GLI INGEGNERI DEL MIT UTILIZZANO POLIMERI CONDUTTORI PER STAMPARE IN 3D IMPIANTI CEREBRALI MORBIDI E FLESSIBILI
Ricercatori e ingegneri del Massachusetts Institute of Technology (MIT) utilizzano la stampa 3D per sviluppare elettrodi cerebrali morbidi e flessibili utilizzando un materiale liquido polimerico conduttivo.
Effettuando ricerche sulla stampa 3D di polimeri conduttori, gli ingegneri del MIT stanno lavorando allo sviluppo di impianti neurali morbidi che si conformano ai contorni del cervello e monitorano l’attività per periodi più lunghi, senza aggravare il tessuto circostante.
Le protesi cerebrali, in genere realizzate in metallo, possono causare infiammazione e accumulo di tessuto cicatriziale. L’uso dell’elettronica polimerica flessibile stampata in 3D può potenzialmente fornire un’alternativa più morbida, più sicura e più veloce agli elettrodi a base di metallo esistenti progettati per monitorare l’attività cerebrale. Pertanto, la ricerca potrebbe anche essere utile per lo sviluppo di impianti cerebrali che stimolano le regioni neurali per alleviare i sintomi di epilessia, morbo di Parkinson e depressione grave.
Nello studio recentemente pubblicato, il team di ricerca del MIT, guidato da Xuanhe Zhao, professore di ingegneria meccanica e ingegneria civile e ambientale, delinea un metodo di stampa 3D di sonde neurali e altri dispositivi elettronici morbidi e flessibili come la gomma. La ricerca è incentrata sulla conduzione di polimeri, che sono una classe di polimeri con conducibilità elettrica intrinseca. Sono utilizzati commercialmente come rivestimenti antistatici, in quanto possono trasportare efficacemente eventuali cariche elettrostatiche che si accumulano sull’elettronica e su altre superfici soggette a staticità.
“Queste soluzioni polimeriche sono facili da spruzzare su dispositivi elettrici come touchscreen”, commenta Hyunwoo Yuk, uno studente laureato nel gruppo di Zhao al MIT. “Ma la forma liquida è principalmente per rivestimenti omogenei, ed è difficile usarlo per qualsiasi modello bidimensionale ad alta risoluzione. In 3D, è impossibile. “
Nel documento, i ricercatori introducono una soluzione di inchiostro polimerico conduttivo stampabile in 3D a base di polistirene solfonato di poli (3,4-etilendioossietofene) (PEDOT: PSS). Normalmente una soluzione polimerica conduttiva simile al liquido, contiene nanofibre che forniscono le proprietà conduttive del materiale. Il team del MIT ha trasformato la sostanza in un materiale più spesso più simile al “dentifricio viscoso” per renderlo stampabile in 3D, pur mantenendo la conduttività elettrica intrinseca del materiale.
Il processo di rendere PEDOT: la soluzione PSS compatibile con la stampa 3D prevedeva il liofilizzazione del materiale, la rimozione del liquido e il rilascio di una matrice secca di nanofibre. Queste nanofibre sono state quindi miscelate con una soluzione di acqua e un solvente organico, che avevano precedentemente sviluppato, per formare un idrogel incorporato con nanofibre. Sperimentando con diverse formazioni di idrogel, i ricercatori hanno scoperto che un intervallo compreso tra il 5 e l’8% in peso di nanofibre produceva un materiale simile al dentifricio che era elettricamente conduttivo e adatto per l’alimentazione in una stampante 3D.
“Inizialmente, è come l’acqua saponata”, afferma Zhao. “Condensiamo le nanofibre e le rendiamo viscose come il dentifricio, in modo da poterle spremere come un liquido denso e stampabile.”
Alimentando il nuovo polimero conduttore più spesso in una stampante 3D, i ricercatori sono stati in grado di fabbricare modelli stabili, elettricamente conduttivi. Come tale, il team ha usato la soluzione PEDOT: PSS per creare diversi dispositivi polimerici conduttori, tra cui un elettrodo morbido e gommoso, che hanno impiantato nel cervello di un topo, come prova del concetto.
“Speriamo dimostrando questa dimostrazione di concetto, le persone possono utilizzare questa tecnologia per creare dispositivi diversi, rapidamente”, aggiunge Yuk.
“POSSONO MODIFICARE IL DESIGN, ESEGUIRE IL CODICE DI STAMPA E GENERARE UN NUOVO DESIGN IN 30 MINUTI. SPERO CHE CIÒ RAZIONALIZZI LO SVILUPPO DI INTERFACCE NEURALI, INTERAMENTE REALIZZATE CON MATERIALI MORBIDI. “
Il piccolo elettrodo consisteva in uno strato di polimero flessibile e trasparente, sul quale il team del MIT ha stampato in 3D il PEDOT: materiale PSS, in sottili linee parallele che convergono su una punta, misurando circa 10 micron di larghezza. Le sue dimensioni garantivano la capacità dell’elettrodo di captare segnali elettrici da un singolo neurone, le cellule che trasmettono informazioni nel cervello usando impulsi elettrici. Dai test, i ricercatori hanno scoperto che l’elettrodo impiantato era effettivamente in grado di rilevare segnali elettrici da un singolo neurone all’interno del cervello del mouse mentre si muoveva liberamente in un ambiente controllato.
Gli impianti neurali standard utilizzano elettrodi metallici per stimolare e monitorare parti e strutture del sistema nervoso. Ciò può fornire agli scienziati un quadro ad alta risoluzione dell’attività del cervello e può aiutare a personalizzare terapie e impianti cerebrali a lungo termine per una varietà di disturbi neurologici, come il morbo di Parkinson.
Oltre a causare potenzialmente danni al tessuto cerebrale in caso di vibrazioni, in linea di principio gli elettrodi metallici sono meno sensibili ai segnali elettrici nel cervello rispetto agli elettrodi a base di idrogel. Questo perché gli elettrodi metallici conducono l’elettricità sotto forma di elettroni, mentre i neuroni nel cervello producono segnali elettrici sotto forma di ioni, il che significa che le correnti ioniche richiedono la conversione prima di poter essere registrate da un elettrodo metallico. Ciò può potenzialmente causare la perdita di una parte del segnale durante la traduzione. Al contrario, l’elettrodo morbido stampato in 3D è realizzato con nanofibre che conducono elettroni, incorporate in un idrogel – un materiale a base d’acqua attraverso il quale gli ioni possono passare liberamente.
“La bellezza di un idrogel polimerico conduttore è, oltre alle sue morbide proprietà meccaniche, è fatta di idrogel, che è ionicamente conduttivo, e anche una spugna porosa di nanofibre, in cui gli ioni possono fluire dentro e fuori”, commenta Baoyang Lu, coautore dello studio. “Poiché l’intero volume dell’elettrodo è attivo, la sua sensibilità è migliorata.”
Sebbene unico nel suo uso di polimeri conduttivi, il team di ricerca del MIT guidato da Zhao non è il primo a utilizzare la stampa 3D per creare impianti neurali.
Precedentemente nel 2019, i ricercatori della Carnegie Mellon University hanno presentato uno studio che utilizza la stampa di nanoparticelle 3D per creare sonde neurali ad alta densità per registrare dati neurologici. Il progetto ha ricevuto una sovvenzione di $ 1,95 milioni dal National Institutes of Health (NIH).
Due mesi dopo, Qrons , una start-up biotecnologica con sede a New York, ha annunciato un accordo di licenza di proprietà intellettuale (IP) con il Dartmouth College , nel New Hampshire, per sviluppare impianti 3D stampabili per il trattamento di lesioni cerebrali penetranti o traumatiche (TBI).
Lo studio del MIT, ” Stampa 3D di polimeri conduttori ” è scritto da Hyunwoo Yuk, Baoyang Lu, Shen Lin, Kai Qu, Jingkun Xu, Jianhong Luo e Xuanhe Zgao. È pubblicato su Nature Communications.
