MIT разрабатывает гибкие нейронные импланты, которые могут быть напечатаны в 3D

Мозг – один из наших самых уязвимых органов, поскольку он очень мягкий. С другой стороны, импланты мозга, 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 полезной 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 во главе с Сюаньхэ Чжао, профессором машиностроения, 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 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 пропустить 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 представление картины мозговой активности, а также может помочь в подборе методов лечения и использования долгосрочных имплантов мозга при различных неврологических расстройствах.

“Мы надеемся, продемонстрировав доказательство этой концепции, что люди смогут быстро использовать эту технологию для создания различных устройств”, – говорит Хенву 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 нейронных интерфейсов, полностью сделанных из мягких материалов”.

От мыльной воды до зубной пасты

Проводящие полимеры – это класс материалов, которые ученые охотно исследовали в последние годы за их уникальное сочетание пластичной гибкости и металлической электропроводности. Проводящие полимеры коммерчески используются в качестве антистатических покрытий, так как они могут эффективно отводить любые электростатические заряды, которые накапливаются на электронике и других статических поверхностях.

“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 сообщила об изменении полистиролсульфоната или PEDOT: PSS, проводящего полимера, обычно поставляемого в виде чернильной темно-синей жидкости. Жидкость представляет собой смесь воды и нановолокон. Она получает свою проводимость от этих волокон, 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 пульсировал по подстилающей поверхности. 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 сухости, эти нановолокна станут хрупкими и потрескаются. Таким образом, исследователи смешали нановолокна с раствором воды и органического растворителя, который они ранее разработали, чтобы сформировать гидрогель – резиновый материал на водной основе, заделанный нановолокнами.

Они создали гидрогели с различными концентрациями нановолокон и обнаружили, что в диапазоне от 5 до 8 процентов по массе нановолокон образуется 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”.

Импланты 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 кончике, шириной 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 сделан из электронопроводящих нановолокон, встроенных в гидрогель – материал на водной основе, через который могут свободно проходить ионы.

“Прелесть проводящего полимерного гидрогеля, помимо его мягких механических свойств, – это его ионная проводимость, а также в его пористой губке из нановолокон, из которой ионы могут течь внутрь и наружу”, – говорит Лу. – “Поскольку весь объем электрода активен, его чувствительность повышается”.

В дополнение к нейронному зонду, команда также изготовила многоэлектродную матрицу – маленький квадратный пластик размером с почтовую марку, 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.

В качестве 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, этот процесс может занять несколько дней на 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 создания различных неврологических устройств по требованию”.