西湖大学传捷报！植入式全水凝胶生物电子器件研制成功

如果有人告诉你，未来植入大脑的脑机接口，材质和果冻差不多软，你信吗？

这不是科幻。西湖大学未来产业研究中心周南嘉、姚远团队联合医学院陶亮团队，刚刚把这件事变成了现实。他们研制出的植入式全水凝胶生物电子器件，在大鼠体内连续工作数周，几乎没有引发任何排异反应。相关成果已发表于《自然·材料》。

一个卡了领域几十年的死结

水凝胶这东西，做隐形眼镜、做果冻都挺好，柔软亲肤，和人体组织的手感几乎一样。拿它做植入式电子器件，理论上是最优解——设备能像人体组织一样舒服地“住”在身体里，而不是像块金属异物一样被免疫系统围攻。

但水凝胶有个致命毛病：太爱喝水。

放进水里，它会像泡发的“水宝宝”一样持续膨胀，材料学上叫“溶胀”。植入体内后，体液让封装层胀大，机械性能断崖式下跌，里面精心排布的导电网络被生生扯断。器件几天甚至几小时就报废。

2022年，周南嘉团队已经首创了水凝胶软电子器件的3D打印技术，却因为溶胀问题，始终无法架起连接人体与机器的长期桥梁。

一次“意外”带来的转机

转机来得有些偶然。团队在做其他课题时，发现了一种不溶胀的水凝胶——早期隐形眼镜材料。它泡水不胀，但硬而脆，植入体内会引发强烈异物反应。

怎么才能既“不胀”又变软？团队把亲水单体和疏水单体混合在水中，前者“安抚”了后者，溶液被紫外光一照，原地自组装成水凝胶。

惊喜之后是漫长的挫折。第一批材料能拉长十几倍，换了新试剂再做，却脆得一拉就断，怎么都复现不了。排查一个多月，姚远找到了“罪魁祸首”：市售单体里的微量交联剂杂质，像胶水一样把高分子链绑死了。纯度从98%降到96%，拉伸性就损失数十倍。

去除杂质后，新材料在水中几乎不溶胀，拉伸率飙升至2300%到3500%，柔软程度与人体软组织相差无几。

像在果冻里“画”电路

底座有了，还差一张能导电的“电网”。

普通3D打印是“搭积木”，一层层堆叠，每层都得够硬才能托住上面的。可水凝胶软得像果冻，刚挤出来就瘫了，根本搭不起来。团队的办法是反着来——不搭，钻进去画。

打印针头直接扎进一块已经成型的凝胶基质里，一边移动一边挤出导电墨水。针头划过的路径，墨水留在里面；针头拔出来，软的凝胶自己就把痕迹“愈合”了。基质全程充当支撑台、画布和封装层，完工后直接把电路包在体内。

导电墨水本身也是一项突破。团队把抗溶胀水凝胶粉碎成10到20微米的微凝胶颗粒当“骨架”，再把约5微米的银片挤进颗粒缝隙里，“像在拥挤的石块缝隙中铺设电缆”。银片密集接触成网，电导率最终达到约3550 S/cm，比多数已报道的导电水凝胶高出一个数量级以上。

最难熬的两个月为什么这件事值得关注

打印出的电路，电导率时好时坏。每次做四个样本，总是一两个可以，另外的不行。

团队给样本编号、逐项排查，发现秘密藏在“打印完成”到“光照固化”之间的等待时间里：单体向银片网络渗透，等太短导电网络易断，等太长电导率断崖式下跌。他们找到了10到14分钟的“黄金窗口期”，用“两步固化法”锁死状态，电导率才稳定下来。

在大鼠体内“隐身”工作

真正的考验在活体。全水凝胶脑机接口紧紧贴合大鼠柔软的脑组织，植入1周和5周后都能清晰记录神经电信号。包裹坐骨神经的无线神经刺激器，仅约400毫伏电压就能诱导腿部运动。

最难得的是，这种水凝胶在体内像穿了“隐身衣”——几乎没有引发异物反应和炎症。传统水凝胶器件在体内6小时内就会因溶胀而失效，而抗溶胀水凝胶器件在植入后数月内仍保持功能。

为什么这件事值得关注

脑机接口、神经修复电极、心脏起搏器——这些未来医疗器械的核心诉求，正在从“能工作”转向“能长期安全地工作”。传统金属和硅基器件植入体内，会引发免疫系统攻击，形成纤维化包裹，最终导致信号失灵。

水凝胶的柔软和生物相容性是理想答案，但“溶胀”问题卡了领域几十年。西湖大学团队的突破在于：用一种反直觉的3D打印策略，把电路“织”进了柔软材料内部，同时解决了材料溶胀和导电性的根本矛盾。

姚远透露，下一步计划把导电网络中的银换成更稳定、无毒的金。从脑机接口到神经修复电极，通往长期稳定、与人体高度融合的医疗器械的大门，正在被推开。

编辑：柯欣

审核：王汝霖

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