《Nature》子刊：MIT工程師使用導(dǎo)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(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員和工程師正在利用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)柔軟、靈活的大腦電極，而所使用的材料是一種導(dǎo)電聚合物液體材料。

在對(duì)導(dǎo)電聚合物3D打印的研究中，麻省理工學(xué)院的工程師們正致力于開(kāi)發(fā)出符合大腦輪廓的軟性神經(jīng)植入物，并在不傷害周圍組織的情況下，對(duì)活動(dòng)進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。

通常情況下，腦部植入物由金屬材料制成，但是金屬會(huì)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(xiàn)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(cè)大腦活動(dòng)。因此，這項(xiàng)研究也可能有助于開(kāi)發(fā)刺激神經(jīng)區(qū)域的大腦植入物，以緩解癲癇、帕金森氏癥和嚴(yán)重抑郁癥的癥狀。

具有3D打印電子活性聚合物的柔性神經(jīng)電極，照片通過(guò)麻省理工學(xué)院。

3D打印的導(dǎo)電聚合物

在最近發(fā)表的研究報(bào)告中，麻省理工學(xué)院機(jī)械工程和土木與環(huán)境工程教授Xuanhe Zhao帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，勾勒出了一種3D打印神經(jīng)探針和其他電子設(shè)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(dǎo)電聚合物為中心，這是一類具有內(nèi)在導(dǎo)電性的聚合物。它們?cè)谏虡I(yè)上被用作防靜電涂層，因?yàn)樗鼈兛梢杂行У貛ё唠娮悠骷�和其他易產(chǎn)生靜電的表面上堆積的任何靜電電荷。

麻省理工學(xué)院Zhao小組的研究生Hyunwoo Yuk評(píng)論說(shuō)："這些聚合物溶液很容易噴在電子設(shè)備上，比如觸摸屏。但液態(tài)的形式主要是用于均質(zhì)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(dǎo)電聚合物墨水溶液。通常是一種類似液體的導(dǎo)電聚合物溶液，它含有納米纖維，提供了該材料的導(dǎo)電性能。麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)將這種物質(zhì)轉(zhuǎn)化為一種更接近于 "粘性牙膏 "的材料，以使其可3D打印，同時(shí)仍保留了材料固有的導(dǎo)電性。

使PEDOT:PSS溶液與3D打印兼容的過(guò)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(kāi)發(fā)的水和有機(jī)溶劑的溶液混合，形成嵌入納米纖維的水凝膠。通過(guò)對(duì)不同的水凝膠形態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，在5%到8%(按重量計(jì)算)之間的納米纖維產(chǎn)生了一種類似牙膏的材料，這種材料既具有導(dǎo)電性，又適合送入3D打印機(jī)。

圖1：可3D打印的導(dǎo)電聚合物墨水的設(shè)計(jì)

a, b, 原始的PEDOT:PSS溶液(a)可以通過(guò)低溫凍干和溶劑再分散的方式轉(zhuǎn)化為3D打印導(dǎo)電聚合物油墨(b)。d 原始PEDOT:PSS溶液的CryoTEM圖像。 e 3D打印導(dǎo)電聚合物油墨的CryoTEM圖像。l 不同PEDOT:PSS納米纖維濃度的導(dǎo)電聚合物油墨的表觀粘度作為剪切速率的函數(shù)。n 不同PEDOT:PSS納米纖維濃度的導(dǎo)電聚合物油墨的剪切儲(chǔ)存模量作為剪切應(yīng)力的函數(shù)。對(duì)于（d-f）中的TEM圖像，基于獨(dú)立制備的樣品，重復(fù)實(shí)驗(yàn)（n = 5），結(jié)果可重現(xiàn)。比例尺條，100納米。

Zhao說(shuō)："最初，它就像肥皂水一樣，我們把納米纖維凝結(jié)起來(lái)，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(guò)將這種新的、較厚的導(dǎo)電聚合物送入3D打印機(jī)，研究人員能夠制造出穩(wěn)定的導(dǎo)電圖案。因此，該團(tuán)隊(duì)利用PEDOT:PSS解決方案制作了幾種導(dǎo)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(yàn)證。

Yuk補(bǔ)充道:"我們希望通過(guò)展示這種概念驗(yàn)證，人們可以用這種技術(shù)來(lái)快速地制作不同的設(shè)備。他們可以在30分鐘內(nèi)改變?cè)O(shè)計(jì)，運(yùn)行打印代碼，并生成一個(gè)新的設(shè)計(jì)。希望這將簡(jiǎn)化神經(jīng)接口的開(kāi)發(fā)，完全由軟性材料制成的神經(jīng)接口。"

該團(tuán)隊(duì)還打印了軟性多電極陣列，圖片來(lái)自MIT。

a 導(dǎo)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(dǎo)電聚合物電路上點(diǎn)亮LED。d 3D打印的軟神經(jīng)探針的9個(gè)通道的導(dǎo)電聚合物油墨和PDMS油墨的3D打印的軟神經(jīng)探針的圖像。局部場(chǎng)電位（LFP）痕跡（0.5至250赫茲）自由移動(dòng)條件下（G）。連續(xù)細(xì)胞外動(dòng)作電位（AP）痕跡（300至40 kHz）記錄在自由移動(dòng)的條件下（H）�？潭葪l，5 毫米（a-c）；1 毫米（d，e）；2 毫米（f）。

測(cè)試3D打印的電極

這個(gè)小電極由一層柔性的透明聚合物組成，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)在其上3D打印出了PEDOT:PSS材料，以細(xì)細(xì)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(gè)神經(jīng)元--即利用電脈沖在大腦中傳遞信息的細(xì)胞--采集電信號(hào)的能力。從測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)，植入的電極確實(shí)能夠檢測(cè)到小鼠大腦內(nèi)的單個(gè)神經(jīng)元在受控環(huán)境中自由移動(dòng)時(shí)發(fā)出的電信號(hào)。

標(biāo)準(zhǔn)的神經(jīng)植入物使用金屬電極來(lái)刺激和監(jiān)測(cè)神經(jīng)系統(tǒng)的部分和結(jié)構(gòu)。這可以讓科學(xué)家們對(duì)大腦的活動(dòng)有更高的分辨率，有助于為各種神經(jīng)系統(tǒng)疾�。ㄈ缗两鹕�氏癥）量身定制治療方案和長(zhǎng)期的大腦植入物。

200-μm的3D打印導(dǎo)電聚合物網(wǎng)格的SEM圖像，圖片來(lái)源：Nature Communications。

除了在振動(dòng)的情況下可能會(huì)對(duì)腦組織造成損傷外，原則上，與水凝膠電極相比，金屬電極對(duì)大腦中的電信號(hào)不那么敏感。這是因?yàn)榻饘匐姌O以電子的形式傳導(dǎo)電流，而大腦中的神經(jīng)元?jiǎng)t以離子的形式產(chǎn)生電信號(hào)--這意味著離子電流在被金屬電極登記之前，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這可能會(huì)導(dǎo)致部分信號(hào)在翻譯中丟失。相比之下，3D打印的軟電極由導(dǎo)電納米纖維制成，嵌入水凝膠中。

該研究的共同作者Baoyang Lu評(píng)論道："導(dǎo)電聚合物水凝膠的魅力在于，在其柔軟的機(jī)械性能之上，它是由水凝膠制成的，它具有離子導(dǎo)電性，同時(shí)也是由納米纖維組成的多孔海綿，離子可以在其中流動(dòng)。因?yàn)殡姌O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(jīng)植入物領(lǐng)域的應(yīng)用

雖然在使用導(dǎo)電聚合物方面有其獨(dú)到之處，但由Zhao領(lǐng)導(dǎo)的麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)并不是第一個(gè)使用3D打印制造神經(jīng)植入物的研究團(tuán)隊(duì)。

此前在2019年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員公布了一項(xiàng)利用3D納米粒子打印制造高密度神經(jīng)探針記錄神經(jīng)數(shù)據(jù)的研究。該項(xiàng)目獲得了美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院（NIH）195萬(wàn)美元的資助。

兩個(gè)月后，總部位于紐約的生物技術(shù)初創(chuàng)公司Qrons宣布與新罕布什爾州達(dá)特茅斯學(xué)院簽訂了一項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）許可協(xié)議，將開(kāi)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(xué)院的研究報(bào)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