水凝胶因高含水量、类组织力学顺应性与优异生物亲和性，被视为连接生物系统与电子器件的理想载体，在神经调控、疾病诊疗等植入医疗领域展现出巨大应用前景。然而传统水凝胶在生理湿环境中存在固有溶胀倾向，易引发封装结构力学退化、导电网络断裂失效，同时现有导电水凝胶始终难以兼顾高电导率与高拉伸性，严重制约了植入式器件的长期稳定性。近期西湖大学团队于《Nature
Materials》发表的“3D -printed implantable bioelectronicsenabled by
anti-swelling and biphasicconductive
hydrogels”，提出胶束自组装策略构建抗溶胀水凝胶体系，结合双相导电设计与嵌入式 3D
打印技术，实现了高性能植入式水凝胶生物电子器件的可控制备，从材料、工艺到器件层面完成了系统性突破。
创新设计
针对水凝胶溶胀失效与导电性能瓶颈，研究团队提出三层递进的创新设计，构建了完整的植入式水凝胶电子材料工具包。首先是胶束自组装抗溶胀水凝胶基体设计。区别于传统通过提高交联密度或引入疏水组分的抗溶胀策略，该工作开发了无溶剂、无表面活性剂的原位胶束自组装方法，以亲水单体丙烯酸羟乙酯（HEA）与疏水单体丙烯酸乙酯（EA）构建二元体系，通过调节亲水单体比例，使疏水单体在水相中从宏观相分离逐步转变为热力学稳定的纳米胶束溶液；经紫外光原位聚合后，形成具有纳米相分离结构的
PHEA-PEA 水凝胶。其中疏水 PEA 微区充当高弹性物理交联点，无需额外化学交联剂即可连接亲水 PHEA
网络，从分子结构层面实现了本征抗溶胀特性。该设计具备高度普适性，可拓展至单单体、两亲 - 亲水二元、亲水 -
疏水三元等多种单体体系，为抗溶胀水凝胶的定制化设计提供了通用框架（图 2）。
其次是双相分离导电水凝胶墨水设计。研究团队将抗溶胀水凝胶粉碎为微凝胶颗粒，与银片导电填料复合形成双相导电墨水，银片分布在微凝胶间隙的可聚合单体溶液中，固化后形成分离式导电通路，有效降低渗流阈值；微凝胶颗粒固化后形成连续的抗溶胀水凝胶相，从结构上抵御溶胀对导电网络的破坏。这种导电相
- 水凝胶相分离的设计，从根本上缓解了溶胀导致的导电填料接触失效问题。
最后是两步固化嵌入式 3D 打印工艺。针对嵌入式打印中单体扩散稀释导电相的难题，团队设计了快速紫外预固化 +
温和热固化的两步固化流程，打印完成后先通过紫外光快速固化导电线路，限制支撑基质中单体向导电相的过度扩散，保留高导电相占比；再通过热固化实现支撑基质与导电线路的接枝共聚，形成界面结合牢固的整体化器件。该工艺兼顾了器件的高导电性能与结构整体性，为复杂三维水凝胶电子器件的高精度制备提供了可行路径。
创新的机制与效果
该材料体系的优异性能源于其独特的微观作用机制，在抗溶胀、力学与电学性能上均实现了量级提升。在抗溶胀与力学性能方面，纳米相分离结构是核心机制，疏水微区在水环境中保持稳定，通过物理交联作用限制亲水聚合物链的吸水扩张，使材料在高含水量下仍维持体积稳定。当
EA 与 HEA 摩尔比为 0.5:1 时，水凝胶平衡溶胀率仅约 9.8%，较纯 PHEA 水凝胶降低 39 倍，较传统海藻酸钠 -
聚丙烯酰胺双网络水凝胶降低 24.5 倍（图 2e）。同时疏水微区作为弹性交联点赋予材料超高拉伸性，平衡态下 PHEA-PEA
水凝胶断裂应变可达 2300%~3500%，杨氏模量可低至 26kPa，与人体软组织力学性能高度匹配，避免了刚性植入物带来的组织机械损伤。
在导电性能与机电稳定性方面，双相结构与扩散调控共同发挥作用。通过控制单体扩散时间精准调节导电相中的非导电组分占比，在 10~18
分钟的最优窗口内，导电水凝胶原始电导率可达 6709 S/cm，水平衡后仍保持 3550 S/cm，电失效应变超过
1300%。对比均相分布的导电水凝胶，双相设计在溶胀后电导率保留率提升一个数量级以上，彻底打破了导电水凝胶 “高导电 - 高拉伸”
不可兼得的固有瓶颈。性能对比显示，该材料溶胀态下的电导率与拉伸性组合，远超已有报道的各类导电水凝胶体系。
此外器件的长期稳定性同样亮眼，传统溶胀型导电水凝胶器件在水溶液中 6 小时内即完全失效，而该抗溶胀水凝胶电子器件可稳定工作超过 1
个月；200% 应变循环拉伸 150 次后电阻仅小幅上升，经复溶胀后电学性能可完全恢复，展现出优异的耐疲劳性与环境稳定性（图 1）。
适用性与生物相容性
对于植入式器件而言，生物相容性与体内适用性是决定其临床转化潜力的核心指标，该研究从组织层面到器件层面完成了系统验证。在生物相容性与异物反应调控方面，软质抗溶胀水凝胶展现出远超传统植入材料的低免疫原性。小鼠皮下植入实验显示，8
周后软质抗溶胀水凝胶周围几乎无炎症浸润与纤维化增生，纤维化厚度与假手术组无统计学差异，显著优于商用硅胶材料与传统溶胀水凝胶（图
3）。该材料可上调细胞外基质降解通路，抑制胶原合成与肌成纤维细胞活化，避免纤维囊的形成；同时材料周围 CD201 +
成纤维细胞祖细胞数量升高，推动组织向修复型而非纤维化型发展，从分子与细胞层面实现了异物反应的有效缓解。
在植入器件适用性方面，研究团队基于该材料体系 3D
打印了三类功能器件，均在大鼠体内实现了长期稳定运行。一是全水凝胶脑机接口，可共形贴附于大脑皮层采集皮层脑电信号，植入 5
周后仍能稳定记录体感诱发电位，信号质量无明显衰减；二是无线供电光电子器件，集成多层水凝胶电感与微 LED，可通过近场无线传能点亮，皮下植入 1
周后功能稳定，且无明显焦耳发热；三是无线坐骨神经刺激器，将接收线圈与神经电极一体化制备，体外无线供电即可触发大鼠后肢运动，植入 1
周后刺激效率无下降，且周围神经组织仅出现极轻微纤维化，远优于硅胶对照器件（图 5、图 6）。
结语
该研究依靠无溶剂胶束自组装、双相导电墨水、两步固化 3D
打印三大创新，同步攻克水凝胶溶胀失效、导电衰减、体内纤维化三大关键难题。通过微观相分离调控实现抗溶胀与高拉伸，依靠界面富集导电填料实现超高湿态电导率，结合低模量设计调控体内免疫响应。目前研究已在动物水平验证数周稳定工作能力，但更长周期植入安全性、可降解改性、与集成电路集成仍有待进一步探索。总体而言，这项成果搭建起兼顾理化稳定性与生物适配性的水凝胶生物电子平台，推动长效植入式脑机接口、神经刺激医疗器械走向实际应用。
来源：南极熊
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