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El cerebro es uno de nuestros órganos más vulnerables, tan suave como el tofu más suave. 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 en el desarrollo de implantes neuronales suaves y flexibles que pueden adaptarse suavemente a los contornos del cerebro y monitorear la actividad durante períodos de tiempo más largos, sin agravar el tejido circundante. Dicha electrónica 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 neuronales para aliviar los síntomas del cáncer 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 sondas neuronales y otros dispositivos electrónicos que son tan suaves y flexibles. que el caucho.
Los dispositivos están hechos de un tipo de polímero o plástico flexible que es conductor de electricidad. El equipo convirtió esta solución de polímero conductor normalmente líquido en algo más parecido a una pasta de dientes viscosa, que luego podría alimentar a través de una impresora 3D convencional para crear patrones estables y eléctricamente conductores.
El equipo imprimió varios dispositivos electrónicos blandos, 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 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 cerebral y puede ayudar a adaptar las terapias e implantes cerebrales a largo plazo a una variedad de trastornos neurológicos.
"Esperamos que al demostrar esta prueba de concepto, las personas puedan usar esta tecnología para hacer diferentes dispositivos, rápidamente", dice Hyunwoo Yuk, un 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, hechas completamente de materiales blandos. "
Yuk y Zhao publicaron sus resultados en el periódico hoy. Comunicaciones de la naturaleza. Los coautores incluyen a Baoyang Lu y Jingkun Xu de la Universidad Normal de Ciencia y Tecnología de Jiangxi, así como a Shen Lin y Jianhong Luo de la Facultad de Medicina de la Universidad de Zheijiang.
El equipo imprimió varios componentes electrónicos blandos, incluido un pequeño electrodo de goma.
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 porque pueden eliminar de manera eficiente 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”, explica Yuk. “Pero la forma líquida está destinada principalmente a revestimientos homogéneos, y es difícil utilizarla para patrones bidimensionales de alta resolución. En 3D es imposible. "
Yuk y sus colegas creían que si podían desarrollar un polímero conductor imprimible, podrían usar el material para imprimir una gran cantidad de dispositivos electrónicos complejos y flexibles, como circuitos flexibles y electrodos de neuronas individuales.
En su nuevo estudio, el equipo informa sobre la modificación de poli (3,4-etilendioxitiofeno) poliestireno sulfonato, o PEDOT: PSS, un polímero conductor que normalmente se suministra en forma de tinta líquida. azul oscuro. El líquido es una mezcla de agua y nanofibras de 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 pusieran este polímero en una impresora 3D en su forma líquida, simplemente sangraría sobre la superficie subyacente. Así que el equipo buscó una forma de espesar el polímero sin perder la conductividad eléctrica inherente al material.
Primero liofilizaron el material, eliminaron el líquido y dejaron una matriz seca, o esponja, de nanofibras. Si se las deja solas, estas nanofibras se volverían frágiles y se agrietarían. Luego, los investigadores volvieron a mezclar 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 incrustado con nanofibras.
Hicieron hidrogeles con concentraciones variables de nanofibras y encontraron que un rango de 5-8% en peso de nanofibras producía un material similar a una pasta de dientes que era conductor de electricidad y apto para la piel. alimentando una impresora 3D.
"Al principio, es como agua con jabón", dice Zhao. "Condensamos las nanofibras y las hacemos viscosas como la pasta de dientes, para poder extraerlas como un líquido espeso e imprimible".
Implantes bajo demanda
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, del tamaño de un confeti. El electrodo consta de una capa de polímero transparente y flexible, sobre la cual luego imprimieron el polímero conductor, en delgadas líneas paralelas que convergían en una punta, que miden aproximadamente 10 micrones de ancho, lo suficientemente pequeñas como para recoger señales eléctricas de una sola neurona.
Los investigadores del MIT imprimen circuitos flexibles (en la foto aquí) y otros dispositivos eléctricos flexibles utilizando una nueva técnica de impresión 3D y tinta polimérica conductora.
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 vibración, estos electrodos metálicos pueden dañar el tejido”, explica Zhao. "Ahora hemos demostrado que se puede insertar una sonda de gel en lugar de una aguja".
En principio, estos electrodos flexibles basados en hidrogel podrían 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 del cerebro producen señales eléctricas en forma de iones. Cualquier corriente iónica producida por el cerebro debe convertirse en una señal eléctrica que un electrodo metálico pueda registrar, una conversión que puede resultar en la pérdida de parte de la señal durante la traducción. Además, 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 cualquier momento.
Por el contrario, el electrodo flexible del equipo está hecho de nanofibras conductoras de electrones incrustadas 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, que está hecho de hidrogel, que es iónicamente conductor, y también de una esponja de nanofibras porosas, en la que pueden asentarse los iones. 39; fluyen hacia adentro y hacia afuera ”, dice Lu. "Con todo el volumen del electrodo activo, se mejora su sensibilidad".
Además de la sonda neural, el equipo también hizo una matriz de electrodos múltiples: un pequeño cuadrado de plástico del tamaño de un Post-it, impreso con electrodos muy delgados, que los investigadores también imprimieron en un pozo de plástico redondo. Los neurocientíficos suelen llenar los pozos de estas redes neuronales cultivadas y pueden estudiar su actividad utilizando señales detectadas por los electrodos subyacentes del dispositivo.
Para esta demostración, el grupo demostró que podían reproducir los intrincados diseños de tales pinturas utilizando impresión 3D, en comparación con las técnicas tradicionales de litografía, que
implica grabar cuidadosamente metales, como el oro, en patrones o máscaras prescritos, un proceso que puede llevar días para completar un solo dispositivo.
"Estamos fabricando la misma geometría y resolución de este dispositivo utilizando impresión 3D, en menos de una hora", explica Yuk. "Este proceso puede reemplazar o complementar las técnicas de litografía, como una forma más simple y menos costosa de fabricar una variedad de dispositivos neurológicos, bajo demanda".
