神经外科新应用!3D打印微电极助力脑神经修复治疗

脑外科(一般是指神经外科)是医学中最年轻、最复杂而又发展最快的一门学科。3D打印技术在神经外科多个亚学科领域都有着应用切入点,已在临床治疗中开展的应用包括脑肿瘤手术治疗时使用的预规划模型,以及用于颅骨修复的植入物。除此之外,还包括一些处于研究阶段的新兴应用,例如通过3D打印生物支架进行脑神经的再生、修复等。

brain_Valley3D打印技术在脑外科的应用。来源:3D科学谷

根据3D科学谷的市场研究,卡耐基梅隆大学正在开展的一项研究是将3D打印微电子技术用于脑神经修复治疗领域,研究人员通过气溶胶喷射3D打印技术制造神经探针中的电极。

Video pic3D打印制造神经探针电极。来源:卡耐基梅隆大学

block 完全3D打印的微电极阵列

开展这项研究的团队由卡耐基梅隆大学先进制造中心的机械工程研究人员与生物学研究人员组成。他们使用3D打印技术以低成本、快速的方式创建一种高密度的神经探针,该探针用于记录神经学数据。

人类的大脑通过其神经元活动来协调感知、想法和行动。神经探针不仅在细胞外记录、脑机接口(BMI)和深部脑刺激(DBS)方面取得了成功,而且在脑电图、神经元功能恢复和脑部疾病研究等一些新的应用中也成绩斐然。理想情况下,神经探针阵列应具有良好的生物相容性、具有高信噪比的高密度电极、通过柔性电缆实现的互连功能、高度集成的电子架构,以及集成型微执行器,从而驱动电极柄实现神经元运动跟踪。[1]

根据卡内基梅隆大学,科研人员在研究中使用气溶胶喷射3D打印技术与纳米粒子材料制造神经探针,这项新技术将大大提高对脑组织研究的可及性,并能够制造出适应小区域的神经探针。

卡内基梅隆大学称,3D打印探针的记录密度比现有任何方法制造的探针密度都要高一个数量级。目前在脑神经学中使用的硅电极为2D和3D阵列,这种电极脆弱,并且成本非常高,在很多情况下是不适用的。另外,现有阵列的电极密度较低,这意味着它们不能达到精密神经修复术等应用所需的分辨率。目前,最先进的电极虽然为研究人员提供毫秒级的单神经元分辨率,但研究人员一次只能从300或400个神经元中获得信息。

而通过3D打印技术所开展的新研究目标正是解决以上问题,在神经探针的结构、可靠性以及成本上突破当前技术的局限性。研究团队认为他们的研究将可能深刻改变神经科学研究的进程。

卡内基梅隆大学大学先进制造中心的研究人员使用气溶胶喷射3D打印技术制造出完全3D打印的微电极阵列,这一技术使电极的定制具有可行性,以往研究人员需要找到能够提供多种电极型号的供应商,并从中选择适用的电极。

用气溶胶喷射3D打印技术制造电极时,电极中用于记录的位置则可以根据需要进行灵活设计。优化设计的电极结构更易于植入大脑,植入时带来的损伤更小。

卡耐基梅隆大学开展这项研究的长期目标是创建脑机接口(BMI)等精密医疗设备。这些设备不仅更精确,并且可根据患者需要进行定制。例如为需要神经假体的患者提供定制化的装置。

研究人员表示,这一3D打印电极的应用,将产生更精确的神经回路3D绘图,以及产生能够恢复患者缺失功能的精确神经假体装置。该研究还将为治疗截瘫和癫痫等神经退行性疾病提供新的途径。

参考资料:

[1] 《大脑神经探针?我看用MOM压力传感器蛮合适》电子技术设计网。

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