Le cerveau est l'un de nos organes les plus vulnérables, aussi doux que le tofu le plus doux. Implants cérébraux, d'autre part, sont généralement fabriqués à partir de métal et d'autres matériaux rigides qui, avec le temps, peuvent provoquer une inflammation et l'accumulation de tissu cicatriciel.

Les ingénieurs du MIT travaillent au développement de logiciels, implants neuronaux flexibles qui peuvent se conformer en douceur aux contours du cerveau et surveiller l'activité sur de plus longues périodes, sans aggraver les tissus environnants. Une telle électronique flexible pourrait être une alternative plus douce aux électrodes métalliques existantes conçues pour surveiller l'activité cérébrale, et peut également être utile dans les implants cérébraux qui stimulent les régions neurales pour soulager les symptômes de l'épilepsie, La maladie de Parkinson, et dépression sévère.

Dirigé par Xuanhe Zhao, professeur de génie mécanique et de génie civil et environnemental, l'équipe de recherche a maintenant développé un moyen d'imprimer en 3D des sondes neuronales et d'autres appareils électroniques aussi souples et flexibles que du caoutchouc.

Les appareils sont fabriqués à partir d'un type de polymère, ou en plastique souple, qui est électriquement conducteur. L'équipe a transformé cette solution de polymère conducteur normalement liquide en une substance ressemblant davantage à un dentifrice visqueux, qu'elle a ensuite pu alimenter dans une imprimante 3D conventionnelle pour la rendre stable, motifs électriquement conducteurs.

L'équipe a imprimé plusieurs appareils électroniques souples, dont un petit, électrode caoutchouteuse, qu'ils ont implanté dans le cerveau d'une souris. Comme la souris se déplaçait librement dans un environnement contrôlé, la sonde neurale a pu capter l'activité d'un seul neurone. La surveillance de cette activité peut donner aux scientifiques une image à plus haute résolution de l'activité du cerveau, et peut aider à adapter les thérapies et les implants cérébraux à long terme pour une variété de troubles neurologiques.

"Nous espérons qu'en démontrant cette preuve de concept, les gens peuvent utiliser cette technologie pour fabriquer différents appareils, vite, " dit Hyunwoo Yuk, un étudiant diplômé du groupe de Zhao au MIT. "Ils peuvent changer le design, exécuter le code d'impression, et générer un nouveau design en 30 minutes. Espérons que cela rationalisera le développement des interfaces neuronales, entièrement fait de matériaux doux."

Yuk et Zhao ont publié leurs résultats dans la revue Communication Nature . Leurs co-auteurs sont Baoyang Lu et Jingkun Xu de la Jiangxi Science and Technology Normal University, avec Shen Lin et Jianhong Luo de l'École de médecine de l'Université du Zheijiang.

De l'eau savonneuse au dentifrice

Les polymères conducteurs sont une classe de matériaux que les scientifiques ont exploré avec enthousiasme ces dernières années pour leur combinaison unique de flexibilité semblable à celle du plastique et de conductivité électrique semblable à celle du métal. Les polymères conducteurs sont utilisés commercialement comme revêtements antistatiques, car ils peuvent éliminer efficacement toutes les charges électrostatiques qui s'accumulent sur l'électronique et d'autres surfaces sujettes à l'électricité statique.

"Ces solutions polymères sont faciles à vaporiser sur les appareils électriques comme les écrans tactiles, " Yuk dit. " Mais la forme liquide est surtout pour les revêtements homogènes, et il est difficile d'utiliser ceci pour n'importe quel bidimensionnel, motif haute résolution. En 3D, c'est impossible."

Yuk et ses collègues ont estimé que s'ils pouvaient développer un polymère conducteur imprimable, ils pourraient ensuite utiliser le matériau pour imprimer une foule de doux, appareils électroniques à motifs complexes, tels que les circuits flexibles, et des électrodes à neurone unique.

Dans leur nouvelle étude, le rapport d'équipe modifiant poly (3, 4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate, ou PEDOT : PSS, un polymère conducteur fourni typiquement sous la forme d'une encre, liquide bleu foncé. Le liquide est un mélange d'eau et de nanofibres de PEDOT:PSS. Le liquide tire sa conductivité de ces nanofibres, lequel, quand ils entrent en contact, agir comme une sorte de tunnel à travers lequel toute charge électrique peut circuler.

Si les chercheurs introduisaient ce polymère dans une imprimante 3D sous sa forme liquide, il saignerait simplement à travers la surface sous-jacente. L'équipe a donc cherché un moyen d'épaissir le polymère tout en conservant la conductivité électrique inhérente au matériau.

Ils ont d'abord lyophilisé le matériau, retirer le liquide et laisser une matrice sèche, ou éponge, de nanofibres. Laissé seul, ces nanofibres deviendraient cassantes et se fissureraient. Les chercheurs ont donc remixé les nanofibres avec une solution d'eau et un solvant organique, qu'ils avaient développé auparavant, pour former un hydrogel—à base d'eau, matériau caoutchouteux incrusté de nanofibres.

Ils ont fabriqué des hydrogels avec différentes concentrations de nanofibres, et a découvert qu'une gamme comprise entre 5 et 8 pour cent en poids de nanofibres produisait un matériau semblable à un dentifrice qui était à la fois électriquement conducteur et adapté à l'alimentation d'une imprimante 3D.

"Initialement, c'est comme de l'eau savonneuse, " dit Zhao. " Nous condensons les nanofibres et les rendons visqueuses comme du dentifrice, afin que nous puissions le presser comme un épais, liquide imprimable."

Implants à la demande

Les chercheurs ont introduit le nouveau polymère conducteur dans une imprimante 3D conventionnelle et ont découvert qu'ils pouvaient produire des motifs complexes qui restaient stables et électriquement conducteurs.

Comme preuve de concept, ils ont imprimé un petit, électrode caoutchouteuse, environ la taille d'un morceau de confettis. L'électrode est constituée d'une couche de flexible, polymère transparent, sur lequel ils ont ensuite imprimé le polymère conducteur, en mince, lignes parallèles qui ont convergé à une extrémité, mesurant environ 10 microns de large, assez petit pour capter les signaux électriques d'un seul neurone.

L'équipe a implanté l'électrode dans le cerveau d'une souris et a découvert qu'elle pouvait capter les signaux électriques d'un seul neurone.

"Traditionnellement, les électrodes sont des fils métalliques rigides, et une fois qu'il y a des vibrations, ces électrodes métalliques pourraient endommager les tissus, " dit Zhao. "Nous avons montré maintenant que vous pouvez insérer une sonde de gel au lieu d'une aiguille."

En principe, si doux, les électrodes à base d'hydrogel pourraient même être plus sensibles que les électrodes métalliques conventionnelles. C'est parce que la plupart des électrodes métalliques conduisent l'électricité sous forme d'électrons, tandis que les neurones du cerveau produisent des signaux électriques sous forme d'ions. Tout courant ionique produit par le cerveau doit être converti en un signal électrique qu'une électrode métallique peut enregistrer, une conversion qui peut entraîner la perte d'une partie du signal dans la traduction. Quoi de plus, les ions ne peuvent interagir avec une électrode métallique qu'à sa surface, ce qui peut limiter la concentration d'ions que l'électrode peut détecter à un instant donné.

En revanche, l'électrode souple de l'équipe est constituée de nanofibres conductrices d'électrons, incorporé dans un hydrogel, un matériau à base d'eau que les ions peuvent traverser librement.

"La beauté d'un hydrogel polymère conducteur est, en plus de ses propriétés mécaniques douces, il est fait d'hydrogel, qui est ioniquement conducteur, et aussi une éponge poreuse de nanofibres, dans laquelle les ions peuvent entrer et sortir, " dit Lu. "Parce que tout le volume de l'électrode est actif, sa sensibilité est renforcée."

En plus de la sonde neurale, l'équipe a également fabriqué un réseau multi-électrodes, un petit Carré de plastique de la taille d'un post-it, imprimé avec des électrodes très fines, sur lequel les chercheurs ont également imprimé un puits en plastique rond. Les neuroscientifiques remplissent généralement les puits de ces puces avec des neurones en culture, et peut étudier leur activité à travers les signaux détectés par les électrodes sous-jacentes de l'appareil.

Pour cette démonstration, le groupe a montré qu'il pouvait reproduire les conceptions complexes de telles matrices en utilisant l'impression 3D, par rapport aux techniques de lithographie traditionnelles, qui impliquent de graver soigneusement les métaux, comme l'or, en modèles prescrits, ou des masques, un processus qui peut prendre des jours pour terminer un seul appareil.

"Nous réalisons la même géométrie et la même résolution de cet appareil en utilisant l'impression 3D, en moins d'une heure, " Yuk dit. " Ce procédé peut remplacer ou compléter les techniques de lithographie, comme moyen plus simple et moins cher de fabriquer une variété d'appareils neurologiques, sur demande."