Написано AZoNano 1 апреля 2020 1 апреля 2020

Мозг – один из наших самых уязвимых органов, такой же мягкий, как самый мягкий тофу. С другой стороны, мозговые имплантаты, как правило, изготавливаются из металла и других жестких материалов, которые со временем могут вызвать воспаление и образование рубцовой ткани.

Инженеры MIT работают над созданием мягких, гибких нейронных имплантатов, которые могут мягко соответствовать контурам мозга и контролировать активность в течение более длительных периодов, не ухудшая окружающие ткани. Такая гибкая электроника может быть более мягкой альтернативой существующим электродам на металлической основе, предназначенным для мониторинга мозговой активности, а также может быть полезна при имплантации головного мозга, которая стимулирует нервные области для ослабления симптомов эпилепсии, болезни Паркинсона и тяжелой депрессии.

Исследовательская группа под руководством Сюаньхэ Чжао, профессора машиностроения и гражданского и экологического проектирования, в настоящее время разработала способ 3D-печати нейронных датчиков и других электронных устройств, таких же мягких и гибких, как резина.

Устройства изготовлены из типа полимера или мягкого пластика, который является электропроводящим. Команда преобразовала этот обычно жидкий проводящий полимерный раствор в вещество, более похожее на вязкую зубную пасту, которую они могли затем подавать через обычный 3D-принтер для создания стабильных, электропроводящих рисунков.

Команда напечатала несколько мягких электронных устройств, в том числе небольшой резиновый электрод, который они вживили в мозг мыши. Когда мышь свободно двигалась в контролируемой среде, нейронный зонд мог улавливать активность одного нейрона. Мониторинг этой активности может дать ученым более высокое разрешение картины мозговой активности, а также может помочь в подборе методов лечения и долгосрочных мозговых имплантатов для различных неврологических расстройств.

«Мы надеемся, продемонстрировав это доказательство концепции, люди смогут быстро использовать эту технологию для создания различных устройств», – говорит Хёнву Юк, аспирант группы Чжао в Массачусетском технологическом институте. «Они могут изменить дизайн, запустить код печати и создать новый дизайн за 30 минут. Надеемся, это упростит разработку нейронных интерфейсов, полностью сделанных из мягких материалов».

Юк и Чжао опубликовали свои результаты в журнале Nature Communications . Их соавторами являются Баоян Лу и Цзинкунь Сюй из Нормального университета науки и техники Цзянси, а также Шэнь Лин и Цзяньхун Луо из медицинского факультета университета Чжэцзян.

От мыльной воды до зубной пасты

Проводящие полимеры – это класс материалов, которые ученые с нетерпением исследовали в последние годы за их уникальное сочетание пластичной 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, склонных к статическому электричеству.

«Эти полимерные растворы легко распыляются на электрические устройства, такие как сенсорные экраны», – говорит Юк. «Но жидкая форма в основном для гомогенных покрытий, и ее трудно использовать для любого двухмерного рисунка с высоким разрешением. В 3D это невозможно».

Юк и его коллеги пришли к выводу, что если бы они могли разработать печатный проводящий полимер, они могли бы затем использовать этот материал для печати множества мягких электронных устройств со сложным рисунком, таких как гибкие схемы и однонейронные электроды.

В своем новом исследовании команда сообщает об изменении поли (3,4-этилендиокситиофен) 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 протекать любой электрический заряд.

Если бы исследователи должны были подать этот полимер в 3D-принтер в жидком виде, он бы просто пролился через нижележащую поверхность. Поэтому команда искала способ сгущения полимера при сохранении электрической проводимости, присущей материалу.

Сначала они лиофилизировали материал, удаляя жидкость и оставляя после себя сухую матрицу или губку из нановолокон. Оставшись в покое, эти нановолокна станут хрупкими и треснутыми. Поэтому исследователи затем смешали нановолокна с раствором воды и органического растворителя, который они ранее разработали, чтобы сформировать гидрогель – резиновый материал на водной основе, заделанный нановолокнами.

Они изготовили гидрогели с различными концентрациями нановолокон и обнаружили, что в диапазоне от 5 до 8 процентов по массе нановолокон производят материал, похожий на зубную пасту, который является электропроводящим и пригодным для подачи в 3D-принтер.

«Изначально это похоже на мыльную воду», – говорит Чжао. «Мы конденсируем нановолокна и делаем его вязким, как зубная паста, поэтому мы можем выдавливать его в виде густой, пригодной для печати жидкости».

Имплантаты по требованию

Исследователи загрузили новый проводящий полимер в обычный 3D-принтер и обнаружили, что они могут создавать сложные узоры, которые остаются стабильными и электропроводящими.

В качестве подтверждения концепции они напечатали небольшой резиновый электрод размером с кусочек конфетти. Электрод состоит из слоя гибкого прозрачного полимера, поверх которого они затем печатали проводящий полимер тонкими параллельными линиями, которые сходились на конце, размером около 10 микрон – достаточно маленькими, чтобы воспринимать электрические сигналы от одного нейрона. .

Команда имплантировала электрод в мозг мыши и обнаружила, что он может воспринимать электрические сигналы от одного нейрона.

«Традиционно, электроды – это жесткие металлические провода, и, когда возникают вибрации, эти металлические электроды могут повредить ткани», – говорит Чжао. «Мы показали, что вы можете вставить гелевый зонд вместо иглы».

В принципе, такие мягкие электроды на основе гидрогеля могут быть даже более чувствительными, чем обычные металлические электроды. Это потому, что большинство металлических электродов проводят электричество в форме электронов, тогда как нейроны в мозге производят электрические сигналы в форме ионов. Любой ионный ток, производимый мозгом, должен быть преобразован в электрический сигнал, который может зарегистрировать металлический электрод – преобразование, которое может привести к потере некоторой части сигнала при трансляции. Более того, ионы могут взаимодействовать только с металлическим электродом на его поверхности, что может ограничивать концентрацию ионов, которую электрод может обнаружить в любой момент времени.

Напротив, мягкий электрод команды сделан из электронопроводящих нановолокон, встроенных в гидрогель – материал на водной основе, через который могут свободно проходить ионы.

"Красота проводящего полимерного гидрогеля, помимо его мягких механических свойств, состоит из гидрогеля, который является ионопроводящим, а также пористой губкой из нановолокон, через которую ионы могут течь в и из них, "Лу говорит. «Поскольку весь объем электрода активен, его чувствительность повышается».

В дополнение к нейронному зонду, команда также изготовила многоэлектродную матрицу – маленький квадратный пластик размером с Post-it, напечатанный очень тонкими электродами, на котором исследователи также напечатали круглую пластиковую лунку. Нейробиологи обычно заполняют лунки таких массивов культивируемыми нейронами и могут изучать их активность по сигналам, которые обнаруживаются соответствующими электродами устройства.

Для этой демонстрации группа показала, что они могут воспроизвести сложные конструкции таких массивов, используя 3D-печать, в отличие от традиционных методов литографии, которые включают в себя тщательное травление металлов, таких как золото, в предписанные узоры или маски – процесс, который может занять дни, чтобы завершить одно устройство.

«Мы делаем ту 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 требованию».

Источник: MIT