冷却、排热、记录一体化：3D打印多功能植入物瞄准局灶性脑冷却临床转化

一颗能记录大脑活动、还能给局部降温的植入物，被3D打印出来了。
研究来自德累斯顿莱布尼茨高分子研究所（IPF）、德累斯顿工业大学Else Kröner Fresenius数字健康中心（EKFZ）、谢菲尔德大学和利默里克大学。
团队做出的是一个植入物原型，把原本要拆成两套设备的记录与冷却功能合进同一个器件，并给出了一套用3D打印做多模态植入物的设计框架。
针对的是耐药性局灶性癫痫。
这类癫痫靠药物压不住，团队希望这条路线能成为替代疗法。
植入器件听起来激进，可面对药物难治的癫痫，激进一点是有理由的。

局灶性脑冷却的思路不复杂。
把目标区域温度暂时降一点，神经活动就会被压住，而且这种抑制可以逆转。
难处在哪？
热量从大脑抽走以后，还得安全带走。
早期系统依赖笨重、刚性的组件，放进柔软组织和狭小的颅腔空间都不合适。
所以，真正要解决的不是能不能冷，而是怎么把冷却做得足够小、足够软，还能顺手记录脑电。
和此前提出的系统相比，团队的说法是，这条制造路线能降低植入物复杂性，缩短制造时间，器件尺寸也更小。

团队用直接墨水书写的方法做了一块10 x 10 x 3毫米的植入物。
打印机是RegenHU公司的3D Discovery，挤出的材料是陶氏DOWSIL SE1700硅胶。
研究人员说，这套方法用的是非洁净室工具和现成组件，可以降低开发多功能植入物的成本。
器件由三个打印模块叠起来。
底层是四个电极，由石墨和硅胶复合材料打印而成。
中间层放了一个微型热电冷却器，通电后能把热量从一面搬到另一面。
顶层是一条水通道，负责把热电冷却器热侧的热量带走。
每一层硅胶都以一条连续路径打印，避免接缝削弱结构。
之后再通过固化，把几个模块融合成一个整体。
柔性硅胶结构、流体通道、电子元件，三样东西被整合在同一个器件里。
外面再配一个辅助驱动单元，植入物的记录和冷却功能由它自主监测和控制。

冷却性能先在琼脂凝胶里测试。
凝胶保持在37°C，用来模拟脑组织。
一个17 x 8 x 5厘米的外部驱动单元给植入物供电，让水在通道里循环，并根据温度读数调节热电冷却器的电流。
周围脑组织的升温不能超过1°C。
团队建模后发现，自然脑脊液流动没法让热电冷却器的热侧留在这个限制内，所以设计改成了强制水循环。
在凝胶里，系统把目标温度控制在±0.25°C以内，并在约5秒内达到23°C。
热侧的热量留在植入物内部，冷却则到达器件下方1至3毫米。
稳定冷却期间，系统消耗2.6 W。
作者也提醒，琼脂不能复制血流，可能会高估冷却扩散的距离。
验证先经过有限元仿真和琼脂基组织模型，结果显示冷却够快、够稳，也够局部。

一只麻醉大鼠的大脑表面贴着一块3D打印硅胶植入物。
冷却启动后，癫痫样活动在几秒内减弱。

接下来才是活体实验。
在九只麻醉大鼠中，团队用药物4-氨基吡啶诱发癫痫样活动。
药物通过NeuroNexus公司的深度探针递送，这根探针同时记录皮层内部的活动。
随后，植入物在25°C至15°C之间实施了60秒冷却事件。
每个测试温度下，冷却都降低了平均脑信号能量。
信号在启动后数秒内减弱。
植入物上那颗3D打印复合电极拿到的皮层脑电图，记录质量和商用系统相当。
15°C设置反而比更温和的设置效果略差。
研究人员说，这需要进一步研究，因为它和既往研究不同，而且只基于少量试验。
植入物的电极记录到德尔塔和贝塔脑波频段最一致的下降。
德尔塔频段信号能量在18°C时下降48% ± 35%。
冷却停止后数十秒，活动恢复。
也就是说，治疗抑制了癫痫发作，但没有把它终止。
这个区别很重要。
能压住发作和能终结发作，不是一回事。
局灶冷却确实把实验诱发的类癫痫发作活动抑制下去了。
记录和治疗本来是两条线，一条归诊断，一条归干预。
现在它们在同一个微型器件里碰了头，这就是这次尝试真正的分量所在。

从大鼠走到人，障碍还很多。
1至3毫米的冷却深度和人类新皮层厚度相当。
作者认为，这让设计对起源于该层的癫痫发作有吸引力。
它想做的不是把整个大脑按下去，而是让一小块出问题的区域暂时安静下来。
更深或更分散的癫痫发作源，可能需要更多冷却触点，或者新的植入物形状。
长期植入还要解决驱动单元的体积。
现在这个外部驱动单元是680 cm³，目标是把它缩小到胸部植入起搏器的10至20 cm³水平。
此外还需要可靠连接器、集成电源、密封钛外壳和老化测试。
作者提到，无线功率传输是给系统供电的一条路径。
他们还提出，植入物记录的信号最终可能自动触发冷却。
这个思路借鉴了针对帕金森病的自适应深部脑刺激，后者会根据贝塔频段活动调整输出。

把时间往前拨，3D打印植入式电极阵列此前主要停留在电刺激和记录。
与此同时，局灶性冷却系统一直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。
新植入物把这种打印方法扩展到了温度控制。
冷却、排热和记录被集成在同一块位于大脑表面的软性器件里。
论文作者之一伊万·米涅夫还共同参与了2020年的一项研究。
那项研究由谢菲尔德大学、圣彼得堡国立大学和德累斯顿工业大学开展，用3D打印做软性植入物，刺激受伤大鼠和斑马鱼的脊髓。
这篇脑冷却论文在引用先前仅限于电功能的打印植入物时，提到了那项工作。
从电刺激和记录，到温度控制，3D打印脑植入物能做的事情又多了一块。
团队给出的判断是，3D打印可以做紧凑型多功能医疗植入物，这条路走得通，也为迈向临床应用进一步开发打了底。
这项工作部分由欧洲研究理事会资助，并得到谢菲尔德大学神经科学研究所的支持。
资金来自欧洲研究理事会ERC启动基金，项目名叫IntegraBrain。
研究题为《植入物中热学、流体和电气组件的打印辅助集成用于局灶性脑冷却》，作者包括斯宾塞·瑞安·摩尔、娜奥米·金、阿鲁昂·克莱顿·达席尔瓦、克莱尔·豪沃思、杰森·贝里克、托马斯·佩特森和伊万·米涅夫。