Impianti neurali morbidi stampati in 3D

Una delle problematiche in cui si incorre quando si progettano impianti neurali è il fatto che la loro realizzazione, in genere, preveda l’utilizzo di metallo e altri materiali rigidi. Nel tempo, questi materiali possono causare infiammazione e danneggiare il tessuto morbido di uno dei nostri organi più vulnerabili: il cervello. Ingegneri del MIT stanno lavorando allo sviluppo di impianti neurali morbidi e flessibili che possano adattarsi ai solchi cerebrali e monitorare l’attività per periodi più lunghi, senza irritare il tessuto circostante. Questi dispositivi elettronici flessibili potrebbero essere un’alternativa più morbida agli elettrodi esistenti a base di metallo progettati per monitorare l’attività cerebrale. Questa tecnologia potrebbe essere utile anche negli impianti cerebrali che stimolano le regioni neurali per alleviare i sintomi di epilessia, morbo di Parkinson e disturbi psichiatrici.

Il team di ricerca guidato da Xuanhe Zhao, professore di ingegneria meccanica e ingegneria civile e ambientale, ha sviluppato un modo per stampare impianti neurali in 3D e altri dispositivi morbidi e flessibili come la gomma. I ricercatori hanno già stampato diversi dispositivi elettronici morbidi, tra cui un piccolo elettrodo gommoso, che hanno impiantato nel cervello di un topo. Mentre il topo si muoveva liberamente in un ambiente controllato, la sonda neurale era in grado di captare l’attività di un singolo neurone. Il monitoraggio di questa attività può fornire agli scienziati un quadro ad alta risoluzione dell’attività cerebrale e può aiutare a personalizzare terapie e impianti neurali a lungo termine per una varietà di disturbi neurologici. I risultati dello studio sono stati pubblicati il 30 marzo sulla rivista Nature Communications.

Dal mix polimerico liquido all’idrogel viscoso

I polimeri conduttori sono una classe di materiali che gli scienziati hanno indagato con entusiasmo negli ultimi anni per la loro combinazione unica di flessibilità, simile a quella della plastica, e conducibilità elettrica, simile a quella del metallo. Nel nuovo studio, il team ha riportato di aver modificato il poli(3,4-etilendiossitiofene) polistirene solfonato, o PEDOT:PSS, un polimero conduttore che tipicamente si trova sotto forma di un liquido blu scuro. Il liquido è una miscela di acqua e nanofibre di PEDOT:PSS. Questa sostanza ottiene la sua conduttività dalle nanofibre che, quando entrano in contatto, agiscono come una sorta di tunnel attraverso il quale può fluire qualsiasi carica elettrica.

Il problema è che questo polimero in forma liquida non può essere utilizzato come inchiostro in una stampante 3D. Perciò, gli studiosi hanno cercato un modo per addensarlo mantenendo la conduttività elettrica intrinseca del materiale. Come prima cosa lo hanno liofilizzato, rimuovendo il liquido e lasciando solo la matrice di nanofibre. Private del liquido in cui sono immerse, le nanofibre diventano fragili e tendono a spaccarsi. Quindi, i ricercatori hanno creato un mix di nanofibre con una soluzione acquosa e un solvente organico precedentemente sviluppato per formare un idrogel, cioè un materiale gommoso a base acquosa incorporato con le nanofibre. Hanno prodotto questo idrogel con varie concentrazioni di nanofibre e hanno scoperto che un intervallo compreso tra il 5% e l’8% in peso di nanofibre produceva un materiale con una consistenza simile a quella del dentifricio, elettricamente conduttivo e adatto per fungere da inchiostro in una stampante 3D.

La possibilità di rilevare l’attività di un singolo neurone

I ricercatori hanno inserito il nuovo polimero conduttore in una stampate 3D e hanno scoperto che potevano produrre modelli complessi che rimanevano stabili ed elettricamente conduttivi. Così, hanno stampato un elettrodo piccolo e gommoso, delle dimensioni paragonabili a quelle di un coriandolo. L’elettrodo è costituito da uno strato polimerico flessibile e trasparente, sul quale hanno poi stampato il polimero conduttore in sottili linee parallele che convergono in un punto della misura di circa 10 micron di larghezza, abbastanza piccolo da captare segnali elettrici da un singolo neurone. L’elettrodo è stato poi impiantato nel cervello di un topo rivelandosi in grado di captare segnali elettrici da un singolo neurone.

[bquote by=”Xuanhe Zhao” other=”professore di ingegneria meccanica e ingegneria civile e ambientale al MIT”]Tradizionalmente, gli elettrodi sono fili metallici rigidi e, una volta che ci sono vibrazioni, questi elettrodi metallici potrebbero danneggiare i tessuti. Ora abbiamo dimostrato che è possibile inserire una sonda gel anziché un ago. [/bquote]

Tali elettrodi morbidi a base di idrogel potrebbero persino essere più sensibili degli elettrodi metallici convenzionali. Questo perché la maggior parte degli elettrodi metallici conducono l’elettricità sotto forma di elettroni, mentre i neuroni nel cervello producono segnali elettrici sotto forma di ioni. Qualsiasi corrente ionica prodotta dal cervello deve essere convertita in un segnale elettrico che possa essere registrato da un elettrodo metallico, una conversione che può far perdere parte del segnale durante la traduzione. Inoltre, gli ioni possono interagire solo con un elettrodo metallico sulla sua superficie, il che può limitare la concentrazione di ioni che l’elettrodo può rilevare in qualsiasi momento. Al contrario, l’elettrodo morbido è costituito da nanofibre a conduzione elettronica incorporate in un idrogel, un materiale a base d’acqua attraverso il quale gli ioni possono fluire liberamente.

“La bellezza di un idrogel polimerico conduttore, oltre alle sue proprietà meccaniche morbide, è che è fatto di idrogel, che è ionicamente conduttivo, e inoltre è anche una spugna porosa di nanofibre, in cui gli ioni possono fluire dentro e fuori”, dice Baoyang Lu, professore associato alla Jiangxi Science and Technology Normal University e coautore dell’articolo. “Poiché l’intero volume dell’elettrodo è attivo, la sua sensibilità è migliorata.”

La nuova tecnica di stampa 3D migliorerebbe la produzione di diversi dispositivi neurologici

Oltre alla sonda neurale, il team ha anche fabbricato un array multielettrodo, un piccolo quadrato di plastica di dimensioni paragonabili a quelle di un foglietto dei post-it, stampato con elettrodi molto sottili, sul quale i ricercatori hanno anche stampato un pozzetto di plastica rotondo. I neuroscienziati, in genere, riempiono i pozzetti di tali array con neuroni in coltura per poterne studiare la loro attività attraverso i segnali che vengono rilevati dagli elettrodi sottostanti al dispositivo. Il gruppo ha dimostrato di poter replicare i complessi modelli di tali array utilizzando la stampa 3D con l’idrogel polimerico rispetto alle tradizionali tecniche litografiche, le quali prevedono l’incisione accurata di modelli o maschere predefinite su metalli come l’oro, un processo che può richiedere giorni per completare un singolo dispositivo.

“Realizziamo la stessa geometria e la stessa risoluzione di questo dispositivo utilizzando la stampa 3D, in meno di un’ora”, afferma Hyunwoo Yuk, studente PhD al MIT e autore dell’articolo. “Questo processo può sostituire o integrare le tecniche litografiche, come un modo più semplice ed economico per realizzare una varietà di dispositivi neurologici su richiesta.”