眾所周知，大腦是我們最脆弱的器官之一，就如同最柔軟的豆腐。但是，大腦植入物通常由金屬和其他剛性材料制成，隨著時間的流逝會導致炎癥和疤痕組織的積聚。有沒有更好的替代材料呢？日前，MIT趙選賀教授團隊開發(fā)出一種3D打印神經探針和其他電子設備的方法，而且它們像橡膠一樣柔軟靈活。研究成果已發(fā)表在Nature Communications上，題為“3D printing of conducting polymers”。

這項研究工作由麻省理工學院機械工程系、江西科技師范大學柔性電子創(chuàng)新研究院和浙江大學神經科學研究所合作完成。MIT博士生Hyunwoo Yuk和江西科技師范大學盧寶陽教授為論文共同第一作者，浙江大學神經科學研究所林燊博士、羅建紅校長以及江西科技師范大學屈凱同學、徐景坤校長為論文共同作者，MIT終身教授趙選賀為通訊作者。

發(fā)明導電聚合物墨水，首次實現導電聚合物的高精度3D打印

趙選賀教授團隊打印出的這些設備由一種導電的聚合物墨水制成。研究小組將這種類似于液體的導電聚合物溶液轉化成一種更像粘性牙膏的物質，然后放入3D打印機中，打印出穩(wěn)定的導電圖案。

研究小組打印了幾種軟電子設備，包括一個小的柔軟電極，并將它們植入小鼠的大腦中。當小鼠在一個可控的環(huán)境中自由移動時，神經探針能夠捕捉到單個神經元的活動。監(jiān)測這種活動可以給科學家提供更高分辨率的大腦活動圖像，并可以幫助制定治療方案和長期大腦植入物，以應對各種神經系統(tǒng)疾病。

“我們希望通過演示，人們可以使用這種技術快速制造出不同的設備，”MIT博士生Hyunwoo Yuk說：“可以更改設計、運行打印代碼并在30分鐘內生成新的設計。希望這將簡化神經接口的開發(fā)，完全由軟材料制成?！?/p>

“從肥皂水到牙膏”，打印材料揭秘

導電聚合物是近年來科學家熱切探索的一類材料，因為它們具有類似塑料的柔韌性和類似金屬的電導率。導電聚合物在商業(yè)上用作抗靜電涂層，因為它們可以有效地帶走電子產品和其他易產生靜電的表面上積聚的靜電荷。

“這些聚合物解決方案易于噴涂在觸摸屏等電子設備上，”Yuk說：“但是液體形式主要用于均質涂層，很難將其用于任何二維、高分辨率的圖案中。在3D世界里，這是不可能的?！?/p>

Yuk和他的同事認為，如果他們能夠開發(fā)出一種可打印的導電聚合物，那么他們就可以利用這種材料打印出大量軟的、復雜圖案的電子設備，比如柔性電路和單神經元電極。

在他們的新研究中，研究小組報告了一種改良的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS），這是一種導電聚合物，通常是類似于墨水的深藍色液體。這種液體是水和PEDOT: PSS納米纖維的混合物。液體的導電性來自這些納米纖維，當它們接觸時，就像一個隧道，任何電荷都可以通過它們流動。

如果將這種聚合物以液態(tài)形式送入3D打印機中，它只會在下層表面滲出。因此，該團隊尋求一種在保持材料固有的導電性的同時增稠聚合物的方法。

圖1：3D可打印導電聚合物油墨的設計

他們首先對材料進行冷凍干燥，去除液體，留下干燥的納米纖維基質或海綿。如果不采取措施，這些納米纖維會變得脆弱和破裂。因此，研究人員將納米纖維與他們先前開發(fā)的水溶液和有機溶劑混合，形成了水凝膠——一種嵌有納米纖維的水基柔軟材料。

他們制造了具有不同濃度的納米纖維的水凝膠，發(fā)現納米纖維的重量百分比介于5％-8％之間時，可以制造出一種類似牙膏的材料，這種材料既可以導電，又適合送入3D打印機。

圖2：導電聚合物的3D打印

“起初，它就像肥皂水，”趙選賀教授說：“我們濃縮納米纖維，讓它像牙膏一樣粘稠，這樣我們就可以把它擠出來，成為一種濃稠的、可打印的液體?！?/p>

圖3：3D打印導電聚合物的性能

打印柔軟電極植入小鼠大腦，成功監(jiān)測單個神經元活動信號研究人員將這種新型導電聚合物注入常規(guī)的3D打印機中，發(fā)現它們可以產生復雜的圖案，保持穩(wěn)定并具有導電性。

作為概念驗證，他們打印了一個小的柔軟電極，大約有一片五彩紙屑那么大。這種電極由一層柔韌的透明聚合物構成，然后在它的上面打印出導電聚合物，這些導電聚合物以細細的平行線匯聚在一個尖端，寬度約10微米，小到足以從單個神經元接收電信號。

研究小組將電極植入小鼠的大腦，發(fā)現它可以接收來自單個神經元的電信號。

圖4：導電高分子設備的3D打印

“傳統(tǒng)上，電極是剛性的金屬線，一旦發(fā)生振動，這些金屬電極就會損傷組織，”趙選賀教授說?！拔覀儸F在已經證明，你可以用凝膠探針代替針頭?！?/p>

原則上，這種柔軟的、基于水凝膠的電極甚至可能比傳統(tǒng)的金屬電極更靈敏。這是因為大多數金屬電極以電子形式傳導電，而大腦中的神經元則以離子形式產生電信號。大腦產生的任何離子電流都需要轉換成金屬電極可以記錄的電信號，這種轉換可能會導致部分信號在轉換過程中丟失。此外，離子只能與表面的金屬電極相互作用，這就限制了電極在任何特定時間能夠檢測到的離子濃度。

研究小組還打印了軟性多電極陣列，可以用來監(jiān)測單個神經元活動

相比之下，研究小組的軟電極是由導電納米纖維制成的，納米纖維嵌入水凝膠中，水凝膠是一種水基材料，離子可以自由通過。

“導電聚合物水凝膠的美妙之處在于，除了其柔軟的機械性能之外，它還由水凝膠(離子導電)和納米纖維多孔海綿組成，離子可以進出這些海綿，” 盧寶陽教授說：“由于電極的整個體積是活動的，因此靈敏度得到了提高?！?/p>