宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一项新研究表明，专为完美匹配个人大脑表面而设计的柔性电极可能有助于推进用于神经退行性疾病监测和治疗的神经接口技术。神经接口由能够追踪生物物理信号的微型传感器提供动力，这些传感器被称为生物电极。这些传感器通常由刚性材料制成，采用"一刀切"的设计，难以匹配大脑复杂的结构。研究人员开发了一种新型3D打印生物电极的方法，这些电极可以伸展和变形，以适应使每个大脑都独一无二的微小差异。
研究团队使用软件基于21名人类患者的MRI扫描来模拟详细的大脑结构，在3D打印电极和大脑模型之前，塑造了一套针对大脑特定结构定制的电极。在《先进材料》杂志发表的一篇论文中，他们报告称，与传统设计相比，他们的电极能更好地贴合大脑结构，同时保持有效性并具有生物相容性，即使在大鼠测试中也是如此。
人类大脑的褶皱是通过一种称为"脑回化"的过程形成的，大脑外壁的皮质层会聚集形成隆起（称为脑回）和沟槽（称为脑沟）。这有助于大脑各处的细胞高速通信，并使相对较大的器官能够紧凑地容纳在颅骨内——展开的成人脑面积约为2000平方厘米，大约相当于两个大披萨的大小。
据该论文的通讯作者、Wormley家族早期职业教授、工程科学与力学助理教授Tao Zhou介绍，尽管主要的皮质褶皱在个体间保持一致，但大脑的脑回和脑沟的精确布局在人与人之间存在显著差异。然而，传统的生物电极设计并未考虑这一点。
"每个人的大脑结构都不同，取决于他们的身高、体重、年龄、性别等因素，"Zhou同时也在宾夕法尼亚州立大学生物医学工程和神经工程中心任职。"尽管如此，我们却试图像大脑结构完全相同一样将神经接口安装到大脑上。这促使我们基于每个人大脑的结构，创建专为个体定制的电极。"
根据Zhou的说法，这些电极主要由富含水分的水凝胶材料制成，以更好地匹配大脑的软组织和患者特定的几何形状。此外，研究团队采用了一种新颖的蜂窝状结构，既提供了灵活性和强度，又保持了成本效益和快速打印的特点。
"蜂窝状结构帮助我们显著降低了电极的刚性，同时不牺牲其机械强度。更重要的是，这种结构有助于我们在制造过程中减少整体材料使用量，从而缩短生产时间、降低成本并减轻环境影响。"
Tao Zhou，Wormley家族早期职业教授、工程科学与力学助理教授、论文通讯作者
生产过程始于获取患者大脑的MRI扫描，用于进行有限元分析——这一过程创建了个人神经结构的详细模拟。然后将该分析呈现为患者大脑的3D模型，研究团队使用计算机软件定制一种生物电极，使其专门变形以适应大脑皮层的隆起和沟槽。
成型后，研究团队使用直接墨水打印技术3D打印水凝胶电极，这种技术可以在相对较小的表面上创建能够监测和传输脑信号的电极。在这项研究中，研究团队3D打印了21名不同参与者大脑的模型，应用他们的电极并物理测量电极与大脑表面的贴合准确度。Zhou解释说，传统的制造方法需要像洁净室这样的专门设施，使其定制成本极其高昂——而3D打印使团队能够以更低的价格更快地个性化和制造电极。
与传统方法相比，基于水凝胶的电极能更精确地遵循大脑的结构。Zhou表示，他们的方法生产的电极对大脑中存在的电信号表现出近乎完美的连接性。此外，由于这种可拉伸的凝胶具有很高的可塑性，它可以应用于柔软的大脑组织而不会造成损伤，而其他设计中使用的刚性材料可能会损伤组织。
据Zhou介绍，他们电极的柔软性使电极能够与大脑建立更紧密、更稳定的接触，从而促进更高质量、更可靠的监测。此外，采用这种方法制造的生物电极不会影响大脑周围的液体运输，这是大脑功能的一个关键方面，而许多传统电极会干扰这一功能。
"将电极个性化以适应大脑的特定结构，大大提高了它们的可靠性，"Zhou说。"因为它们更好地贴合大脑，信号质量本身也得到了显著提高。"
为了进一步研究他们的电极，研究团队将它们放置在大鼠模型的大脑上长达28天。Zhou表示，大鼠对打印的电极没有表现出任何免疫反应，这是生物设备开发中的一个关键考虑因素。此外，电极没有表现出性能退化，同时提供了对大脑中电和生理信号的敏感且准确的读数。
Zhou表示，他认为这种打印方法可以作为商业规模打印针对特定患者定制的生物电极的框架。尽管这些系统传统上用于监测神经活动，但研究团队计划探索个性化电极如何有助于神经治疗。
"我们正在寻求进一步改进这项技术，以优化电极用于监测特定疾病，"Zhou说。"未来，我们非常希望与患者合作，看看这种方法如何能在临床环境中支持大脑监测和疾病治疗。"
与宾夕法尼亚州立大学相关的其他作者包括：生物医学工程教授、Dorothy Foehr Huck和J. Lloyd Huck脑成像讲席教授Nanyin Zhang；工程科学与力学及生物医学工程教授Sulin Zhang；工程科学与力学博士生Marzia Momin、Luyi Feng、Salahuddin Ahmed和Jiashu Ren；生物医学工程博士生Xiaoai Chen、Hyunjin Lee以及博士后学者Samuel R. Cramer；机械工程博士生Xinyi Wang；Basma AlMahood（研究时是物理学本科生，现为密歇根州立大学物理学博士生）；以及研究助理Li-Pang Huang。
这项工作得到了美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院的支持。
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