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Los ingenieros imprimen en 3D implantes cerebrales suaves y gomosos

La técnica puede permitir un diseño rápido y bajo demanda de dispositivos neuronales más suaves y seguros.

El cerebro es uno de nuestros órganos más vulnerables, tan suave como el tofu más suave. Los implantes cerebrales, por otro lado, generalmente están hechos de metal y otros materiales rígidos que con el tiempo pueden causar inflamación y la acumulación de tejido cicatricial.

Los ingenieros del MIT están trabajando en el desarrollo de implantes neuronales suaves y flexibles que pueden ajustarse suavemente a los contornos del cerebro y controlar la actividad durante períodos más largos, sin agravar el tejido circundante. Tales dispositivos electrónicos flexibles podrían ser alternativas más suaves a los electrodos existentes basados ​​en metales diseñados para monitorear la actividad cerebral, y también pueden ser útiles en implantes cerebrales que estimulan las regiones neurales para aliviar los síntomas de epilepsia, enfermedad de Parkinson y depresión severa.

Dirigido por Xuanhe Zhao, profesor de ingeniería mecánica y de ingeniería civil y ambiental, el equipo de investigación ha desarrollado una forma de imprimir en 3D sondas neuronales y otros dispositivos electrónicos que son tan suaves y flexibles como el caucho.

Los dispositivos están hechos de un tipo de polímero, o plástico blando, que es eléctricamente conductor. El equipo transformó esta solución de polímero conductor normalmente líquido en una sustancia más parecida a una pasta de dientes viscosa, que luego podrían alimentar a través de una impresora 3D convencional para crear patrones estables y eléctricamente conductores.

El equipo imprimió varios dispositivos electrónicos blandos, incluido un pequeño electrodo de goma, que implantaron en el cerebro de un ratón. A medida que el ratón se movía libremente en un entorno controlado, la sonda neural pudo detectar la actividad de una sola neurona. El monitoreo de esta actividad puede brindar a los científicos una imagen de mayor resolución de la actividad del cerebro, y puede ayudar a adaptar las terapias y los implantes cerebrales a largo plazo para una variedad de trastornos neurológicos.

Yuk y Zhao han publicado sus resultados hoy en la revista Nature Communications. Sus coautores incluyen a Baoyang Lu y Jingkun Xu de la Universidad Normal de Ciencia y Tecnología de Jiangxi, junto con Shen Lin y Jianhong Luo de la Facultad de Medicina de la Universidad de Zheijiang.

Los polímeros conductores son una clase de materiales que los científicos han explorado con entusiasmo en los últimos años por su combinación única de flexibilidad plástica y conductividad eléctrica metálica. Los polímeros conductores se utilizan comercialmente como recubrimientos antiestáticos, ya que pueden eliminar eficazmente cualquier carga electrostática que se acumule en la electrónica y otras superficies propensas a la electricidad estática.

Yuk y sus colegas razonaron qué si pudieran desarrollar un polímero conductor imprimible, podrían usar el material para imprimir una gran cantidad de dispositivos electrónicos blandos e intrincadamente diseñados, como circuitos flexibles y electrodos de neurona única.

En su nuevo estudio, el equipo informa que modifica el poli (3,4-etilendioxitiofeno) poliestireno sulfonato, o PEDOT: PSS, un polímero conductor que se suministra típicamente en forma de un líquido azul oscuro. El líquido es una mezcla de agua y nanofibras de PEDOT: PSS. El líquido obtiene su conductividad de estas nanofibras que, cuando entran en contacto, actúan como una especie de túnel a través del cual puede fluir cualquier carga eléctrica.


Los investigadores del MIT imprimen circuitos flexibles (que se muestran aquí) y otros dispositivos eléctricos blandos utilizando la nueva técnica de impresión en 3-D y conduciendo tinta polimérica.

Si los investigadores alimentaran este polímero en una impresora 3D en su forma líquida, simplemente sangraría por la superficie subyacente. Entonces, el equipo buscó una forma de espesar el polímero mientras se conserva la conductividad eléctrica inherente del material.

Primero liofilizaron el material, eliminaron el líquido y dejaron una matriz seca o esponja de nanofibras. Dejados solos, estas nanofibras se volverían quebradizas y se agrietarían. Entonces, los investigadores remezclaron las nanofibras con una solución de agua y un solvente orgánico, que habían desarrollado previamente, para formar un hidrogel, un material gomoso a base de agua incrustado con nanofibras.

Hicieron hidrogeles con varias concentraciones de nanofibras, y descubrieron que un rango entre 5 y 8 por ciento en peso de nanofibras producía un material similar a la pasta de dientes que era eléctricamente conductor y adecuado para alimentar a una impresora 3D.

Los investigadores introdujeron el nuevo polímero conductor en una impresora 3D convencional y descubrieron que podían producir patrones intrincados que permanecían estables y eléctricamente conductores.

Como prueba de concepto, imprimieron un pequeño electrodo de goma, del tamaño de una pieza de confeti. El electrodo consiste en una capa de polímero flexible y transparente, sobre el cual imprimen el polímero conductor, en líneas finas y paralelas que convergen en una punta, que mide aproximadamente 10 micras de ancho, lo suficientemente pequeño como para captar señales eléctricas de una sola neurona.

El equipo implantó el electrodo en el cerebro de un ratón y descubrió que podía captar señales eléctricas de una sola neurona.

En principio, tales electrodos suaves basados ​​en hidrogel podrían incluso ser más sensibles que los electrodos metálicos convencionales. Esto se debe a que la mayoría de los electrodos metálicos conducen electricidad en forma de electrones, mientras que las neuronas en el cerebro producen señales eléctricas en forma de iones. Cualquier corriente iónica producida por el cerebro debe convertirse en una señal eléctrica que un electrodo de metal pueda registrar, una conversión que puede provocar que parte de la señal se pierda en la traducción. Además, los iones solo pueden interactuar con un electrodo metálico en su superficie, lo que puede limitar la concentración de iones que el electrodo puede detectar en un momento dado.

En contraste, el electrodo blando del equipo está hecho de nanofibras conductoras de electrones, incrustadas en un hidrogel, un material a base de agua que los iones pueden atravesar libremente.

Además de la sonda neural, el equipo también fabricó una matriz multielectrodo: un pequeño cuadrado de plástico de tamaño Post-it, impreso con electrodos muy delgados, sobre el cual los investigadores también imprimieron un pozo redondo de plástico. Los neurocientíficos típicamente llenan los pozos de tales matrices con neuronas cultivadas, y pueden estudiar su actividad a través de las señales que son detectadas por los electrodos subyacentes del dispositivo.

Para esta demostración, el grupo demostró que podían replicar los diseños complejos de tales matrices utilizando la impresión 3D, en comparación con las técnicas de litografía tradicionales, que implica grabar metales  cuidadosamente, como el oro, en patrones prescritos o máscaras, un proceso que puede llevar días completar un solo dispositivo.

Más información: MIT News

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