O cérebro éum dos nossos órgãos mais vulnera¡veis, tão macio quanto o tofu mais macio. Os implantes cerebrais, por outro lado, são tipicamente feitos de metal e outros materiais ra­gidos que, com o tempo, podem causar inflamação e acaºmulo de tecido cicatricial.

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

Liderada por Xuanhe Zhao, professor de engenharia meca¢nica e engenharia civil e ambiental, a equipe de pesquisa agora desenvolveu uma maneira de imprimir sondas neurais de impressão em 3D e outros dispositivos eletra´nicos tão macios e flexa­veis quanto a borracha.

Os dispositivos são feitos de um tipo de pola­mero ou pla¡stico macio que éeletricamente condutor. A equipe transformou essa solução de pola­mero condutor normalmente la­quido em uma substância mais parecida com pasta de dente viscosa - que eles poderiam alimentar atravanãs de uma impressora 3D convencional para criar padraµes esta¡veis ​​e eletricamente condutores.

A equipe imprimiu vários dispositivos eletra´nicos flexa­veis, incluindo um eletrodo pequeno de borracha, que eles implantaram no cérebro de um mouse. Amedida que o mouse se movia livremente em um ambiente controlado, a sonda neural conseguiu captar a atividade de um aºnico neura´nio. 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 neurola³gicos.

"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 ca³digo 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.

Os polímeros condutores são uma classe de materiais que os cientistas exploraram ansiosamente nos últimos anos por sua combinação única de flexibilidade semelhante a pla¡stico e condutividade elanãtrica semelhante a metal. Os polímeros condutores são usados ​​comercialmente como revestimentos antiesta¡ticos, pois podem efetivamente transportar quaisquer cargas eletrosta¡ticas que se acumulam nos componentes eletra´nicos e em outrassuperfÍcies propensas a esta¡tica.

"Essas soluções de pola­mero são fa¡ceis de pulverizar em dispositivos elanãtricos como telas sensa­veis ao toque", diz Yuk. "Mas a forma la­quida éprincipalmente para revestimentos homogaªneos, e édifa­cil usa¡-la para qualquer padrãobidimensional e de alta resolução. Em 3D, éimpossí­vel."

Yuk e seus colegas argumentaram que, se pudessem desenvolver um pola­mero condutor imprima­vel, poderiam usar o material para imprimir uma sanãrie de dispositivos eletra´nicos macios e intricadamente padronizados, como circuitos flexa­veis e eletrodos de neura´nio aºnico.

Em seu novo estudo, a equipe relatou modificar o sulfonato de poli (3,4-etilenodioxitiofeno) poliestireno, ou PEDOT: PSS, um pola­mero condutor tipicamente fornecido na forma de um la­quido azul-escuro com tinta. O la­quido éuma mistura de águae nanofibras de PEDOT: PSS. O la­quido obtanãm sua condutividade com essas nanofibras, que, quando entram em contato, agem como uma espanãcie de taºnel atravanãs do qual qualquer carga elanãtrica pode fluir.

Se os pesquisadores alimentassem esse pola­mero em uma impressora 3D em sua forma la­quida, ele simplesmente sangraria pelasuperfÍcie subjacente. Portanto, a equipe procurou uma maneira de engrossar o pola­mero, mantendo a condutividade elanãtrica inerente ao material.

Eles primeiro liofilizaram o material, removendo o la­quido e deixando para trás uma matriz seca, ou esponja, de nanofibras. Deixadas sozinhas, essas nanofibras se tornariam quebradia§as e quebradia§as. Então, os pesquisadores remixaram as nanofibras com uma solução de águae um solvente orga¢nico, que eles haviam desenvolvido anteriormente, para formar um hidrogel - um material emborrachado a  base de águaembebido em nanofibras.

Eles fizeram hidroganãis 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, écomo águacom saba£o", diz Zhao. "Condensamos as nanofibras e as tornamos viscosas como pasta de dente, para que possamos espremer como um la­quido espesso e imprima­vel".

Os pesquisadores alimentaram o novo pola­mero condutor em uma impressora 3D convencional e descobriram que eles podiam produzir padraµes intricados que permaneciam esta¡veis ​​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 pola­mero flexa­vel e transparente, sobre o qual eles imprimiram o pola­mero condutor, em finas linhas paralelas que convergiam em uma ponta, medindo cerca de 10 ma­crons de largura - pequena o suficiente para captar sinais elanãtricos de um aºnico neura´nio .

A equipe implantou o eletrodo no cérebro de um mouse e descobriu que ele podia captar sinais elanãtricos de um aºnico neura´nio.

"Tradicionalmente, os eletrodos são fios meta¡licos ra­gidos e, quando hávibrações, esses eletrodos podem danificar os tecidos", diz Zhao. "Mostramos agora que vocêpode inserir uma sonda de gel em vez de uma agulha".

Em princa­pio, esses eletrodos macios baseados em hidrogel podem atéser mais sensa­veis que os eletrodos de metal convencionais. Isso ocorre porque a maioria dos eletrodos de metal conduz eletricidade sob a forma de elanãtrons, enquanto os neura´nios no cérebro produzem sinais elanãtricos na forma de a­ons. Qualquer corrente ia´nica produzida pelo cérebro precisa ser convertida em um sinal elanãtrico que um eletrodo de metal possa registrar - uma conversão que pode resultar na perda de parte da sinal na tradução. Além disso, os a­ons são podem interagir com um eletrodo de metal em suasuperfÍcie, o que pode limitar a concentração de a­ons que o eletrodo pode detectar a qualquer momento.

Por outro lado, o eletrodo macio da equipe éfeito de nanofibras condutoras de elanãtrons, embutidas em um hidrogel - um material a  base de águaque os a­ons podem passar livremente.

"A beleza de um hidrogel de pola­mero condutor anã, além de suas propriedades meca¢nicas macias, feita de hidrogel, que éionicamente condutor e também uma esponja porosa de nanofibras, das quais os a­ons podem fluir dentro e fora", diz Lu . "Como todo o volume do eletrodo estãoativo, sua sensibilidade éaprimorada."

Além da sonda neural, a equipe também fabricou uma matriz de vários eletrodos - um pequeno quadrado de pla¡stico do tamanho de um post-it, impresso com eletrodos muito finos, sobre o qual os pesquisadores também imprimiram um poa§o de pla¡stico redondo. Os neurocientistas normalmente enchem os poa§os de tais matrizes com neura´nios cultivados e podem estudar sua atividade atravanãs 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 padraµes prescritos ou máscaras - um processo que pode levar dias para ser conclua­do. complete um aºnico 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 litogra¡ficas, como uma maneira mais simples e barata de fabricar uma variedade de dispositivos neurola³gicos, sob demanda".