脑机接口（BMI）是当前科技领域最前沿的研究方向之一。然而，多年来脑机接口设备的制造高度依赖精密光刻和微加工等半导体制造工艺，门槛高且难以实现灵活的定制化设计。美国西北大学的研究团队近日宣布了一项颠覆性的技术突破——他们开发出可3D打印的人工神经元，能够在体外成功触发活体组织中的真实神经活动，为脑机接口制造开辟了增材制造的全新技术路径。
人工神经元的设计原理
神经元是神经系统的基本功能单元，通过电信号的产生、传导和突触传递来控制生物体的感知、思考和运动。人工神经元的设计目标是在电子层面模拟天然神经元的电生理行为，包括静息电位的维持、动作电位的触发、不应期的恢复和突触后电位的整合。
西北大学团队设计的人工神经元采用了有机电化学晶体管（OECT）作为核心功能元件。与传统的硅基晶体管不同，OECT使用导电聚合物作为沟道材料，能够通过离子的注入和抽取来调节其导电状态。这种离子调控机制与生物神经元中离子通道的工作原理高度相似，使得OECT能够在电化学层面准确地模拟神经元的电生理响应特性。
更重要的是，研究团队开发出了适合3D打印的导电聚合物墨水配方。通过调整聚合物的分子量、掺杂剂的种类和浓度以及溶剂的配比，他们制备出的墨水具有适合挤出式3D打印的流变学特性和快速固化能力。打印出的OECT器件在电学性能方面与光刻工艺制备的器件相当，沟道电导调制比达到10的四次方，开关响应时间在毫秒量级。
激活活体神经组织的试验验证
为了验证3D打印人工神经元的生物功能，研究团队进行了一系列从简单到复杂的测试。首先，他们在培养皿中测试了人工神经元对模拟神经信号的响应能力，证明其能够产生与天然神经元的动作电位波形相似的电信号输出。
接下来是最关键的验证环节——人工神经元与活体神经组织的接口测试。研究团队将3D打印的人工神经元与大鼠的离体脑切片进行连接测试。他们将人工神经元的输出端紧贴在海马体区域的神经元表面上，然后向人工神经元输入电刺激信号。结果令人振奋——人工神经元产生的电信号能够有效地跨越器件-组织界面，成功触发脑切片中相邻天然神经元的动作电位发放。
进一步测试显示，3D打印人工神经元与活体神经组织之间的信号传递具有双向性。当脑切片中的天然神经元产生自发电活动时，人工神经元也能够检测到这些信号并将其转换为电学输出。这种双向通信能力对于未来构建神经修复和脑机接口系统至关重要。
个性化神经接口制造的变革
3D打印在制造个性化医疗器件方面具有天然的优势。每个人的神经系统解剖结构都存在差异，特别是在脑损伤、脊髓损伤或截肢等病理条件下，受损的神经结构更是千差万别。传统的标准化神经接口器件往往难以与患者的特定神经解剖结构完美匹配，限制了神经修复的效果。
3D打印人工神经元技术的出现有望改变这一现状。利用患者的脑部医学影像数据（如MRI或CT），医生可以重建其神经系统的三维解剖模型，然后在模型基础上设计出与患者解剖结构精确匹配的人工神经元阵列。通过3D打印，这一设计可以被快速、准确地制造出来。
研究团队表示，虽然目前的工作还处于实验室验证阶段，距离临床应用还有很长的路要走，但已经证明了核心原理的可行性。在未来的工作中，团队将聚焦于三个方向：提升人工神经元的长期稳定性和生物相容性、开发更高密度的神经元阵列打印技术，以及在动物模型中验证人工神经元对受损神经功能的修复效果。
来源：3DPrint.com