《Nature》子刊：MIT工程師使用導電聚合物3D打印柔性腦部植入物

2020年4月22日，南極熊從外媒獲悉,，美國麻省理工學院（MIT）的研究人員和工程師正在利用3D打印技術開發(fā)柔軟,、靈活的大腦電極，而所使用的材料是一種導電聚合物液體材料,。

在對導電聚合物3D打印的研究中,，麻省理工學院的工程師們正致力于開發(fā)出符合大腦輪廓的軟性神經植入物，并在不傷害周圍組織的情況下,，對活動進行較長時間的監(jiān)測,。

通常情況下，腦部植入物由金屬材料制成,，但是金屬會引起炎癥和疤痕組織的堆積,。而使用3D打印的柔性聚合物電子器件，有可能為現有的金屬電極提供一種更柔軟,、更安全,、更快速的替代方案，用于監(jiān)測大腦活動,。因此,，這項研究也可能有助于開發(fā)刺激神經區(qū)域的大腦植入物，以緩解癲癇,、帕金森氏癥和嚴重抑郁癥的癥狀,。

具有3D打印電子活性聚合物的柔性神經電極,，照片通過麻省理工學院。

3D打印的導電聚合物

在最近發(fā)表的研究報告中,，麻省理工學院機械工程和土木與環(huán)境工程教授Xuanhe Zhao帶領的研究團隊,，勾勒出了一種3D打印神經探針和其他電子設備的方法，這種方法可以像橡膠一樣柔軟和靈活,。該研究以導電聚合物為中心,，這是一類具有內在導電性的聚合物。它們在商業(yè)上被用作防靜電涂層,，因為它們可以有效地帶走電子器件和其他易產生靜電的表面上堆積的任何靜電電荷,。

麻省理工學院Zhao小組的研究生Hyunwoo Yuk評論說："這些聚合物溶液很容易噴在電子設備上，比如觸摸屏,。但液態(tài)的形式主要是用于均質涂層,，很難用于任何二維、高分辨率的圖案化,。在3D中這是不可能的,。"

在該論文中，研究人員介紹了一種基于聚（3,，4-乙二氧基噻吩）聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）的可3D打印導電聚合物墨水溶液,。通常是一種類似液體的導電聚合物溶液，它含有納米纖維,，提供了該材料的導電性能,。麻省理工學院的團隊將這種物質轉化為一種更接近于 "粘性牙膏 "的材料，以使其可3D打印,，同時仍保留了材料固有的導電性,。

使PEDOT:PSS溶液與3D打印兼容的過程包括將材料凍干，去除液體,，并留下干燥的納米纖維基體,。然后將這些納米纖維與他們之前開發(fā)的水和有機溶劑的溶液混合,，形成嵌入納米纖維的水凝膠,。通過對不同的水凝膠形態(tài)進行實驗，研究人員發(fā)現,，在5%到8%(按重量計算)之間的納米纖維產生了一種類似牙膏的材料,，這種材料既具有導電性，又適合送入3D打印機,。

圖1：可3D打印的導電聚合物墨水的設計

a, b, 原始的PEDOT:PSS溶液(a)可以通過低溫凍干和溶劑再分散的方式轉化為3D打印導電聚合物油墨(b),。d 原始PEDOT:PSS溶液的CryoTEM圖像。 e 3D打印導電聚合物油墨的CryoTEM圖像,。l 不同PEDOT:PSS納米纖維濃度的導電聚合物油墨的表觀粘度作為剪切速率的函數,。n 不同PEDOT:PSS納米纖維濃度的導電聚合物油墨的剪切儲存模量作為剪切應力的函數,。對于（d-f）中的TEM圖像，基于獨立制備的樣品,，重復實驗（n = 5）,，結果可重現。比例尺條,，100納米,。

Zhao說："最初，它就像肥皂水一樣,，我們把納米纖維凝結起來,，使其像牙膏一樣粘稠，這樣我們就可以把它擠成濃稠的,、可打印的液體,。"

通過將這種新的、較厚的導電聚合物送入3D打印機,，研究人員能夠制造出穩(wěn)定的導電圖案,。因此，該團隊利用PEDOT:PSS解決方案制作了幾種導電聚合物裝置,，包括一種柔軟的橡膠電極,，他們將其植入老鼠的大腦中，作為概念驗證,。

Yuk補充道:"我們希望通過展示這種概念驗證,，人們可以用這種技術來快速地制作不同的設備。他們可以在30分鐘內改變設計,，運行打印代碼,，并生成一個新的設計。希望這將簡化神經接口的開發(fā),，完全由軟性材料制成的神經接口,。"

該團隊還打印了軟性多電極陣列，圖片來自MIT,。

a 導電聚合物墨水3D打印高密度柔性電子電路圖案的順序快照 b 在3D打印的導電聚合物電路上點亮LED,。d 3D打印的軟神經探針的9個通道的導電聚合物油墨和PDMS油墨的3D打印的軟神經探針的圖像。局部場電位（LFP）痕跡（0.5至250赫茲）自由移動條件下（G）,。連續(xù)細胞外動作電位（AP）痕跡（300至40 kHz）記錄在自由移動的條件下（H）,。刻度條,，5 毫米（a-c）,；1 毫米（d，e）,；2 毫米（f）,。

測試3D打印的電極

這個小電極由一層柔性的透明聚合物組成,，麻省理工學院的團隊在其上3D打印出了PEDOT:PSS材料，以細細的平行線的形式,，在尖端處匯聚成約10微米寬的電極,。它的尺寸確保了該電極能夠從單個神經元--即利用電脈沖在大腦中傳遞信息的細胞--采集電信號的能力。從測試中,，研究人員發(fā)現,，植入的電極確實能夠檢測到小鼠大腦內的單個神經元在受控環(huán)境中自由移動時發(fā)出的電信號。

標準的神經植入物使用金屬電極來刺激和監(jiān)測神經系統(tǒng)的部分和結構,。這可以讓科學家們對大腦的活動有更高的分辨率,，有助于為各種神經系統(tǒng)疾病（如帕金森氏癥）量身定制治療方案和長期的大腦植入物,。

200-μm的3D打印導電聚合物網格的SEM圖像,，圖片來源：Nature Communications。

除了在振動的情況下可能會對腦組織造成損傷外,，原則上,，與水凝膠電極相比，金屬電極對大腦中的電信號不那么敏感,。這是因為金屬電極以電子的形式傳導電流,，而大腦中的神經元則以離子的形式產生電信號--這意味著離子電流在被金屬電極登記之前，需要進行轉換,。這可能會導致部分信號在翻譯中丟失,。相比之下，3D打印的軟電極由導電納米纖維制成,，嵌入水凝膠中,。

該研究的共同作者Baoyang Lu評論道："導電聚合物水凝膠的魅力在于，在其柔軟的機械性能之上,，它是由水凝膠制成的,，它具有離子導電性，同時也是由納米纖維組成的多孔海綿,，離子可以在其中流動,。因為電極的整體是活潑的，所以它的靈敏度得到了提升,。"

3D打印在神經植入物領域的應用

雖然在使用導電聚合物方面有其獨到之處,，但由Zhao領導的麻省理工學院的研究團隊并不是第一個使用3D打印制造神經植入物的研究團隊,。

此前在2019年,，卡內基梅隆大學的研究人員公布了一項利用3D納米粒子打印制造高密度神經探針記錄神經數據的研究。該項目獲得了美國國家衛(wèi)生研究院（NIH）195萬美元的資助,。

兩個月后,，總部位于紐約的生物技術初創(chuàng)公司Qrons宣布與新罕布什爾州達特茅斯學院簽訂了一項知識產權（IP）許可協(xié)議,，將開發(fā)出可3D打印的植入物，用于治療穿透性或創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）,。

麻省理工學院的研究報告 “3D printing of conducting polymers”由Hyunwoo Yuk,、Baoyang Lu、Shen Lin,、Kai Qu,、Jingkun Xu、Jianhong Luo & Xuanhe Zgao撰寫,。發(fā)表在《自然通訊》雜志上,。


編譯自：3dprintingindustry