Implantes cerebrales suaves y gomosos para impresión 3D

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El cerebro es uno de nuestros órganos más vulnerables, tan dulce como el tofu más dulce. Los implantes cerebrales, por otro lado, generalmente 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 para desarrollar implantes neuronales suaves y flexibles que puedan ajustarse suavemente a los contornos del cerebro y monitorear la actividad durante períodos más largos de tiempo, sin empeorar el tejido circundante. Tal electrónica flexible podría ser una alternativa más suave a los electrodos a base de metal existentes diseñados para monitorear la actividad cerebral, y también podría ser útil en implantes cerebrales que estimulan las regiones neuronales para aliviar los síntomas de daño cerebral. epilepsia, enfermedad de Parkinson y depresión severa.

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

Los dispositivos están hechos de un tipo de polímero, o plástico flexible, que es eléctricamente conductor. El equipo transformó esta solución polimérica conductora normalmente líquida en una sustancia más parecida a la pasta de dientes viscosa, que luego podrían alimentar a través de una impresora 3D convencional para crear patrones estables y eléctricamente conductores.

El equipo imprimió varios dispositivos electrónicos flexibles, incluido un pequeño electrodo de goma, que implantaron en el cerebro de un ratón. A medida que el ratón se movía libremente en un entorno controlado, la sonda neural pudo detectar la actividad de una sola neurona. El monitoreo de esta actividad puede brindar a los científicos una imagen de mayor resolución de la actividad cerebral y puede ayudar a adaptar las terapias y los implantes cerebrales a largo plazo para una variedad de trastornos neurológicos.

"Esperamos que al demostrar esta prueba de concepto, las personas puedan usar esta tecnología para construir rápidamente diferentes dispositivos", dijo Hyunwoo Yuk, un estudiante graduado del grupo de Zhao en el MIT. "Pueden modificar el diseño, ejecutar el código de impresión y generar un nuevo diseño en 30 minutos". Esperemos que esto agilice el desarrollo de interfaces neuronales, hechas completamente de materiales blandos. "

Yuk y Zhao publicaron sus resultados hoy 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, así como Shen Lin y Jianhong Luo de la Facultad de Medicina de la Universidad de Zheijiang.

El equipo imprimió varios dispositivos electrónicos flexibles, incluido un pequeño electrodo de goma.

Agua jabonosa con pasta de dientes

Los polímeros conductores son una clase de materiales que los científicos han explorado en los últimos años por su combinación única de flexibilidad tipo plástico y conductividad eléctrica tipo metal. Los polímeros conductores se utilizan comercialmente como recubrimientos antiestáticos porque pueden eliminar eficazmente cualquier carga electrostática que se acumule en la electrónica y otras superficies sujetas a electricidad estática.

"Estas soluciones de polímeros son fáciles de rociar en dispositivos eléctricos como pantallas táctiles", dice Yuk. "Pero la forma líquida está destinada principalmente a recubrimientos homogéneos, y es difícil de usar para cualquier patrón bidimensional de alta resolución. En 3D, esto es imposible".

Yuk y sus colegas sintieron que si pudieran desarrollar un polímero conductor imprimible, podrían usar el material para imprimir una multitud de dispositivos electrónicos flexibles con patrones complejos, como circuitos flexibles y electrodos de neuronas individuales.

En su nuevo estudio, el equipo informa una modificación del poli (3,4-etilendioxitiofeno) poliestireno sulfonato, o PEDOT: PSS, un polímero conductor generalmente proporcionado en forma de un líquido de tinta azul. oscuro El líquido es una mezcla de agua y nanofibras PEDOT: PSS. El líquido obtiene su conductividad de estas nanofibras que, 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 en la superficie subyacente. Por lo tanto, el equipo buscó una forma de espesar el polímero mientras conservaba la conductividad eléctrica inherente al material.

Primero liofilizaron el material, removieron el líquido y dejaron una matriz seca o esponja de nanofibras. Dejados solos, estas nanofibras se volverían quebradizas y se agrietarían. Luego, los investigadores remezclaron las nanofibras con una solución de agua y un solvente orgánico, que habían desarrollado previamente, para formar un hidrogel, un material gomoso a base de agua incorporado con nanofibras.

Hicieron hidrogeles con diferentes concentraciones de nanofibras y descubrieron que un rango de 5 a 8% en peso de nanofibras producía un material similar a la pasta de dientes que era eléctricamente conductor y adecuado para su uso. Fuente de alimentación de una impresora 3D.

"Al principio, es como agua jabonosa", dice Zhao. "Condensamos las nanofibras y las hacemos viscosas como pasta de dientes, para que podamos exprimirlas como un líquido espeso e imprimible".

Implantes bajo pedido

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

Como prueba de concepto, imprimieron un pequeño electrodo de goma, aproximadamente del tamaño de una pieza de confeti. El electrodo consiste en una capa de polímero flexible y transparente, sobre el cual imprimieron el polímero conductor, en delgadas líneas paralelas que convergieron en un punto, midiendo aproximadamente 10 micras de ancho, lo suficientemente pequeño como para recoger señales eléctricas de una sola neurona.

Los investigadores del MIT imprimen circuitos flexibles (mostrados aquí) y otros dispositivos eléctricos flexibles utilizando una nueva técnica de impresión 3D y una tinta de polímero conductor.

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 cables metálicos rígidos, y una vez que hay vibraciones, estos electrodos metálicos pueden dañar el tejido", dice Zhao. "Ahora hemos demostrado que puede insertar una sonda de gel en lugar de una aguja".

En principio, estos electrodos flexibles basados ​​en hidrogel pueden incluso ser más sensibles que los electrodos metálicos convencionales. Esto se debe a que la mayoría de los electrodos metálicos conducen la electricidad en forma de electrones, mientras que las neuronas en el cerebro producen señales eléctricas en forma de iones. Cualquier corriente de iones producida por el cerebro debe convertirse en una señal eléctrica que un electrodo de metal pueda grabar, una conversión que puede provocar la pérdida de parte de la señal durante la traducción. Además, los iones solo pueden interactuar con un electrodo de metal en su superficie, lo que puede limitar la concentración de iones que el electrodo puede detectar en cualquier momento.

Por el contrario, el electrodo flexible del equipo está hecho de nanofibras electrónicamente conductoras, incrustadas en un hidrogel, un material a base de agua que los iones pueden atravesar libremente.

"La belleza de un hidrogel de polímero conductor es que, además de sus propiedades mecánicas blandas, está hecho de hidrogel, que es conductor iónico, y también de una esponja porosa de nanofibras, cuyos iones puede entrar y salir ", dice Lu. "Debido a que todo el volumen del electrodo está activo, se mejora su sensibilidad".

Además de la sonda neural, el equipo también fabricó una matriz de electrodos múltiples: un pequeño cuadrado de plástico Post-it, impreso con electrodos muy finos, en el que los investigadores también imprimieron un pozo redondo de plástico. Los neurocientíficos generalmente llenan los pozos de estas redes neuronales cultivadas y pueden estudiar su actividad gracias a las señales detectadas por los electrodos subyacentes del dispositivo.

Para esta demostración, el grupo demostró que podía reproducir los diseños complejos de estas matrices utilizando la impresión 3D, en comparación con las técnicas de litografía tradicionales, que

implica grabar metales cuidadosamente, como el oro, en patrones o máscaras prescritas, un proceso que puede llevar días completar un solo dispositivo.

"Logramos la misma geometría y resolución de este dispositivo utilizando la impresión 3D en menos de una hora", dice Yuk. "Este proceso puede reemplazar o complementar las técnicas de litografía, como una forma más fácil y económica de fabricar una variedad de dispositivos neurológicos, bajo demanda".

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