Hjärnan är ett av våra mest sårbara organ, lika mjuk som den mjukaste tofu. Hjärnimplantat, å andra sidan, är vanligtvis tillverkade av metall och andra styva material som med tiden kan orsaka inflammation och ansamling av ärrvävnad.

MIT -ingenjörer arbetar med att utveckla mjuka, flexibla neurala implantat som försiktigt kan anpassa sig till hjärnans konturer och övervaka aktivitet under längre perioder, utan att förvärra omgivande vävnad. Sådan flexibel elektronik kan vara mjukare alternativ till befintliga metallbaserade elektroder utformade för att övervaka hjärnaktivitet, och kan också vara användbart i hjärnimplantat som stimulerar neurala områden att lindra symtom på epilepsi, Parkinsons sjukdom, och svår depression.

Under ledning av Xuanhe Zhao, professor i maskinteknik och civil- och miljöteknik, forskargruppen har nu utvecklat ett sätt att 3D-skriva ut neurala sonder och andra elektroniska enheter som är lika mjuka och flexibla som gummi.

Enheterna är tillverkade av en typ av polymer, eller mjuk plast, som är elektriskt ledande. Teamet omvandlade denna normalt vätskeformiga ledande polymerlösning till ett ämne som mer liknar viskös tandkräm-som de sedan kunde mata genom en konventionell 3D-skrivare för att göra den stabil, elektriskt ledande mönster.

Teamet skrev ut flera mjuka elektroniska enheter, inklusive en liten, gummiaktig elektrod, som de implanterade i hjärnan hos en mus. När musen rörde sig fritt i en kontrollerad miljö, den neurala sonden kunde hämta aktiviteten från en enda neuron. Att övervaka denna aktivitet kan ge forskare en högre upplöst bild av hjärnans aktivitet, och kan hjälpa till med att skräddarsy terapier och långsiktiga hjärnimplantat för en mängd olika neurologiska störningar.

"Vi hoppas genom att visa detta bevis på koncept, människor kan använda denna teknik för att göra olika enheter, snabbt, "säger Hyunwoo Yuk, en doktorand i Zhaos grupp vid MIT. "De kan ändra designen, kör utskriftskoden, och skapa en ny design på 30 minuter. Förhoppningsvis kommer detta att effektivisera utvecklingen av neurala gränssnitt, helt tillverkad av mjuka material. "

Yuk och Zhao har publicerat sina resultat i tidningen Naturkommunikation . Deras medförfattare inkluderar Baoyang Lu och Jingkun Xu vid Jiangxi Science and Technology Normal University, tillsammans med Shen Lin och Jianhong Luo från Zheijiang University's School of Medicine.

Från tvålvatten till tandkräm

Ledande polymerer är en klass av material som forskare ivrigt har utforskat under de senaste åren för sin unika kombination av plastliknande flexibilitet och metallliknande elektrisk konduktivitet. Ledande polymerer används kommersiellt som antistatiska beläggningar, eftersom de effektivt kan bära bort alla elektrostatiska laddningar som byggs upp på elektronik och andra statiskt utsatta ytor.

"Dessa polymerlösningar är lätta att spraya på elektriska enheter som pekskärmar, "Yuk säger." Men den flytande formen är mestadels för homogena beläggningar, och det är svårt att använda detta för någon tvådimensionell, mönster med hög upplösning. I 3D, det är omöjligt."

Yuk och hans kollegor resonerade att om de kunde utveckla en utskrivbar ledande polymer, de kunde sedan använda materialet för att skriva ut en mängd mjuka, intrikat mönstrade elektroniska enheter, såsom flexibla kretsar, och en-neuronelektroder.

I deras nya studie, teamrapporten modifierande poly (3, 4-etylendioxietiofen) polystyrensulfonat, eller PEDOT:PSS, en ledande polymer som vanligtvis levereras i form av en bläckaktig, mörkblå vätska. Vätskan är en blandning av vatten och nanofibrer av PEDOT:PSS. Vätskan får sin konduktivitet från dessa nanofibrer, som, när de kommer i kontakt, fungerar som en slags tunnel genom vilken någon elektrisk laddning kan strömma.

Om forskarna skulle mata denna polymer till en 3D-skrivare i sin flytande form, det skulle helt enkelt blöda över den underliggande ytan. Så teamet letade efter ett sätt att tjockna polymeren samtidigt som materialets inneboende elektriska konduktivitet bibehölls.

De frystorkade först materialet, ta bort vätskan och lämna efter sig en torr matris, eller svamp, av nanofibrer. Lämnad ensam, dessa nanofibrer skulle bli spröda och spricka. Så forskarna blandade sedan om nanofibrerna med en lösning av vatten och ett organiskt lösningsmedel, som de tidigare hade utvecklat, att bilda en hydrogel-en vattenbaserad, gummiaktigt material inbäddat med nanofibrer.

De tillverkade hydrogeler med olika koncentrationer av nanofibrer, och fann att ett intervall mellan 5 till 8 viktprocent nanofibrer producerade ett tandkrämliknande material som var både elektriskt ledande och lämpligt för matning till en 3D-skrivare.

"Initialt, det är som tvålvatten, "Säger Zhao." Vi kondenserar nanofibrerna och gör det visköst som tandkräm, så vi kan pressa ut den som en tjock, utskrivbar vätska. "

Implantat på begäran

Forskarna matade den nya ledande polymeren till en konventionell 3D-skrivare och fann att de kunde producera invecklade mönster som förblev stabila och elektriskt ledande.

Som ett bevis på konceptet, de skrev ut en liten, gummiaktig elektrod, ungefär lika stor som en bit konfetti. Elektroden består av ett lager av flexibel, transparent polymer, över vilken de sedan tryckte den ledande polymeren, i tunt, parallella linjer som konvergerade vid en spets, mäter cirka 10 mikron bred - tillräckligt liten för att fånga elektriska signaler från en enda neuron.

Teamet implanterade elektroden i hjärnan hos en mus och fann att den kunde ta upp elektriska signaler från en enda neuron.

"Traditionellt, elektroder är stela metalltrådar, och när det väl finns vibrationer, dessa metallelektroder kan skada vävnad, "Säger Zhao." Vi har visat nu att du kan sätta in en gelsond istället för en nål. "

I princip, så mjukt, hydrogelbaserade elektroder kan till och med vara känsligare än konventionella metallelektroder. Det beror på att de flesta metallelektroder leder elektricitet i form av elektroner, medan neuroner i hjärnan producerar elektriska signaler i form av joner. All jonström som produceras av hjärnan måste omvandlas till en elektrisk signal som en metallelektrod kan registrera - en omvandling som kan resultera i att någon del av signalen går vilse i översättning. Vad mer, joner kan bara interagera med en metallelektrod vid dess yta, som kan begränsa koncentrationen av joner som elektroden kan detektera vid varje given tidpunkt.

I kontrast, lagets mjuka elektrod är tillverkad av elektronledande nanofibrer, inbäddad i en hydrogel-ett vattenbaserat material som joner fritt kan passera igenom.

"Skönheten i en ledande polymerhydrogel är, ovanpå dess mjuka mekaniska egenskaper, den är gjord av hydrogel, som är joniskt ledande, och även en porös svamp av nanofibrer, som jonerna kan flöda in och ut ur, "Lu säger." Eftersom elektrodens hela volym är aktiv, dess känslighet förstärks. "

Förutom neuralsonden, teamet tillverkade också en multielektrodgrupp - en liten, Post-it-sized kvadrat av plast, tryckt med mycket tunna elektroder, över vilken forskarna också tryckt en rund plastbrunn. Neurovetenskapare fyller vanligtvis brunnarna i sådana matriser med odlade neuroner, och kan studera deras aktivitet genom de signaler som detekteras av enhetens underliggande elektroder.

För denna demonstration, gruppen visade att de kunde replikera de komplexa konstruktionerna av sådana matriser med 3D-utskrift, kontra traditionella litografi tekniker, som involverar noggrann etsning av metaller, som guld, i föreskrivna mönster, eller masker - en process som kan ta dagar att slutföra en enda enhet.

"Vi gör samma geometri och upplösning för den här enheten med hjälp av 3D-utskrift, på mindre än en timme, "Yuk säger." Denna process kan ersätta eller komplettera litografitekniker, som ett enklare och billigare sätt att göra en mängd olika neurologiska enheter, på begäran."