来自IPF 德累斯顿（莱布尼茨聚合物研究所）、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，它能在记录大脑表面电活动的同时，对大脑表面的一个小区域进行冷却。在大鼠实验中，该装置抑制了类癫痫样活动，研究团队认为这一结果有望成为耐药性癫痫的替代疗法。
局灶性脑冷却通过暂时降低目标区域温度来平息神经活动，提供了一种可逆的抑制癫痫发作的方法。但它通往临床应用的道路一直被硬件问题所阻碍：从大脑中带走的热量还必须安全地排出，而早期系统依赖笨重、刚性的组件，不适合柔软的组织和颅骨内的狭小空间。
用 3D 打印制造植入物
研究团队采用直写成型（DIW）技术制造了这块 10×10×3 毫米的植入物，在regenHU的 3D Discovery 打印机上挤出陶氏的 DOWSIL SE1700 硅胶。研究人员表示，这种方法使用非洁净室工具和现成组件，可降低多功能植入物的开发成本。
该装置堆叠了三个打印模块：底层有四个由石墨 - 硅胶复合材料打印的电极；中层是一个微型热电冷却器（TEC），通电时可将热量从一侧转移到另一侧；顶层包含一条水道，将热量从 TEC 的发热侧带走。每层硅胶都作为一条连续路径打印，以避免出现可能削弱结构的接缝，最终固化将各模块融合成一体。
植入物三个堆叠硅胶模块的打印路径设计与组装。图片来源：Moore et al., Advanced Science。
冷却性能测试
一个尺寸为 17×8×5 厘米的外部驱动单元为植入物供电、泵送水流，并根据温度读数调节 TEC 的电流。周围脑组织的温升不应超过 1°C。团队的建模显示，自然脑脊液流动无法将 TEC 发热侧控制在该限度内，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，系统将目标温度保持在 ±0.25°C 以内，并在约 5 秒内达到 23°C。发热侧的热量保持在植入物内部，冷却效果则深入装置下方 1 至 3 毫米。稳态冷却时系统功耗为 2.6 瓦。作者指出，琼脂无法模拟血流，很可能高估了冷却的实际扩散范围。
驱动单元及植入物在模拟脑凝胶中的冷却、散热与记录性能实验室测试。图片来源：Moore et al., Advanced Science。
在大鼠中抑制癫痫发作
在九只麻醉大鼠中，研究团队用药物 4 - 氨基吡啶诱发了类癫痫活动。药物通过NeuroNexus深部探针递送，该探针同时记录皮层内部的活动。随后，植入物在 25°C 至 15°C 的温度下施加了 60 秒的冷却事件。
在所有测试温度下，冷却都降低了平均脑信号能量，信号在启动后数秒内即减弱。15°C 的设置效果略逊于较温和的设置。研究人员表示，这需要进一步研究，因为它与既往研究结果不同，且基于的试验次数较少。
植入物的电极记录到 delta（δ）和 beta（β）脑电波段的信号下降最为一致：在 18°C 时，delta 波段信号能量下降了 48%±35%。冷却停止数十秒后活动即恢复，这意味着该疗法抑制了癫痫发作，但并未将其终止。
临床应用的剩余障碍
1 至 3 毫米的冷却深度与人类新皮层的厚度相当，作者表示，这使得该设计对始于该层的癫痫发作颇具吸引力。更深或更分散的癫痫灶可能需要更多冷却触点或新的植入物形状。
长期植入则需要将 680 立方厘米的驱动单元缩小到胸部植入式起搏器的 10 至 20 立方厘米水平，还需要可靠的连接器、集成电源、密封的钛外壳以及老化测试。作者指出无线电力传输是为系统供电的途径之一。他们还提出，植入物记录到的信号最终可自动触发冷却，借鉴帕金森病自适应深部脑刺激的做法 —— 后者会根据 beta 波段活动调整输出。这项工作部分由欧洲研究理事会（ERC）资助，并得到谢菲尔德大学神经科学研究所的支持。
从打印电极到多功能脑植入物
据作者介绍，此前的 3D 打印植入式电极阵列仅限于电刺激和记录功能；而局灶冷却系统一直使用分离的冷却与记录装置、笨重的外部硬件和刚性金属。新论文作者之一 Ivan R. Minev 还参与合著了 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，该研究刺激了受伤大鼠和斑马鱼的脊髓。脑冷却论文将这项工作列为仅限电功能的既往打印植入物之列。
新植入物将这种打印方法拓展到温度控制领域，把冷却、散热与记录集于一个贴附在大脑表面的柔软装置中。这项题为 "doi.org/10.1002/advs.77831" 的研究由 Spencer Ryan Moore、Naomi King、Aruã Clayton Da Silva、Clare Howarth、Jason Berwick、Thomas E. Paterson 和 Ivan R. Minev 共同完成。
来源：中国3D打印网编译文章！
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