Perché il cervello umano è spettacolare? Pieno di miliardi di neuroni, è impressionante al di là delle capacità di qualsiasi computer, prendendo fluentemente i dati, elaborandoli e agendo, il tutto con l’assistenza dei tuoi sensi e dei tuoi muscoli, mentre pensi e ti muovi. Considera tutto ciò che accade nella tua mente in un solo giorno, e tutto ciò che fai — alimentato da un’attività continua — e immagina la vera potenza del cervello che gli scienziati devono spendere per trovare materiale biocompatibile in grado di imitare i tessuti e gli organi umani.
Mentre gli impianti chirurgici sono in uso da quasi sessant’anni, sono spesso realizzati in metallo che può causare l’accumulo di tessuto cicatriziale e infiammazione. Man mano che il campo medico si evolve, gli scienziati sono alla continua ricerca di modi migliori per realizzare impianti sicuri ed efficaci. Ora, un team del MIT ha realizzato impianti non solo abbastanza morbidi per il corpo umano, ma abbastanza conduttivi per interagire con il cervello umano.
I ricercatori, guidati dal professore di ingegneria meccanica e civile e ambientale Xuanhe Zhao, stanno stampando in 3D con polimeri morbidi, simili alla gomma e conduttivi che possono essere utilizzati per monitorare la funzione neurale e per stimolare diverse aree del cervello per i pazienti che soffrono di nervi disturbi del sistema come il Parkinson, condizioni come epilessia, depressione e altro.
Recenti ricerche di altri scienziati hanno anche prodotto idrogel GlioMesh stampati in 3D per il trattamento di tumori cerebrali rari e aggressivi, impianti per la guarigione di gravi lesioni cerebrali e persino altri oggetti come i teschi di topo stampati in 3D ai fini della ricerca sull’Alzheimer. Studi progressivi come questi hanno lo scopo di offrire una migliore qualità di vita ai pazienti e, in alcuni casi, possono persino salvare vite umane.
In questo studio, i ricercatori hanno creato sonde neurali, con tutti i dispositivi coinvolti realizzati da polimeri conduttivi convertiti da un liquido in un materiale descritto come simile a un dentifricio denso. Ciò consente l’estrusione tramite una stampante 3D e la fabbricazione di schemi conduttivi.
La chiave della ricerca è stata la conversione del polimero conduttore tipicamente liquido in un materiale più viscoso, in grado di stampare con un sistema desktop modificato. Questo materiale è convenzionalmente usato come rivestimento per dispositivi elettrici spray, come touch screen, ma non può essere facilmente stampato in 2D, per non parlare del 3D. Miscelando nanofibre del materiale conduttore – poli (3,4-etilendioossietofene) polistirene solfonato, o PEDOT: PSS – con acqua e un solvente organico, il team è stato in grado di creare una miscela di idrogel stampabile.
Tra le parti stampate c’era un piccolo elettrodo di dimensioni coriandoli costituito da un polimero flessibile e trasparente su cui il polimero conduttore era stampato in linee sottili solo 10 micron. Il dispositivo è stato quindi inserito nel cervello di un topo, con un singolo neurone monitorato dalla sonda stampata in 3D mentre il mouse si muoveva nei suoi dintorni. La raccolta di dati con questo tipo di test consente agli scienziati di personalizzare i trattamenti medici e creare impianti per una varietà di disturbi neurologici.
Piatti stampati su elettrodi per lo studio delle culture neurali.
Per la sua natura morbida, l’elettrodo è più appropriato per l’impianto rispetto agli elettrodi tipici costituiti da fili metallici rigidi e una sonda ad ago. Inoltre, poiché gli elettrodi metallici conducono l’elettricità attraverso gli elettroni, è necessario un processo di conversione per convertire gli ioni prodotti dai neuroni nel segnale elettrico appropriato. Al contrario, la natura a base acquosa dei dispositivi stampati in 3D consente agli ioni di passare facilmente.
In linea di principio, tali elettrodi morbidi a base di idrogel potrebbero persino essere più sensibili degli elettrodi metallici convenzionali. Questo perché la maggior parte degli elettrodi metallici conducono l’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 far perdere parte del segnale nella traduzione. Inoltre, gli ioni possono interagire solo con un elettrodo metallico sulla sua superficie, il che può limitare la concentrazione di ioni che l’elettrodo può rilevare in qualsiasi momento.
I ricercatori hanno anche prodotto una matrice composta da più elettrodi coperti da un pozzo di plastica rotondo per dimostrare la fattibilità della fabbricazione di colture di neuroni per studiare l’attività neurale usando gli elettrodi sottostanti.
“Speriamo dimostrando questa dimostrazione di concetto, le persone possono utilizzare questa tecnologia per creare dispositivi diversi, rapidamente”, afferma Hyunwoo Yuk, uno studente laureato nel gruppo Zhao al MIT. “Possono modificare il design, eseguire il codice di stampa e generare un nuovo design in 30 minuti. Speriamo che ciò razionalizzi lo sviluppo di interfacce neurali, interamente realizzate con materiali morbidi. “
