《Nature》子刊：MIT工程师使用导电聚合物3D打印柔性脑部植入物

2020年4月22日，南极熊从外媒获悉，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员和工程师正在利用3D打印技术开发柔软、灵活的大脑电极，而所使用的材料是一种导电聚合物液体材料。

在对导电聚合物3D打印的研究中，麻省理工学院的工程师们正致力于开发出符合大脑轮廓的软性神经植入物，并在不伤害周围组织的情况下，对活动进行较长时间的监测。

通常情况下，脑部植入物由金属材料制成，但是金属会引起炎症和疤痕组织的堆积。而使用3D打印的柔性聚合物电子器件，有可能为现有的金属电极提供一种更柔软、更安全、更快速的替代方案，用于监测大脑活动。因此，这项研究也可能有助于开发刺激神经区域的大脑植入物，以缓解癫痫、帕金森氏症和严重抑郁症的症状。

具有3D打印电子活性聚合物的柔性神经电极，照片通过麻省理工学院。

3D打印的导电聚合物

在最近发表的研究报告中，麻省理工学院机械工程和土木与环境工程教授Xuanhe Zhao带领的研究团队，勾勒出了一种3D打印神经探针和其他电子设备的方法，这种方法可以像橡胶一样柔软和灵活。该研究以导电聚合物为中心，这是一类具有内在导电性的聚合物。它们在商业上被用作防静电涂层，因为它们可以有效地带走电子器件和其他易产生静电的表面上堆积的任何静电电荷。

麻省理工学院Zhao小组的研究生Hyunwoo Yuk评论说："这些聚合物溶液很容易喷在电子设备上，比如触摸屏。但液态的形式主要是用于均质涂层，很难用于任何二维、高分辨率的图案化。在3D中这是不可能的。"

在该论文中，研究人员介绍了一种基于聚（3，4-乙二氧基噻吩）聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）的可3D打印导电聚合物墨水溶液。通常是一种类似液体的导电聚合物溶液，它含有纳米纤维，提供了该材料的导电性能。麻省理工学院的团队将这种物质转化为一种更接近于 "粘性牙膏 "的材料，以使其可3D打印，同时仍保留了材料固有的导电性。

使PEDOT:PSS溶液与3D打印兼容的过程包括将材料冻干，去除液体，并留下干燥的纳米纤维基体。然后将这些纳米纤维与他们之前开发的水和有机溶剂的溶液混合，形成嵌入纳米纤维的水凝胶。通过对不同的水凝胶形态进行实验，研究人员发现，在5%到8%(按重量计算)之间的纳米纤维产生了一种类似牙膏的材料，这种材料既具有导电性，又适合送入3D打印机。

图1：可3D打印的导电聚合物墨水的设计

a, b, 原始的PEDOT:PSS溶液(a)可以通过低温冻干和溶剂再分散的方式转化为3D打印导电聚合物油墨(b)。d 原始PEDOT:PSS溶液的CryoTEM图像。 e 3D打印导电聚合物油墨的CryoTEM图像。l 不同PEDOT:PSS纳米纤维浓度的导电聚合物油墨的表观粘度作为剪切速率的函数。n 不同PEDOT:PSS纳米纤维浓度的导电聚合物油墨的剪切储存模量作为剪切应力的函数。对于（d-f）中的TEM图像，基于独立制备的样品，重复实验（n = 5），结果可重现。比例尺条，100纳米。

Zhao说："最初，它就像肥皂水一样，我们把纳米纤维凝结起来，使其像牙膏一样粘稠，这样我们就可以把它挤成浓稠的、可打印的液体。"

通过将这种新的、较厚的导电聚合物送入3D打印机，研究人员能够制造出稳定的导电图案。因此，该团队利用PEDOT:PSS解决方案制作了几种导电聚合物装置，包括一种柔软的橡胶电极，他们将其植入老鼠的大脑中，作为概念验证。

Yuk补充道:"我们希望通过展示这种概念验证，人们可以用这种技术来快速地制作不同的设备。他们可以在30分钟内改变设计，运行打印代码，并生成一个新的设计。希望这将简化神经接口的开发，完全由软性材料制成的神经接口。"

该团队还打印了软性多电极阵列，图片来自MIT。

a 导电聚合物墨水3D打印高密度柔性电子电路图案的顺序快照 b 在3D打印的导电聚合物电路上点亮LED。d 3D打印的软神经探针的9个通道的导电聚合物油墨和PDMS油墨的3D打印的软神经探针的图像。局部场电位（LFP）痕迹（0.5至250赫兹）自由移动条件下（G）。连续细胞外动作电位（AP）痕迹（300至40 kHz）记录在自由移动的条件下（H）。刻度条，5 毫米（a-c）；1 毫米（d，e）；2 毫米（f）。

测试3D打印的电极

这个小电极由一层柔性的透明聚合物组成，麻省理工学院的团队在其上3D打印出了PEDOT:PSS材料，以细细的平行线的形式，在尖端处汇聚成约10微米宽的电极。它的尺寸确保了该电极能够从单个神经元--即利用电脉冲在大脑中传递信息的细胞--采集电信号的能力。从测试中，研究人员发现，植入的电极确实能够检测到小鼠大脑内的单个神经元在受控环境中自由移动时发出的电信号。

标准的神经植入物使用金属电极来刺激和监测神经系统的部分和结构。这可以让科学家们对大脑的活动有更高的分辨率，有助于为各种神经系统疾病（如帕金森氏症）量身定制治疗方案和长期的大脑植入物。

200-μm的3D打印导电聚合物网格的SEM图像，图片来源：Nature Communications。

除了在振动的情况下可能会对脑组织造成损伤外，原则上，与水凝胶电极相比，金属电极对大脑中的电信号不那么敏感。这是因为金属电极以电子的形式传导电流，而大脑中的神经元则以离子的形式产生电信号--这意味着离子电流在被金属电极登记之前，需要进行转换。这可能会导致部分信号在翻译中丢失。相比之下，3D打印的软电极由导电纳米纤维制成，嵌入水凝胶中。

该研究的共同作者Baoyang Lu评论道："导电聚合物水凝胶的魅力在于，在其柔软的机械性能之上，它是由水凝胶制成的，它具有离子导电性，同时也是由纳米纤维组成的多孔海绵，离子可以在其中流动。因为电极的整体是活泼的，所以它的灵敏度得到了提升。"

3D打印在神经植入物领域的应用

虽然在使用导电聚合物方面有其独到之处，但由Zhao领导的麻省理工学院的研究团队并不是第一个使用3D打印制造神经植入物的研究团队。

此前在2019年，卡内基梅隆大学的研究人员公布了一项利用3D纳米粒子打印制造高密度神经探针记录神经数据的研究。该项目获得了美国国家卫生研究院（NIH）195万美元的资助。

两个月后，总部位于纽约的生物技术初创公司Qrons宣布与新罕布什尔州达特茅斯学院签订了一项知识产权（IP）许可协议，将开发出可3D打印的植入物，用于治疗穿透性或创伤性脑损伤（TBI）。

麻省理工学院的研究报告 “3D printing of conducting polymers”由Hyunwoo Yuk、Baoyang Lu、Shen Lin、Kai Qu、Jingkun Xu、Jianhong Luo & Xuanhe Zgao撰写。发表在《自然通讯》杂志上。


编译自：3dprintingindustry