El cerebro es uno de nuestros órganos más vulnerables. tan suave como el tofu más suave. Implantes cerebrales por otra parte, Por lo general, están hechos de metal y otros materiales rígidos que con el tiempo pueden causar inflamación y la acumulación de tejido cicatricial.

Los ingenieros del MIT están trabajando en el desarrollo de software implantes neuronales flexibles que pueden adaptarse suavemente a los contornos del cerebro y monitorear la actividad durante períodos más largos, sin agravar el tejido circundante. Una electrónica tan flexible podría ser una alternativa más suave a los electrodos de metal existentes diseñados para monitorear la actividad cerebral. y también puede ser útil en implantes cerebrales que estimulan las regiones neurales para aliviar los síntomas de la epilepsia, Enfermedad de Parkinson, y depresión severa.

Dirigido por Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería mecánica y de ingeniería civil y ambiental, El equipo de investigación ha desarrollado ahora una forma de imprimir en 3D sondas neuronales y otros dispositivos electrónicos que son tan suaves y flexibles como el caucho.

Los dispositivos están hechos de un tipo de polímero, o plástico blando, que sea eléctricamente conductor. El equipo transformó esta solución de polímero conductor normalmente líquido en una sustancia más parecida a una pasta de dientes viscosa, que luego podrían pasar a través de una impresora 3-D convencional para estabilizarla. Patrones eléctricamente conductores.

El equipo imprimió varios dispositivos electrónicos blandos, incluyendo un pequeño, electrodo de goma, que implantaron en el cerebro de un ratón. Mientras el mouse se movía libremente en un ambiente controlado, la sonda neural pudo captar la actividad de una sola neurona. El seguimiento de esta actividad puede dar a los científicos una imagen de mayor resolución de la actividad del cerebro, y puede ayudar a adaptar terapias e implantes cerebrales a largo plazo para una variedad de trastornos neurológicos.

"Esperamos que al demostrar esta prueba de concepto, las personas pueden usar esta tecnología para hacer diferentes dispositivos, rápidamente, "dice Hyunwoo Yuk, estudiante de posgrado en el grupo de Zhao en el MIT. "Pueden cambiar el diseño, ejecutar el código de impresión, y generar un nuevo diseño en 30 minutos. Con suerte, esto agilizará el desarrollo de interfaces neuronales, totalmente hecho de materiales blandos ".

Yuk y Zhao han publicado sus resultados en la revista. Comunicaciones de la naturaleza . Sus coautores incluyen a Baoyang Lu y Jingkun Xu de la Universidad Normal de Ciencia y Tecnología de Jiangxi, junto con Shen Lin y Jianhong Luo de la Facultad de Medicina de la Universidad de Zheijiang.

Del agua con jabón a la pasta de dientes

Los polímeros conductores son una clase de materiales que los científicos han explorado con entusiasmo en los últimos años por su combinación única de flexibilidad similar al plástico y conductividad eléctrica similar al metal. Los polímeros conductores se utilizan comercialmente como recubrimientos antiestáticos, ya que pueden eliminar eficazmente cualquier carga electrostática que se acumule en los componentes electrónicos y otras superficies propensas a la electricidad estática.

"Estas soluciones de polímeros son fáciles de rociar en dispositivos eléctricos como pantallas táctiles, "Dice Yuk." Pero la forma líquida es principalmente para revestimientos homogéneos, y es difícil usar esto para cualquier bidimensional, Patrones de alta resolución. En 3-D, es imposible."

Yuk y sus colegas razonaron que si pudieran desarrollar un polímero conductor imprimible, luego podrían usar el material para imprimir una gran cantidad de dispositivos electrónicos con diseños intrincados, como circuitos flexibles, y electrodos de neurona única.

En su nuevo estudio, el informe del equipo modificando poli (3, 4-etilendioxitiofeno) poliestireno sulfonato, o PEDOT:PSS, un polímero conductor normalmente suministrado en forma de tinta, líquido azul oscuro. El líquido es una mezcla de agua y nanofibras de PEDOT:PSS. El líquido obtiene su conductividad de estas nanofibras, cuales, cuando entran en contacto, actúan como una especie de túnel a través del cual puede fluir cualquier carga eléctrica.

Si los investigadores introdujeran este polímero en una impresora 3D en su forma líquida, simplemente sangraría a través de la superficie subyacente. Así que el equipo buscó una forma de espesar el polímero sin perder la conductividad eléctrica inherente del material.

Primero liofilizaron el material, retirar el líquido y dejar una matriz seca, o esponja, de nanofibras. Dejado solo estas nanofibras se volverían frágiles y se agrietarían. Entonces, los investigadores volvieron a mezclar las nanofibras con una solución de agua y un solvente orgánico, que habían desarrollado previamente, para formar un hidrogel, a base de agua, material gomoso incrustado con nanofibras.

Hicieron hidrogeles con varias concentraciones de nanofibras, y descubrió que un rango entre el 5 y el 8 por ciento en peso de nanofibras producía un material similar a una pasta de dientes que era tanto eléctricamente conductor como adecuado para introducirse en una impresora 3D.

"Inicialmente, es como agua jabonosa, "Dice Zhao." Condensamos las nanofibras y las hacemos viscosas como la pasta de dientes, para que podamos exprimirlo como un espeso, líquido imprimible ".

Implantes bajo demanda

Los investigadores introdujeron el nuevo polímero conductor en una impresora 3D convencional y descubrieron que podían producir patrones intrincados que permanecían estables y eléctricamente conductores.

Como prueba de concepto, imprimieron un pequeño, electrodo de goma, aproximadamente del tamaño de un trozo de confeti. El electrodo consta de una capa de polímero transparente, sobre el que luego imprimieron el polímero conductor, en delgado, líneas paralelas que convergen en una punta, mide aproximadamente 10 micrones de ancho, lo suficientemente pequeño como para captar señales eléctricas de una sola neurona.

El equipo implantó el electrodo en el cerebro de un ratón y descubrió que podía captar señales eléctricas de una sola neurona.

"Tradicionalmente, los electrodos son alambres rígidos de metal, y una vez que hay vibraciones, estos electrodos metálicos pueden dañar el tejido, "Dice Zhao." Hemos demostrado ahora que se puede insertar una sonda de gel en lugar de una aguja ".

En principio, tan suave Los electrodos a base de hidrogel pueden ser incluso más sensibles que los electrodos metálicos convencionales. Eso es porque la mayoría de los electrodos metálicos conducen electricidad en forma de electrones, mientras que las neuronas del cerebro producen señales eléctricas en forma de iones. Cualquier corriente iónica producida por el cerebro debe convertirse en una señal eléctrica que pueda registrar un electrodo metálico, una conversión que puede hacer que una parte de la señal se pierda en la traducción. Y lo que es más, Los iones solo pueden interactuar con un electrodo metálico en su superficie, lo que puede limitar la concentración de iones que el electrodo puede detectar en un momento dado.

A diferencia de, El electrodo blando del equipo está hecho de nanofibras conductoras de electrones, incrustado en un hidrogel, un material a base de agua por el que los iones pueden pasar libremente.

"La belleza de un hidrogel de polímero conductor es, además de sus suaves propiedades mecánicas, está hecho de hidrogel, que es iónicamente conductor, y también una esponja porosa de nanofibras, del cual los iones pueden entrar y salir, "Lu dice". Debido a que todo el volumen del electrodo está activo, su sensibilidad aumenta ".

Además de la sonda neural, El equipo también fabricó una matriz de electrodos múltiples, una pequeña Cuadrado de plástico del tamaño de un post-it, impreso con electrodos muy finos, sobre el cual los investigadores también imprimieron un pozo de plástico redondo. Los neurocientíficos suelen llenar los pozos de tales matrices con neuronas cultivadas, y puede estudiar su actividad a través de las señales que son detectadas por los electrodos subyacentes del dispositivo.

Para esta demostración, el grupo demostró que podían replicar los diseños complejos de tales matrices utilizando impresión 3-D, versus las técnicas tradicionales de litografía, que implican grabar cuidadosamente los metales, como el oro, en patrones prescritos, o máscaras:un proceso que puede tardar días en completar un solo dispositivo.

"Hacemos la misma geometría y resolución de este dispositivo mediante impresión 3D, en menos de una hora, "Dice Yuk." Este proceso puede reemplazar o complementar las técnicas de litografía, como una forma más sencilla y económica de fabricar una variedad de dispositivos neurológicos, Bajo demanda."