2026年10月29日，来自德累斯顿莱布尼茨高分子研究所、德累斯顿工业大学、谢菲尔德大学和利默里克大学的研究人员开发了一种3D打印硅胶植入物，可在记录大脑电活动的同时冷却大脑表面的一小部分区域。在老鼠身上，这项装置抑制了类似癫痫发作的活动，研究团队认为这为药物难治性癫痫提供了一种潜在的替代疗法。
局部脑冷却技术通过暂时降低目标区域的温度来抑制神经活动，从而提供一种可逆的癫痫发作控制方法。然而，硬件方面的挑战阻碍了这项技术走向临床应用：从大脑吸收的热量必须安全地排出，而早期的系统依赖于体积庞大、结构僵硬的组件，这些组件并不适合软组织和颅骨的狭小空间。
△应用于局部脑冷却植入物的模块化设计和可打印制造框架
相关研究以题为“利用打印技术将热、流体和电元件集成到用于局部脑冷却的植入物中”的论文发表在《Advanced Science》（先进科学）期刊上，由 Spencer Ryan Moore、Naomi King、Aruã Clayton Da Silva、Clare Howarth、Jason Berwick、Thomas E. Paterson 和 Ivan R. Minev 联合撰写。
利用3D打印技术制造植入体
研究团队采用直接墨水书写（DIW）技术，在RegenHU 3D Discovery打印机上挤出陶氏化学公司的DOWSILSE1700硅胶，制造出尺寸为10 x 10 x 3毫米的植入物。研究人员表示，这种方法无需洁净室设备，且使用现成组件，有望降低多功能植入物的开发成本。植入装置由三个打印模块堆叠而成。底层包含四个由石墨和硅胶复合材料印刷而成的电极。中间层容纳一个微型热电冷却器（TEC），通电后可将热量从一侧传递到另一侧。顶层包含一个水通道，用于将热量从TEC的较热侧带走。每个硅胶层均采用连续印刷的方式，以避免可能削弱结构的接缝，最后通过固化工艺将各个模块熔合为一个整体。
△植入体三个堆叠硅胶模块的打印路径设计和组装。图片来自 Moore 等人，《先进科学》。
测试冷却性能
一个尺寸为 17 x 8 x 5 厘米的外部驱动单元为植入体供电，循环水流，并根据温度读数调节流向热电冷却器 (TEC) 的电流。周围脑组织的温度升高不应超过 1°C。研究团队的建模表明，自然脑脊液流动无法将 TEC 的暖侧温度维持在温度范围内，因此设计采用了强制水循环。在模拟脑组织的37°C琼脂凝胶中，植入装置能将目标温度维持在±0.25°C以内，并在约5秒内达到23°C。来自加热侧的热量保留在植入物内部，而冷却范围则延伸至装置下方1至3毫米处。在稳定冷却过程中，装置消耗2.6瓦的功率。作者指出，琼脂凝胶无法模拟血液流动，并且可能高估了冷却扩散的范围。
△驱动单元及植入物在模拟脑组织的凝胶中进行的冷却、散热和记录性能的实验室测试。图片来自 Moore 等人，《先进科学》。
大鼠癫痫发作抑制
研究团队在九只麻醉大鼠体内使用药物4-氨基吡啶诱发了类似癫痫发作的活动。药物通过NeuroNexus深度探针输送，探针同时记录了皮层内部的活动。随后，植入物施加了持续60秒的冷却事件，温度介于25°C至15°C之间。在所有测试温度下，降温均降低了平均脑信号能量，信号在激活后数秒内即减弱。15°C 的降温效果略逊于其他较低温度。研究人员表示，由于结果与以往研究有所不同，且基于少量试验，因此需要进一步研究。植入物的电极记录到δ波和β波脑波频段的信号下降最为稳定。在18°C时，δ波信号能量下降了48%±35%。冷却停止后数十秒，脑电活动恢复，这意味着这一疗法抑制了癫痫发作，但并未完全消除。
临床应用仍面临诸多障碍
1至3毫米的冷却深度与人类新皮层的厚度相当，作者认为这使得设计对于起源于新皮层的癫痫发作具有吸引力。更深层或分散的癫痫发作源可能需要更多的冷却触点或新的植入体形状。长期植入需要将680立方厘米的驱动单元缩小到与胸部植入式心脏起搏器相同的10至20立方厘米的体积。此外，还需要可靠的连接器、集成电源、密封的钛金属外壳以及老化测试。作者指出，无线电力传输是为植入装置供电的一种途径。他们还提出，植入物记录的信号最终可以自动触发冷却，借鉴帕金森病自适应深部脑刺激技术，可根据β波段活动调整输出。这项研究部分由欧洲研究理事会资助，并得到了谢菲尔德大学神经科学研究所的支持。
从印刷电极到多功能脑植入物
作者指出，以往的3D打印植入式电极阵列仅限于电刺激和记录。而局部冷却系统则需要使用独立的冷却和记录设备、笨重的外部硬件以及刚性金属部件。新论文的作者之一伊万·R·米内夫（IvanR. Minev）也曾参与撰写2020年谢菲尔德大学、圣彼得堡国立大学和德累斯顿工业大学的一项研究，研究利用3D打印技术制造出软性植入物，用于刺激受伤大鼠和斑马鱼的脊髓。这篇关于脑冷却的论文引用了这项研究，并将其与之前仅限于电功能的3D打印植入物进行了比较。
这种新型植入物将打印方法扩展到了温度控制领域，将冷却、散热和记录功能集成到一个位于大脑表面的柔软设备中。
来源：南极熊
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