西湖大学团队解锁下一代3D打印植入式全水凝胶生物电子器件

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Nat Mater ：始于柔软，归于长存：西湖大学团队解锁下一代3D打印植入式全水凝胶生物电子器件
* I) e( |$ a  s5 V+ N3 F7 V5 S1.        水凝胶生物电子器件
9 L: O; _3 @3 T0 [2 M) a: {3 h2.        异物反应（FBR）
5 t, ]1 G0 @# q& R3.        高免疫原性
8 v7 T0 \1 k# v% L  t3 N( f$ h来源：iNature 2026-09-15 15:12
  |  x. R  A; R5 h8 c该研究报道一种胶束自组装方法以制造柔软、可拉伸和抗溶胀的水凝胶，作为可植入水凝胶生物电子器件的构建模块。与传统溶胀水凝胶和硅酮相比，这些抗溶胀水凝胶在长期植入期间显示出减少的异物反应。) w( e; o( C- a* Z
水凝胶生物电子器件是连接生物和电子系统的有前景候选者。然而，由于水凝胶封装的溶胀诱导机械退化和导电网络的电失效，在潮湿生理环境中维持水凝胶器件与生物材料之间的稳定通信具有挑战性。
3 [  g; b& j  V+ x0 ^+ b- i/ r' B2026年7月31日，西湖大学周南嘉，陶亮和Yuan Yao共同通讯在Nature Materials 在线发表题为3D-printed implantable bioelectronics enabled by anti-swelling and biphasic conductive hydrogels的研究论文。
$ W9 i8 }, o- m$ j该研究报道一种胶束自组装方法以制造柔软、可拉伸和抗溶胀的水凝胶，作为可植入水凝胶生物电子器件的构建模块。与传统溶胀水凝胶和硅酮相比，这些抗溶胀水凝胶在长期植入期间显示出减少的异物反应。
. y5 t& c6 K; ?1 H6 j* k使用微凝胶策略，作者将抗溶胀水凝胶工程化为一种支撑基质和一种双相导电水凝胶墨水，实现水凝胶生物电子器件的嵌入式3D打印。通过调控制造过程中的单体扩散，作者定制导电水凝胶的导电相，在水环境平衡后实现了高达4,000 S cm⁻¹的电导率，以及超过1,300%的电失效应变。
, }7 c7 V8 n6 D6 S9 A# b  C8 F打印了不同类型的水凝胶生物电子植入物，包括脑机接口、无线供电光电器件和坐骨神经刺激器。这些器件在大鼠植入后显示出长期稳定性和可靠操作。
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软生物电子器件已成为神经再生治疗、心血管疾病治疗和疼痛管理的有前景治疗工具。然而，实现长期操作稳定性仍然是一个关键挑战，主要是由于这些器件中使用的固有干燥和非生物材料的不稳定性以及高免疫原性。
6 Y% h+ t% k) i: n基于水凝胶的电子材料是开发具有增强体内寿命的生物电子器件的有前景替代品。它们可以提供相当的电子性能，同时保留水凝胶的优点，包括高含水量、类组织机械柔顺性、优异的生物相容性和生物亲和性。这些独特的物理化学性质有利于与天然组织形成共形无缝界面。
% i4 G5 {. @! Q& ^) Q$ K: e% B  ]" }近期进展表明，合理设计的水凝胶材料在植入时引发很少的免疫反应且不引起纤维化，甚至可为移植细胞提供保护性和类天然环境以避免免疫排斥。这些特性使得基于水凝胶的电子器件在本质上非常适合生物医学用途。7 ^" r$ z+ b! o1 J/ b" U

5 ]5 @; C! ~/ E+ L! ~& E图1.基于水凝胶的防膨胀电子元件的设计（摘自Nature Materials）  `% r: }) z! H
然而，传统水凝胶在生理条件下表现出内在的溶胀趋势，这对维持结构稳定性和电性能构成了关键挑战。已有尝试通过使用导电聚合物作为导电相或减轻水凝胶基质的溶胀行为来制造具有高湿电导率和拉伸性的水凝胶。% @! |1 A: I& ?( k5 F' Y
尽管取得了进展，但最先进的导电水凝胶仍然面临电导率和拉伸性之间的基本权衡。它们在溶胀状态下通常表现出有限的湿电导率（<1,000 S cm⁻¹）和受损的拉伸性（<300%），实质上落后于基于弹性体的导电材料。) d6 a6 y8 l" O: Z
在本工作中，作者呈现了用于制造免疫相容性、高性能水凝胶生物电子植入物的材料设计，范围从脑机接口（BCIs）到无线供电光电器件和坐骨神经刺激器，并证明了其可靠的长期体内操作。
8 D6 S* _' C+ h( _1 v. @, Q4 o这是通过开发一套抗溶胀水凝胶材料实现的，包括一种柔软且高度可拉伸的抗溶胀水凝胶封装和一种具有高湿电导率的双相导电水凝胶，并使用作者先前开发的嵌入式3D打印技术实现。; T8 o. K- e5 C4 `0 r% W. _- b
与传统溶胀水凝胶（S-水凝胶）相比，抗溶胀水凝胶在水环境中表现出可忽略的溶胀、显著减少的电导率损失和强大的机械稳定性。它们还引发显著更低的异物反应（FBR）。$ J) p# z$ p+ Y; C3 ~# x: b* l
因此，虽然由S-水凝胶制成的器件显示出明显的溶胀并在水环境中6小时内失效，但作者的抗溶胀水凝胶器件在植入后数月内保持功能，并在体内表现出显著增强的长期稳定性。  o( v( W$ P7 {; b1 p% E$ r
参考消息：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02691-7
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