脑机头条第39期| MIT最新黑科技—3D打印柔软大脑植入物

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2020年4月3日

脑机头条第39期

最近麻省理工学院发布了一项黑科技--3D打印柔软大脑电极。

MIT赵选贺教授研究团队开发出一种3D打印神经探针和其他电子设备的方法，3D打印柔软大脑电极就像橡胶一样柔软灵活。研究成果已发表在Nature Communications上，题为“3D printing of conducting polymers”。

论文地址：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15316-7

研究人员将这种类似于液体的导电聚合物溶液转化成一种更像粘性牙膏的物质，并将其放入3D打印机中，然后打印出稳定的导电图案。

图1

图2

研究人员将这些软电子设备植入小鼠的大脑中。当小鼠在一个可控的环境中自由移动时，研究人通过植入的神经探针能够捕捉到单个神经元的活动。

然后通过监测这种活动来获取更高分辨率的大脑活动图像，以此可以帮助制定治疗方案和长期大脑植入物，以应对各种神经系统疾病。

MIT博士生Hyunwoo Yuk表示：“我们希望通过演示，人们可以使用这种技术快速制造出不同的设备，可以更改设计、运行打印代码并在30分钟内生成新的设计。希望这将简化神经接口的开发，完全由软材料制成。”

导电聚合物是一种具有类似塑料的柔韧性和类似金属的电导率的材料，该材料近年来被科学家广泛探索。

Yuk表示：“这些聚合物解决方案易于喷涂在触摸屏等电子设备上，但是液体形式主要用于均质涂层，很难将其用于任何二维、高分辨率的图案中。在3D世界里，这是不可能的。”

该研究团队认为，可以开发出一种可打印的导电聚合物，然后可以利用这种材料打印出大量软的、复杂图案的电子设备，比如柔性电路和单神经元电极。

在这项研究中，研究人员报告了一种改良的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS），这是一种导电聚合物，通常是类似于墨水的深蓝色液体。这种液体是水和PEDOT: PSS纳米纤维的混合物。液体的导电性来自这些纳米纤维，当它们接触时，就像一个隧道，任何电荷都可以通过它们流动。

3D可打印导电聚合物油墨的设计

研究人员首先对材料进行冷冻干燥，去除液体，留下干燥的纳米纤维基质或海绵。为了防止这些纳米纤维会变得脆弱和破裂。研究人员将纳米纤维与他们先前开发的水溶液和有机溶剂混合，形成了水凝胶——一种嵌有纳米纤维的水基柔软材料。

研究人员通过实验执照出具有不同浓度的纳米纤维的水凝胶，并发现纳米纤维的重量百分比介于5％-8％之间时，可以制造出既可以导电，又适合送入3D打印机的材料。

3D打印导电聚合物的性能

研究小组将电极植入小鼠的大脑，发现它可以接收来自单个神经元的电信号

导电高分子设备的3D打印

研究小组还打印了软性多电极阵列，可以用来监测单个神经元活动

卢宝阳教授表示：“导电聚合物水凝胶的美妙之处在于，除了其柔软的机械性能之外，它还由水凝胶(离子导电)和纳米纤维多孔海绵组成，离子可以进出这些海绵，由于电极的整个体积是活动的，因此灵敏度得到了提高。”

参考：

http://news.mit.edu/2020/engineers-3d-print-brain-implants-0330

https://mp.weixin.qq.com/s/eDnfR9Co9V5poQ42z9hm1g

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