前幾天，我們(men) 報道了“馬斯克腦機接口有望今年人體(ti) 測試”引發不少關(guan) 注，今天分享來自麻省理工學院最新的黑科技——3D打印柔軟大腦植入物。眾(zhong) 所周知，大腦是我們(men) 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製成，隨著時間的流逝會(hui) 導致炎症和疤痕組織的積聚。有沒有更好的替代材料呢？日前，MIT趙選賀教授團隊開發出一種3D打印神經探針和其他電子設備的方法，而且它們(men) 像橡膠一樣柔軟靈活。研究成果已發表在Nature Communications上，題為(wei) “3D printing of conducting polymers”。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-020-15316-7

這項研究工作由麻省理工學院機械工程係、江西科技師範大學柔性電子創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和江西科技師範大學盧寶陽教授為(wei) 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範大學屈凱同學、徐景坤校長為(wei) 論文共同作者，MIT終身教授趙選賀為(wei) 通訊作者。

趙選賀教授

發明導電聚合物墨水，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製成。研究小組將這種類似於(yu) 液體(ti) 的導電聚合物溶液轉化成一種更像粘性牙膏的物質，然後放入3D打印機中，打印出穩定的導電圖案。

研究小組打印了幾種軟電子設備，包括一個(ge) 小的柔軟電極，並將它們(men) 植入小鼠的大腦中。當小鼠在一個(ge) 可控的環境中自由移動時，神經探針能夠捕捉到單個(ge) 神經元的活動。監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，並可以幫助製定治療方案和長期大腦植入物，以應對各種神經係統疾病。

“我們(men) 希望通過演示，人們(men) 可以使用這種技術快速製造出不同的設備，”MIT博士生Hyunwoo Yuk說：“可以更改設計、運行打印代碼並在30分鍾內(nei) 生成新的設計。希望這將簡化神經接口的開發，完全由軟材料製成。”

“從(cong) 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(wei) 它們(men) 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(ye) 上用作抗靜電塗層，因為(wei) 它們(men) 可以有效地帶走電子產(chan) 品和其他易產(chan) 生靜電的表麵上積聚的靜電荷。

“這些聚合物解決(jue) 方案易於(yu) 噴塗在觸摸屏等電子設備上，”Yuk說： “但是液體(ti) 形式主要用於(yu) 均質塗層，很難將其用於(yu) 任何二維、高分辨率的圖案中。在3D世界裏，這是不可能的。”

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

在他們(men) 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，通常是類似於(yu) 墨水的深藍色液體(ti) 。這種液體(ti) 是水和PEDOT: PSS納米纖維的混合物。液體(ti) 的導電性來自這些納米纖維，當它們(men) 接觸時，就像一個(ge) 隧道，任何電荷都可以通過它們(men) 流動。

如果將這種聚合物以液態形式送入3D打印機中，它隻會(hui) 在下層表麵滲出。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(men) 首先對材料進行冷凍幹燥，去除液體(ti) ，留下幹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(hui) 變得脆弱和破裂。因此，研究人員將納米纖維與(yu) 他們(men) 先前開發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(men) 製造了具有不同濃度的納米纖維的水凝膠，發現納米纖維的重量百分比介於(yu) 5％-8％之間時，可以製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(men) 濃縮納米纖維，讓它像牙膏一樣粘稠，這樣我們(men) 就可以把它擠出來，成為(wei) 一種濃稠的、可打印的液體(ti) 。”

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，成功監測單個(ge) 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的3D打印機中，發現它們(men) 可以產(chan) 生複雜的圖案，保持穩定並具有導電性。

作為(wei) 概念驗證，他們(men) 打印了一個(ge) 小的柔軟電極，大約有一片五彩紙屑那麽(me) 大。這種電極由一層柔韌的透明聚合物構成，然後在它的上麵打印出導電聚合物，這些導電聚合物以細細的平行線匯聚在一個(ge) 尖端，寬度約10微米，小到足以從(cong) 單個(ge) 神經元接收電信號。

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

圖4：導電高分子設備的3D打印

“傳(chuan) 統上，電極是剛性的金屬線，一旦發生振動，這些金屬電極就會(hui) 損傷(shang) 組織，”趙選賀教授說。“我們(men) 現在已經證明，你可以用凝膠探針代替針頭。”

原則上，這種柔軟的、基於(yu) 水凝膠的電極甚至可能比傳(chuan) 統的金屬電極更靈敏。這是因為(wei) 大多數金屬電極以電子形式傳(chuan) 導電，而大腦中的神經元則以離子形式產(chan) 生電信號。大腦產(chan) 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(hui) 導致部分信號在轉換過程中丟(diu) 失。此外，離子隻能與(yu) 表麵的金屬電極相互作用，這就限製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，可以用來監測單個(ge) 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製成的，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於(yu) ，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：“由於(yu) 電極的整個(ge) 體(ti) 積是活動的，因此靈敏度得到了提高。”