MIT華人教授發明神奇墨水，在小鼠大腦中植入3D列印柔軟電極

2023-04-01 17:34:47

幾天前，我們報導了「馬斯克腦-機接口預計今年在人類身上進行測試」引起了很多關注。今天，我們分享麻省理工學院最新的黑色技術——3D列印軟腦植入。

眾所周知，大腦是我們最脆弱的器官之一，就像最軟的豆腐一樣。然而，大腦植入物通常由金屬和其他剛性材料製成，隨著時間的推移，這將導致炎症和疤痕組織的積累。有更好的替代材料嗎？

幾天前，麻省理工學院教授趙宣和的團隊開發了一種方法，用3D列印神經探針和其他電子設備，它們像橡膠一樣柔軟和靈活。研究結果發表在《自然通訊》上，標題為「導電聚合物的三維印刷」。

論文地址:

https://www.nature.com/articles/s4146020-15317

研究工作由麻省理工學院機械工程系、江西科技師範大學柔性電子創新研究所和浙江大學神經科學研究所共同完成。麻省理工學院的博士生於賢和江西科技師範大學的陸保陽教授是這篇論文的共同作者。浙江大學神經科學研究所的偕林博士和羅建宏院長，以及江西科技師範大學的曲凱和徐景坤校長是合著者。麻省理工學院終身教授趙宣和是通信作者。

發明的導電聚合物墨水首次實現了導電聚合物的高精度3D列印

趙宣和教授的團隊印刷的設備是由導電聚合物墨水製成的。研究小組將這種類似液體的導電聚合物溶液轉化成更像粘性牙膏的物質，然後放入3D印表機列印出穩定的導電圖案。

該小組印製了幾個軟電子設備，包括一個小的軟電極，並將它們植入老鼠的大腦。當老鼠在受控環境中自由活動時，神經探針可以捕捉單個神經元的活動。監測這種活動可以為科學家提供更高解析度的大腦活動圖像，並有助於制定治療計劃和長期大腦植入，以應對各種神經疾病。

「我們希望通過演示，人們可以使用這項技術來快速製造不同的設備，」麻省理工學院博士生賢宇育說。「您可以在30分鐘內更改設計、運行列印代碼並生成新設計。希望這將簡化神經界面的開發，並完全由軟材料製成。」

「從肥皂水到牙膏」，印刷材料披露

導電聚合物是近年來科學家們熱切探索的一種材料，因為它們具有類似塑料的柔韌性和類似金屬的導電性。導電聚合物在商業上用作抗靜電塗層，因為它們可以有效地帶走電子產品和其他易於產生靜電的表面上積累的靜電荷。

「這些聚合物溶液很容易噴到電子設備上，比如觸控螢幕，」尤克說。「然而，液體形式主要用於均勻塗布，很難在任何二維、高解析度圖案中使用。在3D世界裡，這是不可能的。」

Yuk和他的同事相信，如果他們能開發出一種可印刷的導電聚合物，他們就能利用這種材料印刷大量柔軟、複雜的電子設備圖案，如柔性電路和單神經元電極。

在他們的新研究中，研究小組報導了一種改進的聚(3，亞乙基二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)，它是一種導電聚合物，通常是一種類似於墨水的深藍色液體。這種液體是水和PEDOT: PSS納米纖維的混合物。液體的導電性來自這些納米纖維。當它們接觸時，它們的行為就像一條隧道，任何電荷都可以通過它流動。

如果這種聚合物以液態形式被送入3D印表機，它只會從下表面滲出。因此，該團隊尋求一種方法來增稠聚合物，同時保持材料的固有導電性。

圖1:1:3D可印刷導電聚合物油墨的設計

他們首先冷凍乾燥材料以去除液體，留下乾燥的納米纖維基質或海綿。如果不採取措施，這些納米纖維將變得脆弱和破裂。因此，研究人員將納米纖維與之前開發的水溶液和有機溶劑混合，形成水凝膠，一種嵌入納米纖維的水基軟材料。

他們用不同濃度的納米纖維製成水凝膠，發現當納米纖維的重量百分比在5%到8%之間時，他們可以製成牙膏狀的材料，這種材料可以導電，並且適合輸入3D印表機。

圖2:導電聚合物的3D印刷

「起初，它像肥皂水，」趙宣和教授說。「我們將納米纖維濃縮，使其像牙膏一樣粘稠，這樣我們就可以將其擠壓成粘稠的可印刷液體。」

圖3:3:3D印刷導電聚合物的性能

植入小鼠腦內的印刷軟電極成功監測到單個神經元的活動信號

研究人員將這種新的導電聚合物注入傳統的3D印表機，發現它們可以產生複雜的圖案，保持穩定並具有導電性。

作為概念的證明，他們印刷了一個小的柔性電極，大約有一片紙屑那麼大。電極由一層柔性透明聚合物組成，上面印有導電聚合物。這些導電聚合物在尖端匯聚成寬度約為10微米的細平行線，小到足以接收來自單個神經元的電信號。

該小組將電極植入老鼠的大腦，發現它可以接收來自單個神經元的電信號。

圖4:導電聚合物設備的3D列印

「傳統上，電極是剛性金屬線。一旦發生振動，這些金屬電極就會損壞組織，」趙宣和教授說。"我們現在已經證明你可以用凝膠探針代替針頭."

原則上，這種柔軟的基於水凝膠的電極甚至比傳統的金屬電極更敏感。這是因為大多數金屬電極以電子的形式導電，而大腦中的神經元以離子的形式產生電信號。大腦產生的任何離子電流都需要轉換成可以被金屬電極記錄的電信號，這種轉換可能會導致一些信號在轉換過程中丟失。此外，離子只能與表面上的金屬電極相互作用，這限制了電極在任何特定時間可以檢測到的離子濃度。