Il cervello è uno dei nostri organi più vulnerabili, soffice come il più tenero tofu. impianti cerebrali, d'altra parte, sono tipicamente realizzati in metallo e altri materiali rigidi che nel tempo possono causare infiammazione e accumulo di tessuto cicatriziale.

Gli ingegneri del MIT stanno lavorando allo sviluppo di software, impianti neurali flessibili che possono conformarsi delicatamente ai contorni del cervello e monitorare l'attività per periodi più lunghi, senza aggravare i tessuti circostanti. Tale elettronica flessibile potrebbe essere un'alternativa più morbida agli elettrodi a base di metallo esistenti progettati per monitorare l'attività cerebrale, e può anche essere utile negli impianti cerebrali che stimolano le regioni neurali per alleviare i sintomi dell'epilessia, Morbo di Parkinson, e grave depressione.

Guidato da Xuanhe Zhao, professore di ingegneria meccanica e di ingegneria civile e ambientale, il team di ricerca ha ora sviluppato un modo per stampare in 3D sonde neurali e altri dispositivi elettronici morbidi e flessibili come la gomma.

I dispositivi sono costituiti da un tipo di polimero, o plastica morbida, che è elettricamente conduttivo. Il team ha trasformato questa soluzione polimerica conduttrice normalmente simile a un liquido in una sostanza più simile a un dentifricio viscoso, che potrebbe quindi alimentare attraverso una stampante 3D convenzionale per rendere stabile, schemi elettricamente conduttivi.

Il team ha stampato diversi dispositivi elettronici morbidi, compreso un piccolo, elettrodo gommoso, che hanno impiantato nel cervello di un topo. Poiché il mouse si muoveva liberamente in un ambiente controllato, la sonda neurale è stata in grado di rilevare l'attività di un singolo neurone. Il monitoraggio di questa attività può fornire agli scienziati un'immagine a più alta risoluzione dell'attività del cervello, e può aiutare a personalizzare le terapie e gli impianti cerebrali a lungo termine per una varietà di disturbi neurologici.

"Speriamo, dimostrando questa prova di concetto, le persone possono utilizzare questa tecnologia per creare dispositivi diversi, rapidamente, " dice Hyunwoo Yuk, uno studente laureato nel gruppo di Zhao al MIT. "Possono cambiare il design, eseguire il codice di stampa, e generare un nuovo design in 30 minuti. Speriamo che questo semplificherà lo sviluppo delle interfacce neurali, completamente realizzato con materiali morbidi."

Yuk e Zhao hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura . I loro coautori includono Baoyang Lu e Jingkun Xu della Jiangxi Science and Technology Normal University, insieme a Shen Lin e Jianhong Luo della Scuola di Medicina dell'Università di Zheijiang.

Dall'acqua saponata al dentifricio

I polimeri conduttori sono una classe di materiali che gli scienziati hanno esplorato con entusiasmo negli ultimi anni per la loro combinazione unica di flessibilità simile alla plastica e conduttività elettrica simile al metallo. I polimeri conduttori sono usati commercialmente come rivestimenti antistatici, in quanto possono rimuovere efficacemente le cariche elettrostatiche che si accumulano sull'elettronica e su altre superfici soggette a elettricità statica.

"Queste soluzioni polimeriche sono facili da spruzzare su dispositivi elettrici come touchscreen, " Yuk dice. "Ma la forma liquida è principalmente per rivestimenti omogenei, ed è difficile usarlo per qualsiasi bidimensionale, modelli ad alta risoluzione. In 3-D, è impossibile."

Yuk e i suoi colleghi hanno pensato che se potessero sviluppare un polimero conduttore stampabile, potrebbero quindi utilizzare il materiale per stampare una serie di morbidi, dispositivi elettronici con motivi complessi, come circuiti flessibili, ed elettrodi a singolo neurone.

Nel loro nuovo studio, il rapporto di squadra modificando poli (3, 4-etilendiossitiofene) polistirene solfonato, o PEDOT:PSS, un polimero conduttore tipicamente fornito sotto forma di inchiostro, liquido blu scuro. Il liquido è una miscela di acqua e nanofibre di PEDOT:PSS. Il liquido ottiene la sua conduttività da queste nanofibre, quale, quando entrano in contatto, agire come una sorta di tunnel attraverso il quale può fluire qualsiasi carica elettrica.

Se i ricercatori dovessero alimentare questo polimero in una stampante 3D nella sua forma liquida, sanguinerebbe semplicemente attraverso la superficie sottostante. Quindi il team ha cercato un modo per addensare il polimero mantenendo la conduttività elettrica intrinseca del materiale.

Prima hanno liofilizzato il materiale, rimuovendo il liquido e lasciando una matrice secca, o spugna, di nanofibre. Lasciato solo, queste nanofibre diventerebbero fragili e si spezzerebbero. Quindi i ricercatori hanno poi rimescolato le nanofibre con una soluzione di acqua e un solvente organico, che avevano precedentemente sviluppato, per formare un idrogel, una sostanza a base d'acqua, materiale gommoso incorporato con nanofibre.

Hanno realizzato idrogel con varie concentrazioni di nanofibre, e ha scoperto che una gamma tra il 5 e l'8% in peso di nanofibre produceva un materiale simile al dentifricio che era sia elettricamente conduttivo che adatto per essere inserito in una stampante 3D.

"Inizialmente, è come l'acqua saponata, " dice Zhao. "Condensiamo le nanofibre e le rendiamo viscose come il dentifricio, così possiamo spremerlo come un denso, liquido stampabile."

Impianti su richiesta

I ricercatori hanno inserito il nuovo polimero conduttore in una stampante 3D convenzionale e hanno scoperto che potevano produrre modelli intricati che rimanevano stabili ed elettricamente conduttivi.

A riprova del concetto, hanno stampato un piccolo, elettrodo gommoso, delle dimensioni di un pezzo di coriandoli. L'elettrodo è costituito da uno strato di materiale flessibile, polimero trasparente, su cui hanno poi stampato il polimero conduttore, nel sottile, linee parallele che convergevano in una punta, misura circa 10 micron di larghezza, abbastanza piccolo da captare segnali elettrici da un singolo neurone.

Il team ha impiantato l'elettrodo nel cervello di un topo e ha scoperto che poteva raccogliere segnali elettrici da un singolo neurone.

"Tradizionalmente, gli elettrodi sono fili metallici rigidi, e una volta che ci sono vibrazioni, questi elettrodi metallici potrebbero danneggiare i tessuti, " Dice Zhao. "Abbiamo mostrato ora che potresti inserire una sonda gel invece di un ago."

In linea di principio, così morbido, gli elettrodi a base di idrogel potrebbero anche essere più sensibili degli elettrodi metallici convenzionali. Questo perché la maggior parte degli elettrodi metallici conducono elettricità sotto forma di elettroni, mentre i neuroni nel cervello producono segnali elettrici sotto forma di ioni. Qualsiasi corrente ionica prodotta dal cervello deve essere convertita in un segnale elettrico che un elettrodo metallico può registrare, una conversione che può comportare la perdita di parte del segnale durante la traduzione. Cosa c'è di più, gli ioni possono interagire solo con un elettrodo metallico sulla sua superficie, che può limitare la concentrazione di ioni che l'elettrodo può rilevare in un dato momento.

In contrasto, l'elettrodo morbido del team è realizzato con nanofibre conduttrici di elettroni, incorporato in un idrogel, un materiale a base d'acqua attraverso il quale gli ioni possono passare liberamente.

"La bellezza di un idrogel polimerico conduttore è, oltre alle sue proprietà meccaniche morbide, è fatto di idrogel, che è ionicamente conduttivo, e anche una spugna porosa di nanofibre, da cui gli ioni possono fluire dentro e fuori, " dice Lu. "Poiché l'intero volume dell'elettrodo è attivo, la sua sensibilità è aumentata."

Oltre alla sonda neurale, il team ha anche fabbricato un array multielettrodi, un piccolo, Post-it quadrato di plastica, stampato con elettrodi molto sottili, su cui i ricercatori hanno anche stampato un pozzo di plastica rotondo. I neuroscienziati in genere riempiono i pozzetti di tali array con neuroni in coltura, e possono studiare la loro attività attraverso i segnali che vengono rilevati dagli elettrodi sottostanti del dispositivo.

Per questa dimostrazione, il gruppo ha dimostrato di poter replicare i progetti complessi di tali array utilizzando la stampa 3D, rispetto alle tradizionali tecniche di litografia, che comportano un'accurata incisione dei metalli, come l'oro, in schemi prescritti, o maschere, un processo che può richiedere giorni per completare un singolo dispositivo.

"Facciamo la stessa geometria e risoluzione di questo dispositivo utilizzando la stampa 3D, in meno di un'ora, " Yuk dice. "Questo processo può sostituire o integrare le tecniche di litografia, come un modo più semplice ed economico per realizzare una varietà di dispositivi neurologici, su richiesta."