Impianti cerebrali morbidi con la stampa 3D

di Silvia De Stefano 30—Mar—2020 / 5:59 PM

Una tecnica messa a punto da ingegneri del MIT può consentire la progettazione rapida e su richiesta di impianti neurali più morbidi e sicuri.

Gli ingegneri del MIT stanno lavorando allo sviluppo di impianti neurali morbidi e flessibili che possano adattarsi delicatamente ai tessuti del cervello e monitorarne così l’attività per periodi più lunghi, senza danneggiare né irritarlo.

Un’ elettronica flessibile potrebbe essere sia un’alternativa migliore agli elettrodi esistenti progettati per monitorare l’attività cerebrale, che sono attualmente a base di metallo, ma anche potrebbe rivelarsi utile negli impianti cerebrali che stimolano le regioni neurali per alleviare i sintomi di epilessia, morbo di Parkinson e depressione grave.

L’altra novità è che, grazie a un accorgimento che ha permesso di trasformare la soluzione polimerica conduttiva in un liquido più viscoso, è possibile produrre i circuiti con una stampante 3D.

Il team di ricerca è guidato da Xuanhe Zhao, professore di ingegneria meccanica e ingegneria civile e ambientale.

Sono stati stampati diversi dispositivi elettronici morbidi, tra cui un piccolo elettrodo gommoso, che è stato impiantato nel cervello di un topo. Mentre il topo si muoveva liberamente in un ambiente controllato, la sonda neurale è stata in grado di captare l’attività addirittura da un singolo neurone.

Il monitoraggio di questa attività può fornire agli scienziati un quadro ad alta risoluzione dell’attività del cervello e può aiutare a personalizzare terapie e impianti cerebrali a lungo termine per una varietà di disturbi neurologici.

I polimeri conduttori: da acqua saponata a dentifricio

I polimeri conduttori sono una classe di materiali che gli scienziati hanno esplorato con entusiasmo negli ultimi anni per la loro combinazione unica di flessibilità simile alla plastica e conducibilità elettrica simile al metallo.

I polimeri conduttori sono usati commercialmente come rivestimenti antistatici, in quanto possono trasportare efficacemente qualsiasi carica elettrostatica che si accumula sull’elettronica e su altre superfici soggette a staticità.

Queste soluzioni polimeriche sono facili da spruzzare su dispositivi elettrici come i touchscreen. Ma il fatto che si presentino in forma liquida li rende utilizzabili principalmente per rivestimenti omogenei mentre sono difficili da usare per qualsiasi modello bidimensionale ad alta risoluzione. In 3D poi è impossibile.

Afferma Hyunwoo Yuk, uno studente appena laureato del team del MIT del professore Xuanhe Zhao.

Il primo obiettivo che il team si è posto è stato quindi quello di modificare la soluzione di PEDOT: PSS, un polimero conduttore sotto forma di liquido simile all’inchiostro di colore blu scuro, per farlo diventare un fluido più viscoso.

Il liquido conduce grazie alla presenza di nanofibre

Il liquido è conduttore grazie alla presenza di nanofibre che, quando entrano in contatto, agiscono come una sorta di tunnel attraverso il quale può fluire qualsiasi carica elettrica.

Prima hanno liofilizzato il materiale, rimuovendo il liquido e lasciando una matrice asciutta di nanofibre simile a una spugna. Quindi hanno aggiunto alla matrice, che da sola sarebbe diventata molto fragile, una soluzione di acqua e un solvente organico, che avevano precedentemente sviluppato, per formare un idrogel, un materiale gommoso a base acquosa che incorporasse le nanofibre.
Hanno prodotto 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 simile al dentifricio che era elettricamente conduttivo e adatto per alimentare una stampante 3D.

Inizialmente, è come l’acqua con sapone. Poi condensiamo le nanofibre e le rendiamo viscose come il dentifricio, in modo da poterle spremere come un liquido denso e adatto alla stampa 3D

ha affermato Zhao.

Impianti “on demand”

I ricercatori hanno inserito il nuovo polimero conduttore in una stampante 3D convenzionale e hanno scoperto che potevano produrre schemi intricati che sono rimasti stabili ed elettricamente conduttivi.

Tradizionalmente, gli elettrodi sono fili metallici rigidi e, una volta che ci sono vibrazioni, questi elettrodi metallici potrebbero danneggiare i tessuti. Abbiamo dimostrato ora che è possibile inserire una sonda gel anziché un ago.

Ha affermato lo stesso Zhao.

Gli elettrodi morbidi potrebbero essere più sensibili di quelli metallici

In linea di principio, 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 tramite lo spostamento di ioni.

Array multielettrodo utilizzati per monitorare l’attività di singoli neuroni. Credit: MIT

Qualsiasi corrente ionica prodotta dal cervello deve essere convertita in un segnale elettrico che un elettrodo metallico può registrare, ma durante questo processo si può perdere parte del segnale. Inoltre, gli ioni possono interagire solo con la superficie dell’elettrodo metallico, il che può limitare la concentrazione di ioni che l’elettrodo può rilevare in qualsiasi momento.

Al contrario, l’elettrodo morbido appena costruito, essendo composto da nanofibre a conduzione elettronica incorporate in un idrogel, materiale a base d’acqua, può far passare più liberamente gli ioni, si pò definire, come affermano i ricercatori, ironicamente conduttivo.

Il team ha anche fabbricato un array multielettrodo, un piccolo quadrato di plastica di dimensioni di un post-it, stampato con elettrodi molto sottili e con un pozzetto al centro.

I neuroscienziati in genere riempiono i pozzi di tali array con neuroni in coltura e possono studiare la loro attività attraverso i segnali che vengono rilevati dagli elettrodi sottostanti del dispositivo.

Il team ha mostrato di poter replicare i complessi progetti di tali array utilizzando la stampa 3D, molto più rapida e personabilizzabile rispetto alle tradizionali tecniche litografiche, che coinvolgono incisione accurata di metalli.

Questo processo può sostituire o integrare le tecniche litografiche e rappresentare un modo più semplice ed economico per realizzare una varietà di dispositivi neurologici, su richiesta e personalizzati.