賓夕法尼亞州立大學研究人員領導的一項新研究表明，專為完美匹配個人大腦表面而設計的柔性電極可能有助於推進用於神經退行性疾病監測和治療的神經介面技術。 神經介面由能夠追蹤生物物理信號的微型感測器提供動力，這些感測器被稱為生物電極。 這些感測器通常由剛性材料製成，採用「一刀切」的設計，難以匹配大腦複雜的結構。 研究人員開發了一種新型3D列印生物電極的方法，這些電極可以伸展和變形，以適應使每個大腦都獨一無二的微小差異。
研究團隊使用軟體基於21名人類患者的MR
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I掃描來類比詳細的大腦結構，在3D列印電極和大腦模型之前，塑造了一套針對大腦特定結構定製的電極。 在《先進材料》雜誌發表的一篇論文中，他們報告稱，與傳統設計相比，他們的電極能更好地貼合大腦結構，同時保持有效性並具有生物相容性，即使在大鼠測試中也是如此。
人類大腦的褶皺是通過一種稱為「腦回化」的過程形成的，大腦外壁的皮質層會聚集形成隆起（稱為腦回）和溝槽（稱為腦溝）。 這有助於大腦各處的細胞高速通信，並使相對較大的器官能夠緊湊地容納在顱骨內——展開的成人腦面積約為2000平方釐米，大約相當於兩個大披薩的大小。
據該論文的通訊作者、Wormley家族早期職業教授、工程科學與力學助理教授Tao Zhou介紹，儘管主要的皮質褶皺在個體間保持一致，但大腦的腦回和腦溝的精確佈局在人與人之間存在顯著差異。 然而，傳統的生物電極設計並未考慮這一點。
"每個人的大腦結構都不同，取決於他們的身高、體重、年齡、性別等因素，"Zhou同時也在賓夕法尼亞州立大學生物醫學工程和神經工程中心任職。 "儘管如此，我們卻試圖像大腦結構完全相同一樣將神經介面安裝到大腦上。 這促使我們基於每個人大腦的結構，創建專為個體定製的電極。 "
根據Zhou的說法，這些電極主要由富含水分的水凝膠材料製成，以更好地匹配大腦的軟組織和患者特定的幾何形狀。 此外，研究團隊採用了一種新穎的蜂窩狀結構，既提供了靈活性和強度，又保持了成本效益和快速列印的特點。
蜂窩狀結構幫助我們顯著降低了電極的剛性，同時不犧牲其機械強度。 更重要的是，這種結構有助於我們在製造過程中減少整體材料使用量，從而縮短生產時間、降低成本並減輕環境影響。 "
Tao Zhou，Wormley家族早期職業教授、工程科學與力學助理教授、論文通訊作者
生產過程始於獲取患者大腦的MRI掃描，用於進行有限元分析——這一過程創建了個人神經結構的詳細類比。 然後將該分析呈現為患者大腦的3D模型，研究團隊使用計算機軟體定製一種生物電極，使其專門變形以適應大腦皮層的隆起和溝槽。
成型后，研究團隊使用直接墨水列印技術3D列印水凝膠電極，這種技術可以在相對較小的表面上創建能夠監測和傳輸腦信號的電極。 在這項研究中，研究團隊3D列印了21名不同參與者大腦的模型，應用他們的電極並物理測量電極與大腦表面的貼合準確度。 Zhou解釋說，傳統的製造方法需要像潔凈室這樣的專門設施，使其定製成本極其高昂——而3D列印使團隊能夠以更低的價格更快地個人化和製造電極。
與傳統方法相比，基於水凝膠的電極能更精確地遵循大腦的結構。 Zhou表示，他們的方法生產的電極對大腦中存在的電信號表現出近乎完美的連接性。 此外，由於這種可拉伸的凝膠具有很高的可塑性，它可以應用於柔軟的大腦組織而不會造成損傷，而其他設計中使用的剛性材料可能會損傷組織。
據Zhou介紹，他們電極的柔軟性使電極能夠與大腦建立更緊密、更穩定的接觸，從而促進更高品質、更可靠的監測。 此外，採用這種方法製造的生物電極不會影響大腦周圍的液體運輸，這是大腦功能的一個關鍵方面，而許多傳統電極會干擾這一功能。
"將電極個性化以適應大腦的特定結構
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，大大提高了它們的可靠性，"Zhou說。 "因為它們更好地貼合大腦，信號品質本身也得到了顯著提高。"
為了進一步研究他們的電極，研究團隊將它們放置在大鼠模型的大腦上長達28天。 Zhou表示，大鼠對列印的電極沒有表現出任何免疫反應，這是生物設備開發中的一個關鍵考慮因素。 此外，電極沒有表現出性能退化，同時提供了對大腦中電和生理信號的敏感且準確的讀數。
Zhou表示，他認為這種列印方法可以作為商業規模列印針對特定患者定製的生物電極的框架。 儘管這些系統傳統上用於監測神經活動，但研究團隊計劃探索個人化電極如何有助於神經治療。
"我們正在尋求進一步改進這項技術，以優化電極用於監測特定疾病，"Zhou說。 "未來，我們非常希望與患者合作，看看這種方法如何能在臨床環境中支援大腦監測和疾病治療。"
與賓夕法尼亞州立大學相關的其他作者包括：生物醫學工程教授、Dorothy Foehr Huck和J. Lloyd Huck腦成像講席教授Nanyin Zhang; 工程科學與力學及生物醫學工程教授Sulin Zhang; 工程科學與力學博士生Marzia Momin、Luyi Feng、Salahuddin Ahmed和Jiashu Ren; 生物醫學工程博士生Xiaoai Chen、Hyunjin Lee以及博士後學者Samuel R. Cramer; 機械工程博士生Xinyi Wang; Basma AlMahood（研究時是物理學本科生，現為密歇根州立大學物理學博士生）; 以及研究助理Li-Pang Huang。
這項工作得到了美國國家科學基金會和美國國立衛生研究院的支援。