浙江大学赵骞教授《自然·通讯》：无需触发定时变形的4D打印柔性电子基底，实现生物电子器件植入新方式

随着生物电子学的飞速发展，可植入的柔性电子器件在神经调控、心脏监测、疾病治疗等领域展现出巨大潜力 。为减少侵入性植入创口，具有按需变形能力的形状记忆软基底材料被广泛关注。该类材料能够实现微创条件下以微小的临时形态植入，随后在体内响应刺激产生形变，最终贴合目标组织并发挥生理功能。

然而，当前大多数智能材料的形变依赖于外部触发（例如热、光等），在复杂生物体内环境中这些刺激往往难以精确施加。能否让植入器件像拥有“预设程序”一样，在设定的时间点，无需任何外部干预，自主、智能地完成形状转变，从而自适应地包裹目标组织？ 此外，高质量的柔性基底还应具备与目标组织相匹配的三维复杂结构，以适应不规则生物界面，尽可能降低界面阻抗。

近日，浙江大学赵骞教授团队在《自然·通讯》上发表了一项突破性研究，采用数字化4D打印技术制备出了一种无需外部触发、宏观形状可定制、变形路径可编程的自适应变形3D基底，为下一代智能植入式生物电子提供了全新机遇。该成果以“4D printing of trigger-free shape-memory hydrogels towards self-adaptive substrates for bioelectronics”为题发表在Nature Communications上。论文的第一作者为倪楚君特聘研究员（浙江大学附属第二医院），通讯作者为晋秀明教授（浙江大学附属第二医院）、陈颖副研究员（清华大学柔电院）和赵骞教授（浙江大学）。该工作得到了国家自然科学基金的支持。

图1a展示了4D打印过程，含有丙烯酸单体、N，N′-亚甲基双丙烯酰胺交联剂和光引发剂的前驱液在DLP数字光投影仪的时空曝光下进行聚合，得到二维凝胶片材。由于光照在厚度方向上存在光衰减，二维凝胶存在固化梯度。当其浸泡在醋酸钙溶液时，未反应单体被除去而形成复杂三维形状，该过程称为4D打印。基于双面图案化曝光设计，一系列复杂的三维水凝胶结构得以构筑（图1b）。相比于传统的3D成型技术，该制备过程便捷且快速，仅需要单层曝光即可获得复杂三维结构。此外，由此制备的三维凝胶具备光滑的曲面薄壁结构，其曲率可定制并与目标生物组织进行完美贴合，尤为适合作为柔性电子基底。而这些结构很难通过其他技术如逐层3D打印制得。

图1.4D打印过程

该水凝胶不仅拥有复杂的形状，还表现出具有无需外部刺激的定时自发形状记忆行为（见图2a）。凝胶在25°C时均质柔软并变形为临时形状，而在90°C 加热下会发生强烈相分离而固定该临时形状。经过一定时间的热处理后，该凝胶再次放回室温后并不会立刻回复形变，而是会先维持一定时间（该时间称为定时窗口tonset）稳定随后再自发变形。从机制上看，这种行为由内部质量扩散驱动，即相分离的聚合物链在相演变过程中通过水分重新分布而被激活（Nature 2023，622,748–753）。在4D打印过程中，不同的曝光时间将导致聚合物网络结构差异，显著影响相分离行为及相应的tonset。实验结果表明（图2b），随着曝光时间增加，凝胶网络结构逐步致密导致其相分离能力下降，定时窗口缩短。当光照时间从80s上升至240s，tonset从7.4分钟缩短至2.5分钟（图2c）。

图2.4D打印水凝胶的定时能力

根据上述结果， 4D打印技术可以设定凝胶任意像素点的宏观曲率及定时变形时间，赋予三维凝胶复杂的形变路径。通过曝光图案设计，复杂的三维形状如风车（图3上 ）或者螺旋连接器（图3下 ）可以被成功制得。经过形状编程，该凝胶在室温下无需外部刺激即可呈现复杂的自主形状记忆回复路径。

图3. 复杂自主变形路径。

最后，本研究展示了该4D打印定时形变凝胶作为生物柔性电子基底的应用潜力（图4）。研究团队制造了一个集成了液态金属导电电路的螺旋状水凝胶电极，并将其植入兔子体内。该器件在生理环境中自主、定时地时序缠绕变形，紧密包裹眼外肌肉，记录到稳定的肌电信号。这项工作为设计下一代智能、自适应、微创的植入式医疗器件提供了一个通用的材料与制造平台。

图4. 时序缠绕的螺旋式柔性基底

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67323-1