麻省理工学院研究人员用于神经移植的3D打印软电极

人脑为何如此壮观？

它充满了数十亿个神经元，其震撼力超越了任何计算机的能力，它可以流畅地获取数据，处理数据并采取行动-所有这些都在您思考和移动时借助您的感官和肌肉进行。考虑一天之内发生的所有事情，以及您在持续活动的推动下所做的所有事情，并想象科学家必须花费真正的脑力才能研发出可模仿组织和人体器官的生物相容性材料。

尽管外科植入物已经使用了近六十年，但它们通常是由金属制成，会导致疤痕组织和炎症累积。随着医学领域的发展，科学家一直在寻找改进的方法来制造安全有效的植入物。现在，麻省理工学院的一个团队已经制造出了不仅对人体足够柔软，而且具有足以与人脑相互作用的导电性的植入物。

由机械与土木与环境工程学教授赵选河领导的研究人员正在使用柔软，类似橡胶的导电聚合物进行3D打印，可用于监测神经功能以及刺激患有神经疾病的患者的大脑不同区域帕金森氏症等系统疾病，癫痫，抑郁症等疾病。

其他科学家最近的研究还产生了3D打印的GlioMesh水凝胶，用于治疗稀有和侵袭性脑癌，植入物用于治疗严重的脑损伤，甚至还用于3D打印的小鼠头骨（用于阿尔茨海默氏症研究）。这类渐进式研究旨在为患者提供更好的生活质量，在某些情况下，甚至可以挽救生命。

在这项研究中，研究人员创建了神经探针，其中涉及的所有设备均由导电聚合物制成，该聚合物由液体转化为类似于浓稠牙膏的材料。这允许通过3D打印机进行挤压以及制造导电图案。

这项研究的关键是将典型的液态导电聚合物转变为粘性更高的材料，并能够使用改进的台式系统进行印刷。该材料通常用作喷涂电子设备（如触摸屏）的涂层，但不能轻松地以2D（更不用说3D）打印了。通过将导电材料的纳米纤维-聚（3,4-乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐或PEDOT：PSS-与水和有机溶剂混合，该团队能够制造出可印刷的水凝胶混合物。

在印刷的零件中，有一个由柔性透明聚合物制成的小，五彩纸屑大小的电极，导电聚合物以仅10微米薄的线印刷在其上。然后将设备插入到老鼠的大脑中，当老鼠在其周围移动时，由3D打印的探针监控单个神经元。通过这种类型的测试来收集数据，使科学家能够定制医疗方法并为各种神经系统疾病创建植入物。

由于其柔软的性质，该电极比由硬金属线和针形探针组成的典型电极更适合植入。此外，由于金属电极通过电子导电，因此需要进行转换过程以将神经元产生的离子转换为适当的电信号。相反，3D打印设备的水基性质使离子易于通过。

原则上，这种柔软的，基于水凝胶的电极甚至可能比传统的金属电极更为敏感。这是因为大多数金属电极以电子形式传导电，而大脑中的神经元则以离子形式产生电信号。大脑产生的任何离子电流都需要转换为金属电极可以记录的电信号，这种转换可能导致信号的某些部分失去平移。此外，离子只能在其表面与金属电极相互作用，这会限制电极在任何给定时间可以检测到的离子浓度。

研究人员还生产了由多个电极组成的阵列，这些电极上覆盖有圆形塑料井，以证明制造神经元培养物以使用下方电极研究神经活动的可行性。

“我们希望通过证明这一概念证明，人们可以使用该技术快速制造出不同的设备，”麻省理工学院Zhao小组的研究生Hyunwoo Yuk说。“他们可以在30分钟内更改设计，运行打印代码并生成新设计。希望这将简化完全由软材料制成的神经接口的开发。”