Pensando fora da caixa para fabricar chips neurais 3D personalizados

Os tecidos neurais cultivados têm sido amplamente utilizados como um modelo experimental simplificado para a pesquisa cerebral. No entanto, os dispositivos existentes para cultivar e registrar tecidos neurais, fabricados usando processos semicondutores, têm limitações em termos de modificação da forma e implementação de estruturas tridimensionais (3D).

Ao pensar fora da caixa, uma equipe de pesquisa da Kaist criou com sucesso um chip neural 3D personalizado. Eles primeiro usaram uma impressora 3D para fabricar uma estrutura de canal oca e depois usaram ação capilar para encher automaticamente os canais com tinta condutiva, criando os eletrodos e a fiação. Espera -se que essa conquista aumente significativamente a liberdade de design e a versatilidade da ciência do cérebro e das plataformas de pesquisa de engenharia cerebral. O artigo é publicado na revista Materiais funcionais avançados.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Yoonkey Nam, do Departamento de Biografia e Engenharia Cerebral, desenvolveu com sucesso uma tecnologia de plataforma que supera as limitações da fabricação tradicional baseada em semicondutores. Essa tecnologia permite a fabricação precisa de uma matriz de microeletrodos 3D (interfaces neurais com múltiplos microeletrodos dispostos em um espaço 3D para medir e estimular o sinal eletrofisiológico dos neurônios) em várias formas personalizadas para chips de cultura in vitro.

A fabricação de matriz de microeletrodos 3D existente, com base em processos de semicondutores, possui liberdade de design 3D limitada e é caro. Embora as técnicas de fabricação baseadas em impressão 3D tenham sido propostas recentemente para superar esses problemas, eles ainda têm limitações em termos de liberdade de design 3D para várias estruturas de rede neural in vitro porque seguem a sequência tradicional de “Padrão de material condutor → revestimento isolador → Abertura do eletrodo”.

A equipe de pesquisa Kaist alavancou a excelente liberdade de design em 3D fornecida pela Tecnologia de Impressão 3D e sua capacidade de usar materiais impressos como isoladores. Ao reverter o processo tradicional, eles estabeleceram um método inovador que permite design mais flexível e medição funcional dos modelos de rede neuronais 3D para cultura in vitro.

Primeiro, eles usaram uma impressora 3D para imprimir um isolador 3D oco com micro-túnios. Essa estrutura foi projetada para servir como um andaime estável para materiais condutores no espaço 3D, além de apoiar a criação de várias redes neuronais 3D. Eles então demonstraram que, usando a ação capilar para preencher esses micro-túnicos internos com tinta condutiva, eles poderiam criar uma matriz de microeletrodos de andaimes 3D com microeletrodos mais livres organizados dentro de uma complexa estrutura de apoio à cultura 3D.

A nova plataforma pode ser usada para criar várias formas de chip, como tipo de sonda, tipo cubo e tipo modular, e suporta a fabricação de eletrodos usando materiais diferentes, como grafite, polímeros condutores e nanopartículas de prata. Isso permite a medição simultânea de sinais neurais multicanais de dentro e fora da rede neuronal 3D, permitindo uma análise precisa das interações dinâmicas e conectividade entre os neurônios.

O professor Nam declarou: “Esta pesquisa, que combina a ação de impressão e capilar em 3D, é uma conquista que expande significativamente a liberdade de fabricação de chips neurais”. Ele acrescentou que isso contribuirá para o avanço da pesquisa fundamental da ciência do cérebro usando tecido neural, bem como campos aplicados como biossensores baseados em células e biocomputas.

O Dr. Dongjo Yoon, do Departamento de Biografia de Kaist e Engenharia Cerebral, participou como o primeiro autor do estudo.