《Nature Materials》西湖大学：导电水凝胶！

柔性植入式生物电子器件是神经再生、心血管疾病干预、慢性疼痛调控等临床医学场景的核心前沿工具，其核心作用是搭建电子系统与活体生物组织的稳定信号交互界面。传统植入器件多采用硅酮、刚性金属、干态无机材料制备，存在力学性能与软组织严重失配、生物免疫原性高两大核心缺陷，植入后极易诱发持续性炎症与纤维化包裹，大幅缩短器件体内有效工作周期。

水凝胶凭借高含水率、类组织模量、优异生物相容性与组织贴合能力，被公认为下一代植入生物电子的理想基底材料。现有研究证实，经分子设计的水凝胶植入后可大幅降低免疫应答，甚至为移植细胞构建免疫隔离微环境，规避排斥反应。但传统水凝胶在体液生理湿环境下存在不可避免的本征溶胀行为，会引发两大致命失效问题：一是水凝胶封装层溶胀形变造成整体机械结构溃散；二是内部导电填料网络被水分分隔、接触断裂，电学性能快速衰减，器件短时间内完全失效。

为改善湿态导电与抗溶胀性能，学界分别开展导电聚合物复合、高密度交联、疏水改性等路线研究，但现有材料普遍存在电导率与可拉伸性无法兼顾的核心权衡矛盾：主流导电水凝胶平衡后湿态电导率普遍低于 1000 S/cm，拉伸断裂应变不足 300%，远不及弹性导电材料性能上限；同时现有疏水改性策略依赖大量表面活性剂或繁琐溶剂置换工艺，残留助剂存在长期体内细胞毒性风险，高密度交联方案又会显著提升凝胶硬度，加剧组织力学刺激与异物反应（FBR）。

制造层面，现有导电水凝胶仅能制备薄膜、块状简单单一体结构，无法实现复杂封装电路、多层无线线圈、集成光电器件等高精度一体化成型，缺少适配植入器件复杂三维构型的一体化增材制造方案，限制了全水凝胶植入设备的功能拓展与临床转化。体内生物相容性维度，常规溶胀水凝胶植入后因吸水膨胀持续压迫周边组织，即便本体模量较低，仍会诱导与硅橡胶（PDMS）相当的重度纤维化；硅酮类商用柔性弹性体虽无溶胀问题，但高模量界面会持续激活成纤维细胞通路，长期植入后形成致密纤维囊，阻断器件与组织的信号传导，制约长效植入应用。综上，同步实现超低溶胀、超高湿态导电、高拉伸柔性、低免疫原性、高精度 3D 一体化打印的水凝胶材料体系，是植入生物电子领域亟待突破的关键科学与工程难题。

成果简介

近日，西湖大学周南嘉、陶亮、姚远等人提出无溶剂、无表面活性剂的胶束自组装制备策略，开发系列兼具超低溶胀、类软组织柔性、低异物反应的抗溶胀水凝胶体系；基于微凝胶改性思路，构建可嵌入 3D 打印（EM3DP）专用支撑基质与高导电双相水凝胶墨水，配套紫外 - 热两步固化工艺精准调控导电相微观结构，打破导电性能与拉伸性能的固有权衡。

该材料平衡后水环境平衡态电导率最高突破 4000 S/cm，电学失效拉伸应变超 1300%；相较于传统溶胀水凝胶，体内植入后异物反应显著减弱，纤维囊厚度大幅降低。

图 1 | 抗溶胀水凝胶基电子器件整体设计

胶束自组装法合成抗溶胀水凝胶

研究采用亲水单体（HEA/HEA/MEA 等）与疏水丙烯酸乙酯（EA）二元 / 三元单体复配体系，利用亲水单体逐步乳化疏水单体，自发形成热力学稳定油包水纳米胶束前驱液，全程不添加交联剂、表面活性剂与有机溶剂；经 365 nm 紫外原位光固化后，疏水 PEA 纳米畴作为物理交联点，均匀分散于亲水 PHEA 连续网络，形成纳米相分离结构抗溶胀水凝胶。

系统调控水 - 总单体摩尔比（W）、亲水疏水单体配比，证实 EA:HEA 摩尔比0.5:1 时溶胀系数仅 9.8%，分别为共价交联 PHEA 单水凝胶、海藻酰胺双网络水凝胶的 1/39、1/24.5；水单体比例提升会增大相分离尺寸，同步小幅降低溶胀率，材料光学状态由透明向半透明、不透光可控转变。该胶束组装策略具备普适性，拓展 HEMA 单单体、MEA-HEA 二元、AA-AM-EA 三元三套单体体系，均可制备性能匹配的抗溶胀水凝胶。

力学测试表明平衡态 PHEA-PEA 水凝胶拉伸区间达 2300%~3500%，PMEA-PHEA 体系杨氏模量低至 26–52 kPa，完美匹配脑组织、外周神经等软组织力学区间；与已报道各类抗溶胀水凝胶横向对比，该体系同时实现极低溶胀、超高延展性与可调低模量，力学综合性能具备显著优势。

图 2 | 抗溶胀水凝胶的分子设计及其力学性能

抗溶胀水凝胶植入后低异物反应验证

以小鼠皮下植入模型系统对比不同材料长期宿主免疫响应，选用低模量 PMEA-PHEA 软抗溶胀凝胶、高模量 PHEMA 硬抗溶胀凝胶、软硬两种商用 PDMS 硅橡胶、传统海藻酰胺溶胀水凝胶（S - 水凝胶）开展 2 周、8 周对照植入。

H&E组织病理染色结果显示，软抗溶胀凝胶植入部位炎症细胞浸润极少，纤维化厚度与假手术组无统计学差异；硅橡胶、溶胀水凝胶均诱发重度纤维化，核心诱因是 S - 水凝胶吸水膨胀持续挤压组织，硅橡胶高模量持续激活纤维化通路。RNA 测序差异基因富集分析证实，软抗溶胀凝胶周边组织基因表达模式与空白假手术组高度接近，特异性上调胞外基质降解通路，其余材料均大幅激活胶原蛋白合成、成纤维细胞增殖通路，加速纤维囊生成。

多重免疫荧光标记定量 CD201 成纤维祖细胞、α-SMA 肌成纤维细胞、波形蛋白、核心胞外基质标志物 DCN、COL1A1，8 周植入周期内软抗溶胀凝胶界面肌成纤维细胞与胶原沉积维持极低水平，完整阐明材料抑制异物反应的分子通路，证实该体系可作为长期植入器件封装层。

图 3 | 抗溶胀水凝胶植入后的体内异物反应研究

可打印支撑基质与双相导电水凝胶设计

将 PMEA-PHEA 抗溶胀凝胶低温冷冻球磨粉碎为微米级微凝胶颗粒，重新溶胀于单体引发剂混合液，调控微凝胶固含量 13.3%–15.4% 获得屈服应力型可打印支撑基质，固化后保留母体超低溶胀特性，同时延展性进一步提升，作为器件绝缘封装相。

以 5 μm 银片导电填料构建双相导电墨水：微凝胶构成抗溶胀骨架，银片富集于微凝胶间隙形成隔离型导电通路，大幅降低渗流阈值；提出紫外快速固化 + 热固化两步成型工艺，通过控制打印后单体扩散时间调控导电相内非导电凝胶占比，一步固化会造成单体过度扩散稀释导电填料，湿态电导率断崖式下跌；最优扩散窗口 10–18 min 时，干态电导率最高 6709 S/cm，水环境平衡态稳定维持 3550 S/cm 以上，最高可达 4000 S/cm 量级，显著优于填料均匀分散对照样。

机电耦合性能测试证实，平衡态导电水凝胶拉伸至 1200% 以上不发生导电断路，200% 应变循环数千次后浸泡复水，电导率可完全恢复；基于该墨水打印 23 像素水凝胶显示器件，水环境持续浸泡 1 个月仍稳定点亮微 LED，扭曲、200% 大拉伸工况下无断路失效。

图 4 | 双相导电抗溶胀水凝胶的电学与机电性能

无线供电水凝胶电子器件制备与表征

依托嵌入 3D 打印制备二维、三维多层水凝胶感应线圈，线圈匝数、线间距精准调控电感参数，三层立体线圈在 6 cm 传输距离仍可输出 2.5 V 峰峰值感应电压，满足 LED、神经刺激电极驱动需求；器件长期工作焦耳热极低，无局部过热损伤组织风险，0–180°多角度耦合均可稳定拾取无线能量。大鼠皮下植入无线光电子原型，术后 1 天、7 天均可稳定点亮皮下微LED，形变拉伸至 250% 仍保持电路完整，证实湿态力学稳定性与体内无线能量传输可靠性。

图 5 | 可无线供电的水凝胶电子器件制备与性能表征

长效植入式生物电子器件体内功能验证

全水凝胶脑机接口（BCI）：一体化打印三通道皮层信号采集阵列，植入大鼠运动皮层，术后 1 周、5 周均可清晰记录躯体诱发电位，长期植入无信号衰减，器件与脑组织保形贴合，界面阻抗持续优化，规避传统刚性电极纤维化隔绝信号问题。

无线坐骨神经刺激器：集成整流二极管、双层接收线圈与神经包裹电极，植入大鼠后腿坐骨神经周边，400–600 mV 输出电压可精准诱发后肢可控运动，植入 7 天刺激响应幅度无衰减；组织切片定量神经外膜纤维化厚度，水凝胶刺激器与假手术组无显著差异，商用 Ecoflex 对照组纤维增生显著加重，证明器件对周围神经无长期损伤。

两类设备完整验证该抗溶胀水凝胶材料体系在神经信号采集、无线神经调控两大核心植入场景的长效稳定工作能力。

图 6 | 基于抗溶胀水凝胶的长效植入式生物电子器件

小结

本研究构建一套完整的抗溶胀水凝胶材料增材制造体系，从分子胶束自组装材料合成、微凝胶改性打印墨水、两步固化导电调控、三维一体化打印成型，到多类植入设备动物功能验证，系统性解决传统水凝胶生物电子湿态溶胀失效、导电 - 拉伸性能互斥、长期植入重度异物反应、复杂三维结构难以成型四大关键瓶颈。

材料层面开发无助剂、高适配多单体的通用抗溶胀凝胶合成路线，平衡态同时实现千级超高电导率、超千百分比拉伸应变、软组织匹配低模量、极低体内纤维化；制造层面建立嵌入 3D 打印配套双相导电墨水与两步固化工艺，可一体化集成无源线圈、微型光电器件、整流芯片等异质元器件，批量制备多功能全水凝胶植入设备。

体内动物实验证实，脑机信号采集、无线光电子、外周神经刺激三类原型设备均可在大鼠体内稳定工作至少一周至数周，宿主免疫排斥反应被显著抑制。该工作搭建了面向临床长效植入的水凝胶生物电子完整研发平台，后续可结合半导体水凝胶体系拓展全凝胶多功能植入芯片，推动神经疾病、心血管介入、慢性疼痛调控等柔性医用植入设备的临床转化进程。

参考文献：

Yao, Y., Luo, J., Hui, Y. et al. 3D-printed implantable bioelectronics enabled by anti-swelling and biphasic conductive hydrogels. Nat. Mater. (2026).

https://doi.org/10.1038/s41563-026-02691-7