Tecnologia Científica

Engenheiros imprimem implantes cerebrais macios e emborrachados em 3D
Liderada por Xuanhe Zhao, professor de engenharia mecânica e engenharia civil e ambiental, a equipe de pesquisa agora desenvolveu uma maneira de imprimir sondas neurais de impressão em 3D e outros dispositivos eletrônicos tão macios e flexíveis
Por Mit - 30/03/2020

O cérebro é um dos nossos órgãos mais vulneráveis, tão macio quanto o tofu mais macio. Os implantes cerebrais, por outro lado, são tipicamente feitos de metal e outros materiais rígidos que, com o tempo, podem causar inflamação e acúmulo de tecido cicatricial.

Os engenheiros do MIT estão trabalhando no desenvolvimento de implantes neurais macios e flexíveis que podem se ajustar suavemente aos contornos do cérebro e monitorar a atividade por períodos mais longos, sem agravar o tecido circundante. Tais eletrônicos flexíveis podem ser alternativas mais suaves aos eletrodos existentes baseados em metal projetados para monitorar a atividade cerebral, e também podem ser úteis em implantes cerebrais que estimulam regiões neurais para aliviar os sintomas de epilepsia, doença de Parkinson e depressão grave.

Liderada por Xuanhe Zhao, professor de engenharia mecânica e engenharia civil e ambiental, a equipe de pesquisa agora desenvolveu uma maneira de imprimir sondas neurais de impressão em 3D e outros dispositivos eletrônicos tão macios e flexíveis quanto a borracha.

Os dispositivos são feitos de um tipo de polímero ou plástico macio que é eletricamente condutor. A equipe transformou essa solução de polímero condutor normalmente líquido em uma substância mais parecida com pasta de dente viscosa - que eles poderiam alimentar através de uma impressora 3D convencional para criar padrões estáveis ​​e eletricamente condutores.

Eletrodos macios impressos em 3D. (Imagem:
Cortesia dos pesquisadores)

A equipe imprimiu vários dispositivos eletrônicos flexíveis, incluindo um eletrodo pequeno de borracha, que eles implantaram no cérebro de um mouse. À medida que o mouse se movia livremente em um ambiente controlado, a sonda neural conseguiu captar a atividade de um único neurônio. O monitoramento dessa atividade pode fornecer aos cientistas uma imagem de alta resolução da atividade do cérebro e ajudar na adaptação de terapias e implantes cerebrais de longo prazo para uma variedade de distúrbios neurológicos.

"Esperamos que, demonstrando essa prova de conceito, as pessoas possam usar essa tecnologia para criar dispositivos diferentes, rapidamente", diz Hyunwoo Yuk, estudante de graduação do grupo de Zhao no MIT. "Eles podem mudar o design, executar o código de impressão e gerar um novo design em 30 minutos. Espero que isso otimize o desenvolvimento de interfaces neurais, totalmente feitas de materiais macios".
Yuk e Zhao publicaram seus resultados na revista Nature Communications ( "impressão 3D de polímeros condutores" ). Seus co-autores incluem Baoyang Lu e Jingkun Xu da Universidade Normal de Ciência e Tecnologia de Jiangxi, junto com Shen Lin e Jianhong Luo da Faculdade de Medicina da Universidade de Zheijiang.

Da água do sabão à pasta de dente

Os polímeros condutores são uma classe de materiais que os cientistas exploraram ansiosamente nos últimos anos por sua combinação única de flexibilidade semelhante a plástico e condutividade elétrica semelhante a metal. Os polímeros condutores são usados ​​comercialmente como revestimentos antiestáticos, pois podem efetivamente transportar quaisquer cargas eletrostáticas que se acumulam nos componentes eletrônicos e em outras superfícies propensas a estática.

"Essas soluções de polímero são fáceis de pulverizar em dispositivos elétricos como telas sensíveis ao toque", diz Yuk. "Mas a forma líquida é principalmente para revestimentos homogêneos, e é difícil usá-la para qualquer padrão bidimensional e de alta resolução. Em 3D, é impossível."

Yuk e seus colegas argumentaram que, se pudessem desenvolver um polímero condutor imprimível, poderiam usar o material para imprimir uma série de dispositivos eletrônicos macios e intricadamente padronizados, como circuitos flexíveis e eletrodos de neurônio único.

Em seu novo estudo, a equipe relatou modificar o sulfonato de poli (3,4-etilenodioxitiofeno) poliestireno, ou PEDOT: PSS, um polímero condutor tipicamente fornecido na forma de um líquido azul-escuro com tinta. O líquido é uma mistura de água e nanofibras de PEDOT: PSS. O líquido obtém sua condutividade com essas nanofibras, que, quando entram em contato, agem como uma espécie de túnel através do qual qualquer carga elétrica pode fluir.

Se os pesquisadores alimentassem esse polímero em uma impressora 3D em sua forma líquida, ele simplesmente sangraria pela superfície subjacente. Portanto, a equipe procurou uma maneira de engrossar o polímero, mantendo a condutividade elétrica inerente ao material.

Eles primeiro liofilizaram o material, removendo o líquido e deixando para trás uma matriz seca, ou esponja, de nanofibras. Deixadas sozinhas, essas nanofibras se tornariam quebradiças e quebradiças. Então, os pesquisadores remixaram as nanofibras com uma solução de água e um solvente orgânico, que eles haviam desenvolvido anteriormente, para formar um hidrogel - um material emborrachado à base de água embebido em nanofibras.

Eles fizeram hidrogéis com várias concentrações de nanofibras e descobriram que uma faixa entre 5 a 8% em peso de nanofibras produzia um material parecido com pasta de dente que era eletricamente condutor e adequado para alimentar uma impressora 3D.
"Inicialmente, é como água com sabão", diz Zhao. "Condensamos as nanofibras e as tornamos viscosas como pasta de dente, para que possamos espremer como um líquido espesso e imprimível".

Implantes sob demanda

Os pesquisadores alimentaram o novo polímero condutor em uma impressora 3D convencional e descobriram que eles podiam produzir padrões intricados que permaneciam estáveis ​​e eletricamente condutivos.

Como prova de conceito, eles imprimiram um eletrodo pequeno de borracha, do tamanho de um pedaço de confete. O eletrodo consiste em uma camada de polímero flexível e transparente, sobre o qual eles imprimiram o polímero condutor, em finas linhas paralelas que convergiam em uma ponta, medindo cerca de 10 mícrons de largura - pequena o suficiente para captar sinais elétricos de um único neurônio .
 
A equipe implantou o eletrodo no cérebro de um mouse e descobriu que ele podia captar sinais elétricos de um único neurônio.

"Tradicionalmente, os eletrodos são fios metálicos rígidos e, quando há vibrações, esses eletrodos podem danificar os tecidos", diz Zhao. "Mostramos agora que você pode inserir uma sonda de gel em vez de uma agulha".

Em princípio, esses eletrodos macios baseados em hidrogel podem até ser mais sensíveis que os eletrodos de metal convencionais. Isso ocorre porque a maioria dos eletrodos de metal conduz eletricidade sob a forma de elétrons, enquanto os neurônios no cérebro produzem sinais elétricos na forma de íons. Qualquer corrente iônica produzida pelo cérebro precisa ser convertida em um sinal elétrico que um eletrodo de metal possa registrar - uma conversão que pode resultar na perda de parte da sinal na tradução. Além disso, os íons só podem interagir com um eletrodo de metal em sua superfície, o que pode limitar a concentração de íons que o eletrodo pode detectar a qualquer momento.
Por outro lado, o eletrodo macio da equipe é feito de nanofibras condutoras de elétrons, embutidas em um hidrogel - um material à base de água que os íons podem passar livremente.

"A beleza de um hidrogel de polímero condutor é, além de suas propriedades mecânicas macias, feita de hidrogel, que é ionicamente condutor e também uma esponja porosa de nanofibras, das quais os íons podem fluir dentro e fora", diz Lu . "Como todo o volume do eletrodo está ativo, sua sensibilidade é aprimorada."

Além da sonda neural, a equipe também fabricou uma matriz de vários eletrodos - um pequeno quadrado de plástico do tamanho de um post-it, impresso com eletrodos muito finos, sobre o qual os pesquisadores também imprimiram um poço de plástico redondo. Os neurocientistas normalmente enchem os poços de tais matrizes com neurônios cultivados e podem estudar sua atividade através dos sinais que são detectados pelos eletrodos subjacentes do dispositivo.

Para esta demonstração, o grupo mostrou que poderia replicar os projetos complexos de tais matrizes usando a impressão 3D, em comparação com as técnicas tradicionais de litografia, que envolvem a gravação cuidadosa de metais, como ouro, em padrões prescritos ou máscaras - um processo que pode levar dias para ser concluído. complete um único dispositivo.

"Fazemos a mesma geometria e resolução deste dispositivo usando impressão 3D, em menos de uma hora", diz Yuk. "Esse processo pode substituir ou complementar as técnicas litográficas, como uma maneira mais simples e barata de fabricar uma variedade de dispositivos neurológicos, sob demanda".

 

.
.

Leia mais a seguir