« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « הדפסה ל- Custom Neural Electrode המונחים

האבולוציה המהירה של ייצור התוסף פתחה הזדמנויות טרנספורמטיביות ברחבי הנדסה ביו-רפואית, עם אחד הגבולות המשכנעים ביותר להיות הייצור של אלקטרודות עצביות מותאם אישית. מכשירים זעירים אלה משמשים כממשק קריטי בין חומרה אלקטרונית ורקמות חי, המאפשר הקלטה מדויקת וגירוי בשני המחקר וההגדרות הקליניות.שלב את חופש העיצוב של הדפסה תלת-ממדית עם הדרישות המחמירות של ממשק עצבי מעצב מחדש את האופן שבו חוקרים ומרפאות, והפרעות מוחיות, וממשקים-מוח.

התפקיד הקריטי של אלקטרודות ניאליות נורמטיביות במדעי המוח המודרניים

אלקטרודות נילי מתחת לרסן מגוון רחב של יישומים, גירוי עמוק במוח עבור מחלת פרקינסון ועד מערך אלקטרוקוגניות בעלות גבוהה בשימוש ניטור אפילפסיה. Off-the-shelf אלקטרודות לעתים קרובות לא מצליחים להכיל וריאציות אנטומיות בודדות, המוביל להפחתה באיכות האותות הניתוק, נזק רקמות מוגברת, ותוצאות טיפוליות מוגבלות.

כיצד 3D הדפסה כתובות מגבילות קירור מסורתיות

ייצור אלקטרודה אמנה מבוסס על photolithography, micromachining, ורכב ידני - תהליכים יקרים, זמן-consuming, ומוגבל לתכנן או פשוט גיאוגרפיה. 3D הדפסה circumvents רבים של מגבלות אלה באמצעות שכבת-על-ידי שכבת מחיקה, המאפשרת השקיה מהירה ואדריכלות מורכבת, שלושה-ממדית יתרונות מרכזיים: כוללים:

(FLT:0) התאמה אישית שלפטי-ספטורי: ראטאלף:1 (המודלים הדיגיטליים הנגזרים מ-MRI או סריקות CT מאפשרים צורה אלקטרודה, גודל ונוקשות להיות מותאמים לאנטומיה עצבית אינדיבידואלית.
(FLT:0) ,Rapid Prototyping:FLT:1 עיצוב מחזורי לדה-דייטינג מתכווץ בין שבועות לשעות, ומפחיתים הן מחקר והן תרגום קליני.
(ב) ניתן לשלב בין מספר חומרים לא-תואמים ואימפולסיביים: 1 (ב) ניתן לשלב בין מספר גדלים של חומרים ביולוגיים שאינם מתאימים ומוליכים בתוך מקטע מודפס יחיד.
(FLT:0)Complex Geometries:FLT:1 Structures כגון ⁇ ⁇ ⁇ , ערוצים מיקרו-fluidic, וערכים מעוקלים הופכים להיות אפשריים, שיפור אינטגרציה רקמות וצמצום התגובה של גוף זר.

יכולות אלה מציבות הדפסה תלת-ממדית כחלופה משבשת לייצור אלקטרודות שאינן רק מתאימות אישית, אלא גם גבוהות יותר מבחינה תפקודית.

חומרים ונכסים שלהם

בחירת החומר קובעת את מוליכות האלקטרודה, גמישות, ביו-גמישות, ויציבות ארוכת טווח. קבוצות מחקר ברחבי העולם מתפתחות באופן פעיל ואופיינו את הגרסאות המורכבות כדי לעמוד בדרישות התובעניות של עיגול עצבי.

פולימרים

פולימרים כגון פולי(3,4-ethylenedioxythiophene) ופוליפיפלאסול (PPy) מציעים יכולת הזרקת מטען גבוהה וגמישות מעולה.כאשר 3D מודפס, הם יכולים להיות פורמול כמו דיוסים או filaments הניב אלקטרודות רכות, תואמים כי ממזער חוסר התאמה מכני עם רקמות מוחות האחרונות הוכיחו PD-מדומים לגמישות דומה עם נוגדנים.

חומרים מבוססי פחמן

ננו-בוטיקים (CNTs) וגרףטן מושכים עניין אינטנסיבי בשל מוליכות חשמלית יוצאת דופן שלהם, כוח מכני, שטח משטח גדול.שילוב של מטבוליות פולימר באמצעות הדפסת תלת מימדי מניב אלקטרודות עם יכולת אחסון מוגברת ורעש מופחת.לדוגמה, חוקרים ב FLT:0 טבע ננוטכנולוגיהFLT:1) הדפסו גרף אלקטרודות כי ביצועים לאחר מיליוני מחזורים.

Metal Composites

מתכות מוקדמות כמו פלטינה וזהב נשאר תקני זהב עבור אלקטרודות עצביות בגלל ההתנגדות קורוזיה שלהם ו מוליכות גבוהה. 3D הדפסה של מרוק-polymer מורכב - לעתים קרובות באמצעות ננו-חוטים כסף, חלקיקים נחושת, או מיקרוסקופי פלטינה מושעה בכבל לא עקבי ביולוגית - ניתן ליצור קשרים עם מוליכות גבוהה ואת המורכבות הגיאומטרית הנדרשת עבור התמחויות מותאמות אישית.

שיטות ייצור

שיטות הדפסה תלת-ממדיות שונות מציעות שינויים נפרדים בין החלטה, מהירות, והתאמה חומרית.השיטות הרלוונטיות ביותר לייצור אלקטרודה כוללות:

מודל FDM (FDM)

FDM extrudes thermoplastic filaments שכבת על ידי שכבה. בעוד ההחלטה מוגבלת בדרך כלל - 100 מיקרומטר, הטכניקה היא זולה וגישה רחבה. pilaments (למשל, פחמן-שחור-העומס PLA) יכול לייצר גופי אלקטרודה בסיסיים, אבל לאחר עיבוד או הדפסה רב-חומרית נדרשים לעתים קרובות עבור קשרים בעלי ביצועים גבוהים.

כתיבה ישירה (DIW)

DIW משתמש בסירינג כדי להפקיד "inks" המכילים מילויים התנהגותיים.הוא מציע פתרון ביניים (~50 μm) והצטיין הדפסה מבנים רכים, מורכבים. DIW מתאים במיוחד עבור ייצור מערך אלקטרודה עם מיקרו ערוצים משובצים עבור משלוח סמים או שחרור מתמשך של גורמים נוירוטרופיים.

2 תמונות של Polymerization (TPP)

TPP היא שיטה מבוססת לייזר המסוגלת לרזולוציה תת-מיקרונית, המאפשרת יצירת פיגומים תלת-ממדיים מורכבים ומערך אלקטרודה בעל רגישות גבוהה.המגבלה העיקרית שלה היא מהירות הדפסה איטית ועלויות ציוד גבוהות, אך היא אינה מתאימה למיקרו-מפרק מדויק של בדיקות עצביות עצביות. A 2023 במחקר ב-FLT:0Additive Manufacturing LettersFalratederalrated, המשמש ל-TPPD2, כדי להשיג מגעים גמישים עם רזולוציה של 5.

Stereolithography (SLA)

SLA מרפאה resin photopolymer עם אור UV, מתן החלטה בין זה של FDM ו TPP ( - 20-50 μm) התקדמות לאחרונה הציגה resinsive resins doped עם חלקיקים מתכת או פחמן דוטרופינים, המאפשר הדפסה SLA של מערך אלקטרודה שלם בשלב אחד.הטכניקה היא מדבקת במהירות עבור cochlearlearlear ויישומים Retinal Retinal.

אתגרים נוכחיים ב 3D-Printed Neural Electrodes

למרות הבטחתו, התחום מתמודד עם כמה מכשולים שיש להתגבר עליהם על אימוץ קליני נרחב.

(FLT:0) חינוך עצמיות לעומת Flexibility Trade-off:FLT ( 1 חומרים שהם מאוד התנהגותיים (למשל, מתכות) נוטים להיות נוקשים, בעוד פולימרים גמישים יש חוסר יכולת גבוה יותר. Balancing תכונות אלה הדפסה אחת נשאר אתגר מרכזי.
(FLT:0) ארוך-טווח ביו-קומביפטיות: 1 ימלאות רבים, כגון צינורות פחמן או חלקיקים כסף, עשויים להצית תגובות דלקתיות כרוניות אם לא כראוי מבססים את היציבות במשך חודשים או שנים ב vivo הוא קריטי.
(FLT:0Microscale Resolution: FLT:1 , הקלטה ניאל דורשת מגעים אלקטרודה קטנים כמו 10-20 מיקרומטר.רוב טכניקות הדפסה 3D נאבקים כדי להשיג תכונות מצוינות כאלה עם תכונות חשמל עקביות על פני מערך גדול.
(ב) ⁇ :0) אינטגרציה עם אלקטרוניקה:FLT:1 יש לעתים קרובות מחובר אלקטרודות מודפסות נוכחיות לאלקטרודות מודפסות באופן ידני כדי לקרוא מעגלים, הצגת נקודות של כשל, מודפס במלואו, מונוליטיFLT:2 מערכות מוגדלות למערכות ,FLT 3 המשלבות אלקטרודות עם הדגימה על הסיפון עדיין לא ניתן להיקף.
(FLT:0) הסתברות: 1FLT:1; Batch-to-batch variability in Conductive inkקומפוזיציה ופרמטרים הדפסה יכולים להוביל לביצועים אלקטרודה עקביים, מחסום לאישור רגולטורי.

פתרונות עתידיים ו-Outlook

החוקרים מפתחים אסטרטגיות כדי להתמודד עם אתגרים אלה.הדפסה רב-חומרית - חומרים מוליכים ומבודדים באותו בניין - פרוזזות כדי לחסל את השלבים של הרכב ידני:0Hybrid הדפסה (FLT:1) שילוב DIW עבור עקבות מוליכים-גבוהים ו-SLA עבור פגזים מדויקים כבר מראה הבטחה עבור התחדשות הבאה.

בתחום החומרים, (FLT:0) סגסוגת מתכת נוזלית (איור 1) (למשל, גייום אנמטי) מציעים מוליכות קיצונית וגמישות מתוחה, והם מותאמים להדפסה 3D באמצעות חדירה מיקרו-השפעהית או קואקסיאלית.

כיוון מבטיח אחר כרוך ב-FLT:0.1 הדפסת הדפסה מבוססת-דלוק 1 (Balonk-based PrintcioFLT:1) המשלבת תאים חיים, גורמי צמיחה או נוירוטרופינים ישירות לתוך אלקטרודות אלקטרודות "ביאואקטיביות" כאלה יכולים לקדם את הגדלה העצבית העצבית העצבית ולהקטין את הצלקות הנצנצפית, שיפור דרמטי של יציבות ההקלטה לטווח ארוך.

במבט קדימה, (FLT:0) מלאכותי מונחה על ידי אינטליגנציה מלאכותית עיצוביםFLT:1 עשוי לייעל את הגיאומטריה אלקטרודה ואת ההפצה החומרית עבור אנטומיות המטופל ומטרות עצביות ספציפיות. בשילוב עם מערכות הדפסה תלת-ממדיות סגורות אשר מתאימות פרמטרים בזמן אמת, החזון של ממשקים עצביים מותאמים באמת הופך להיות מוחשי יותר ויותר.

מסקנה

הדפסה תלת מימדית מציעה מסלול חזק כדי לייצר אלקטרודות עצביות מותאם בדיוק לאנטומיה אישית של המטופל, מעולה מבחינה תפקודית, המיוצר בעלות נמוכה יותר מאשר חלופות קונבנציונליות.התקדמות בחומרים - מפולימרים מוליכים לפחמן ננו-חומרים ומתכות נוזליות - מרחיבים את המעטפה הביצועית, בעוד טכניקות הדפסה חדשניות מאפשרות פתרון ומורכבות שלא ניתן להשגה בעבר.