El cerebro es uno de nuestros órganos más vulnerables, tan blando como el tofu más blando. 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 neurales suaves y flexibles que pueden ajustarse suavemente a los contornos del cerebro y monitorear la actividad durante períodos más largos, sin agravar el tejido circundante. Tales componentes electrónicos flexibles podrían ser alternativas más suaves a los electrodos existentes basados en metal diseñados para monitorear el cerebroactividad, y también puede ser útil en implantes cerebrales que estimulan las regiones neurales para aliviar los síntomas de epilepsia, enfermedad de Parkinson y depresión severa.
Dirigido por Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería mecánica y de 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 como el caucho.
Los dispositivos están hechos de un tipo de polímero, o plástico blando, que es eléctricamente conductor. El equipo transformó esta solución de polímero conductor normalmente líquido en una sustancia más parecida a una pasta de dientes viscosa, que luego podrían alimentar a través de un 3D convencionalimpresora para hacer patrones estables, 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 detectar la actividad de unneurona única. El monitoreo de esta actividad puede brindar a los científicos una imagen de mayor resolución de la actividad del cerebro, 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 hacer diferentes dispositivos, rápidamente", dice Hyunwoo Yuk, un estudiante graduado 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. Esperemos que esto agilice el desarrollo de interfaces neuronales, totalmente hechas de materiales blandos ".
Yuk y Zhao han publicado sus resultados 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, junto con Shen Lin y Jianhong Luo de la Facultad de Medicina de la Universidad de Zheijiang.
De agua jabonosa a pasta de dientes
Los polímeros conductores son una clase de materiales que los científicos han explorado ansiosamente en los últimos años por su combinación única de flexibilidad plástica y conductividad eléctrica similar a la del metal. Los polímeros conductores se utilizan comercialmente como recubrimientos antiestáticos, ya que pueden eliminar eficazmente cualquier electrostáticacargas que se acumulan en la electrónica y otras superficies propensas a la electricidad estática.
"Estas soluciones de polímeros son fáciles de rociar en dispositivos eléctricos como pantallas táctiles", dice Yuk. "Pero la forma líquida es principalmente para recubrimientos homogéneos, y es difícil de usar para cualquier diseño bidimensional de alta resolución. En 3D, es imposible."
Yuk y sus colegas razonaron que si pudieran desarrollar un polímero conductor imprimible, podrían usar el material para imprimir una gran cantidad de dispositivos electrónicos blandos e intrincadamente diseñados, como circuitos flexibles y electrodos de neurona única.
En su nuevo estudio, el equipo informa que modifica el poli 3,4-etilendioxitiofeno sulfonato de poliestireno o PEDOT: PSS, un polímero conductor que se suministra típicamente en forma de un líquido azul oscuro. El líquido es una mezcla deagua 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 tuvieran que alimentar este polímero en una impresora 3D en su forma líquida, simplemente sangraría a través de la superficie subyacente. Por lo tanto, el equipo buscó una forma de espesar el polímero mientras retiene la conductividad eléctrica inherente del material.
Primero liofilizaron el material, removieron el líquido y dejaron una matriz seca, o una esponja, de nanofibras. Si se dejaran en paz, estas nanofibras se volverían quebradizas y se agrietarían. Entonces los investigadores mezclaron las nanofibras con una solución de agua yun solvente orgánico, que habían desarrollado previamente, para formar un hidrogel, un material gomoso a base de agua incrustado con nanofibras.
Hicieron hidrogeles con varias concentraciones de nanofibras, y descubrieron que un rango entre 5 y 8 por ciento en peso de nanofibras producía un material similar a la pasta de dientes que era eléctricamente conductor y adecuado para alimentar a una impresora 3D.
"Inicialmente, 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 demanda
Los investigadores introdujeron el nuevo polímero conductor en una impresora 3D convencional y descubrieron que podían producir patrones intrincados 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 forma delgada, paralelalíneas que convergen en una punta, que mide aproximadamente 10 micras de ancho, lo suficientemente pequeña como para captar señales eléctricas de una sola neurona
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 de metal rígidos, y una vez que hay vibraciones, estos electrodos de metal podrían dañar el tejido", dice Zhao. "Hemos demostrado que ahora puede insertar una sonda de gel en lugar de una aguja".
En principio, estos electrodos suaves 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 en el cerebro producen señales eléctricas en forma de iones.La corriente iónica producida por el cerebro debe convertirse en una señal eléctrica que un electrodo de metal puede registrar, una conversión que puede provocar que una parte de la señal se pierda en la traducción. Además, los iones solo pueden interactuar con un electrodo de metal ensu superficie, que puede limitar la concentración de iones que el electrodo puede detectar en cualquier momento.
En contraste, el electrodo blando del equipo está hecho de nanofibras conductoras de electrones, 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 iónicamente conductor, y también una esponja porosa de nanofibras, de la cual los iones pueden entrar y salir,"Lu dice: "Debido a que todo el volumen del electrodo está activo, su sensibilidad aumenta".
Además de la sonda neural, el equipo también fabricó una matriz multielectrodo: un pequeño cuadrado de plástico de tamaño Post-it, impreso con electrodos muy delgados, sobre el cual los investigadores también imprimieron un pozo redondo de plástico. Los neurocientíficos suelen llenarlos pozos de tales matrices con neuronas cultivadas, y pueden estudiar su actividad a través de las señales que son detectadas por los electrodos subyacentes del dispositivo.
Para esta demostración, el grupo demostró que podían replicar los diseños complejos de tales matrices usando la impresión 3D, en comparación con las técnicas de litografía tradicionales, que implican grabar cuidadosamente metales, como el oro, en patrones prescritos o máscaras, un proceso que puede tomardías para completar un solo dispositivo.
"Hacemos la misma geometría y resolución de este dispositivo usando la impresión 3D, en menos de una hora", dice Yuk. "Este proceso puede reemplazar o complementar las técnicas de litografía, como una forma más simple y económica de hacer una variedad de dispositivos neurológicos, Bajo demanda."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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