De hersenen zijn een van onze meest kwetsbare organen, zo zacht als de zachtste tofu. Hersenimplantaten, anderzijds, zijn meestal gemaakt van metaal en andere stijve materialen die na verloop van tijd ontstekingen en de opbouw van littekenweefsel kunnen veroorzaken.

MIT-ingenieurs werken aan het ontwikkelen van zachte, flexibele neurale implantaten die zich zachtjes kunnen aanpassen aan de contouren van de hersenen en de activiteit over langere perioden kunnen volgen, zonder het omliggende weefsel te verzwaren. Dergelijke flexibele elektronica zou een zachter alternatief kunnen zijn voor bestaande op metaal gebaseerde elektroden die zijn ontworpen om hersenactiviteit te volgen, en kan ook nuttig zijn in hersenimplantaten die neurale regio's stimuleren om symptomen van epilepsie te verlichten, Ziekte van Parkinson, en ernstige depressie.

Onder leiding van Xuanhe Zhao, hoogleraar werktuigbouwkunde en civiele techniek en milieutechniek, het onderzoeksteam heeft nu een manier ontwikkeld om neurale sondes en andere elektronische apparaten in 3D te printen die zo zacht en flexibel zijn als rubber.

De apparaten zijn gemaakt van een soort polymeer, of zacht plastic, dat is elektrisch geleidend. Het team transformeerde deze normaal gesproken vloeistofachtige geleidende polymeeroplossing in een substantie die meer op een stroperige tandpasta leek - die ze vervolgens door een conventionele 3D-printer konden voeren om stabiele, elektrisch geleidende patronen.

Het team heeft verschillende zachte elektronische apparaten geprint, waaronder een kleine rubberachtige elektrode, die ze in de hersenen van een muis implanteerden. Terwijl de muis vrij bewoog in een gecontroleerde omgeving, de neurale sonde kon de activiteit van een enkel neuron oppikken. Door deze activiteit te volgen, kunnen wetenschappers een beeld met een hogere resolutie krijgen van de activiteit van de hersenen, en kan helpen bij het afstemmen van therapieën en langdurige hersenimplantaten voor een verscheidenheid aan neurologische aandoeningen.

"We hopen door dit proof of concept te demonstreren, mensen kunnen deze technologie gebruiken om verschillende apparaten te maken, snel, " zegt Hyunwoo Yuk, een afgestudeerde student in de groep van Zhao aan het MIT. "Ze kunnen het ontwerp veranderen, voer de afdrukcode uit, en genereer in 30 minuten een nieuw ontwerp. Hopelijk zal dit de ontwikkeling van neurale interfaces stroomlijnen, volledig gemaakt van zachte materialen."

Yuk en Zhao hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie . Hun co-auteurs zijn Baoyang Lu en Jingkun Xu van de Jiangxi Science and Technology Normal University, samen met Shen Lin en Jianhong Luo van de Zheijiang University's School of Medicine.

Van zeepwater tot tandpasta

Geleidende polymeren zijn een klasse materialen die wetenschappers de afgelopen jaren gretig hebben onderzocht vanwege hun unieke combinatie van plasticachtige flexibiliteit en metaalachtige elektrische geleidbaarheid. Geleidende polymeren worden commercieel gebruikt als antistatische coatings, omdat ze alle elektrostatische ladingen die zich op elektronica en andere statisch gevoelige oppervlakken opbouwen, effectief kunnen afvoeren.

"Deze polymeeroplossingen zijn gemakkelijk te spuiten op elektrische apparaten zoals touchscreens, " zegt Yuk. "Maar de vloeibare vorm is meestal voor homogene coatings, en het is moeilijk om dit te gebruiken voor tweedimensionale, patronen met hoge resolutie. in 3D, het is onmogelijk."

Yuk en zijn collega's redeneerden dat als ze een bedrukbaar geleidend polymeer konden ontwikkelen, ze zouden het materiaal dan kunnen gebruiken om een ​​groot aantal zachte, ingewikkeld gevormde elektronische apparaten, zoals flexibele circuits, en single-neuron elektroden.

In hun nieuwe studie het team rapporteert het wijzigen van poly (3, 4-ethyleendioxythiofeen) polystyreensulfonaat, of PEDOT:PSS, een geleidend polymeer dat doorgaans wordt geleverd in de vorm van een inktzwarte, donkerblauwe vloeistof. De vloeistof is een mengsel van water en nanovezels van PEDOT:PSS. De vloeistof krijgt zijn geleidbaarheid van deze nanovezels, die, als ze in contact komen, fungeren als een soort tunnel waardoor elke elektrische lading kan stromen.

Als de onderzoekers dit polymeer in vloeibare vorm in een 3D-printer zouden voeden, het zou gewoon over het onderliggende oppervlak bloeden. Dus zocht het team naar een manier om het polymeer te verdikken met behoud van de inherente elektrische geleidbaarheid van het materiaal.

Ze hebben het materiaal eerst gevriesdroogd, het verwijderen van de vloeistof en het achterlaten van een droge matrix, of spons, van nanovezels. Alleen gelaten, deze nanovezels zouden broos worden en barsten. Dus de onderzoekers mengden de nanovezels vervolgens opnieuw met een oplossing van water en een organisch oplosmiddel, die ze eerder hadden ontwikkeld, om een ​​hydrogel te vormen - een op water gebaseerde, rubberachtig materiaal ingebed met nanovezels.

Ze maakten hydrogels met verschillende concentraties nanovezels, en ontdekte dat een bereik van 5 tot 8 gewichtsprocent nanovezels een tandpasta-achtig materiaal produceerde dat zowel elektrisch geleidend was als geschikt voor invoer in een 3D-printer.

"In eerste instantie het is als zeepwater, " zegt Zhao. "We condenseren de nanovezels en maken het stroperig zoals tandpasta, zodat we het eruit kunnen persen als een dikke, afdrukbare vloeistof."

Implantaten op aanvraag

De onderzoekers voerden het nieuwe geleidende polymeer in een conventionele 3D-printer en ontdekten dat ze ingewikkelde patronen konden produceren die stabiel en elektrisch geleidend bleven.

Als proof-of-concept, ze drukten een kleine, rubberachtige elektrode, ongeveer zo groot als een stuk confetti. De elektrode bestaat uit een laag flexibele, transparant polymeer, waarop ze vervolgens het geleidende polymeer drukten, in dunne, evenwijdige lijnen die samenkomen in een punt, ongeveer 10 micron breed - klein genoeg om elektrische signalen van een enkel neuron op te vangen.

Het team implanteerde de elektrode in de hersenen van een muis en ontdekte dat deze elektrische signalen van een enkel neuron kon opvangen.

"Traditioneel, elektroden zijn stijve metalen draden, en als er eenmaal trillingen zijn, deze metalen elektroden kunnen weefsel beschadigen, "zegt Zhao. "We hebben nu laten zien dat je een gelsonde kunt inbrengen in plaats van een naald."

In principe, zo zacht, op hydrogel gebaseerde elektroden kunnen zelfs gevoeliger zijn dan conventionele metalen elektroden. Dat komt omdat de meeste metalen elektroden elektriciteit geleiden in de vorm van elektronen, terwijl neuronen in de hersenen elektrische signalen produceren in de vorm van ionen. Elke ionische stroom die door de hersenen wordt geproduceerd, moet worden omgezet in een elektrisch signaal dat een metalen elektrode kan registreren - een conversie die ertoe kan leiden dat een deel van het signaal verloren gaat bij de vertaling. Bovendien, ionen kunnen alleen interageren met een metalen elektrode aan het oppervlak, die de concentratie van ionen kan beperken die de elektrode op een bepaald moment kan detecteren.

In tegenstelling tot, de zachte elektrode van het team is gemaakt van elektronengeleidende nanovezels, ingebed in een hydrogel - een materiaal op waterbasis waar ionen vrij doorheen kunnen gaan.

"De schoonheid van een geleidende polymeerhydrogel is, bovenop zijn zachte mechanische eigenschappen, het is gemaakt van hydrogel, die ionisch geleidend is, en ook een poreuze spons van nanovezels, waar de ionen in en uit kunnen stromen, " zegt Lu. "Omdat het hele volume van de elektrode actief is, de gevoeligheid is verbeterd."

Naast de neurale sonde, het team fabriceerde ook een array met meerdere elektroden - een kleine, Post-it-sized vierkant van plastic, bedrukt met zeer dunne elektroden, waarover de onderzoekers ook een ronde plastic put printten. Neurowetenschappers vullen de putten van dergelijke arrays meestal met gekweekte neuronen, en kunnen hun activiteit bestuderen via de signalen die worden gedetecteerd door de onderliggende elektroden van het apparaat.

Voor deze demonstratie de groep toonde aan dat ze de complexe ontwerpen van dergelijke arrays konden repliceren met behulp van 3D-printen, versus traditionele lithografietechnieken, waarbij zorgvuldig metalen worden geëtst, zoals goud, in voorgeschreven patronen, of maskers - een proces dat dagen kan duren om een ​​enkel apparaat te voltooien.

"We maken dezelfde geometrie en resolutie van dit apparaat met behulp van 3D-printen, in minder dan een uur, " zegt Yuk. "Dit proces kan lithografietechnieken vervangen of aanvullen, als een eenvoudigere en goedkopere manier om een ​​verscheidenheid aan neurologische apparaten te maken, op aanvraag."