от этих нановолокон, которые, когда они вступают в контакт, действуют как своего рода туннель, через который может течь любой электрический заряд.
Если бы исследователи загрузили этот полимер в 3D-принтер в жидком виде, он просто растекся бы по подстилающей поверхности. Поэтому команда искала способ загустить полимер, сохранив присущую материалу электрическую проводимость.
Сначала они лиофилизировали материал, удалив жидкость и оставив сухую матрицу или губку из нановолокон. Оставленные в покое, эти нановолокна станут хрупкими и растрескаются. Затем исследователи повторно смешали нановолокна с раствором воды и органическим растворителем, который они разработали ранее, чтобы сформировать гидрогель - каучукоподобный материал на водной основе, содержащий нановолокна.
Они изготовили гидрогели с различной концентрацией нановолокон и обнаружили, что в диапазоне от 5 до 8 процентов по весу нановолокон образуется материал, похожий на зубную пасту, который обладает электропроводностью и подходит для загрузки в 3D-принтер..
«Поначалу это похоже на мыльную воду, - говорит Чжао. «Мы конденсируем нановолокна и делаем их вязкими, как зубная паста, поэтому мы можем выдавить их в виде густой жидкости, пригодной для печати».
Имплантаты по запросу
Исследователи загрузили новый проводящий полимер в обычный 3D-принтер и обнаружили, что они могут создавать сложные узоры, которые остаются стабильными и электропроводными.
В качестве доказательства концепции они напечатали небольшой резиновый электрод размером с конфетти. Электрод состоит из слоя гибкого прозрачного полимера, поверх которого они затем напечатали проводящий полимер тонкими параллельными линиями, сходящимися на кончике, шириной около 10 микрон - достаточно маленькими, чтобы улавливать электрические сигналы от одного нейрона.
Исследователи Массачусетского технологического института печатают гибкие схемы (показаны здесь) и другие мягкие электрические устройства, используя новую технику 3D-печати и проводящие полимерные чернила.
Команда имплантировала электрод в мозг мыши и обнаружила, что он может улавливать электрические сигналы от одного нейрона.
«Традиционно электроды представляют собой жесткую металлическую проволоку, и при вибрации эти металлические электроды могут повредить ткань», - говорит Чжао. «Теперь мы показали, что вместо иглы можно ввести гель-зонд».
В принципе такие мягкие электроды на основе гидрогеля могут быть даже более чувствительными, чем обычные металлические электроды. Это связано с тем, что большинство металлических электродов проводят электричество в виде электронов, тогда как нейроны в мозге производят электрические сигналы в виде ионов. Любой ионный ток, производимый мозгом, должен быть преобразован в электрический сигнал, который может зарегистрировать металлический электрод - преобразование, которое может привести к потере части сигнала при трансляции. Более того, ионы могут взаимодействовать с металлическим электродом только на его поверхности, что может ограничить концентрацию ионов, которую электрод может обнаружить в любой момент времени.
Мягкий электрод, напротив, изготовлен из проводящих электроны нановолокон, встроенных в гидрогель - материал на водной основе, через который могут свободно проходить ионы.
«Прелесть проводящего полимерного гидрогеля заключается в том, что, помимо мягких механических свойств, он состоит из гидрогеля, обладающего ионной проводимостью, а также из пористой губки из нановолокон, по которым могут течь ионы. туда и обратно, - говорит Лу. «Поскольку активен весь объем электрода, его чувствительность повышается».
В дополнение к нейронному зонду, команда также изготовила многоэлектродную матрицу - небольшой квадратный пластиковый квадрат размером с стикер, напечатанный очень тонкими электродами, поверх которого исследователи также напечатали круглый пластик. хорошо. Нейробиологи обычно заполняют лунки таких массивов культивируемыми нейронами и могут изучать их активность с помощью сигналов, которые обнаруживаются нижележащими электродами устройства.
Для этой демонстрации группа показала, что они могут воспроизвести сложные конструкции таких массивов с помощью 3D-печати по сравнению с традиционными методами литографии, которые
включают тщательное травление металлов, таких как золото, в виде заданных узоров или масок - процесс, который может занять несколько дней, чтобы создать одно устройство.
«Мы создаем такую же геометрию и разрешение этого устройства с помощью 3D-печати менее чем за час», - говорит Юк. «Этот процесс может заменить или дополнить методы литографии как более простой и дешевый способ изготовления различных неврологических устройств по запросу».
Перепечатано с разрешения MIT News. Прочтите исходную статью.