山西
水凝胶生物电子器件因其独特的组织状力学顺应性、高含水量和优异生物相容性，被视为连接生物系统与电子系统的理想桥梁。然而，在潮湿的生理环境中，传统水凝胶普遍存在溶胀现象，这一特性会引发双重破坏：一方面，溶胀导致水凝胶封装材料的力学性能退化，降低结构稳定性；另一方面，溶胀破坏导电网络，造成电学失效。尽管已有研究尝试通过提高交联密度、引入动态网络或复合导电聚合物等策略来改善水凝胶的抗溶胀性能和导电性能，但现有材料普遍面临湿态导电率低（通常低于1000 S cm−1）、拉伸性不足（低于300%）以及制备工艺复杂等问题。此外，植入器件引发的异物反应（FBR）仍是影响长期稳定性的关键挑战。因此，如何在保持软组织力学匹配性的同时，实现抗溶胀、高导电和长期生物相容性的协同优化，是该领域的核心科学难题。
图1 基于抗溶胀水凝胶的电子器件设计
西湖大学周南嘉、陶亮、姚远团队报道了一种基于胶束自组装方法的抗溶胀水凝胶材料体系，通过亲水单体丙烯酸羟乙酯（HEA）与疏水单体丙烯酸乙酯（EA）的原位共聚合，形成纳米相分离结构，无需外加交联剂或表面活性剂。该水凝胶在生理环境中溶胀率低至-9.8%，同时兼具高拉伸性（2300-3500%）和低杨氏模量（26-52 kPa）。在此基础上，研究团队开发了微凝胶支撑基质和双相导电水凝胶墨水，结合嵌入式3D打印技术，实现了复杂水凝胶电子器件的精密制造。通过调控单体扩散过程，导电水凝胶的湿态电导率可达4000 S cm−1，电学失效拉伸应变超过1300%。体内实验表明，该抗溶胀水凝胶引发的异物反应显著低于传统硅弹性体和溶胀性水凝胶。研究团队成功制备了三种功能器件：脑机接口、无线供能光电器件和坐骨神经刺激器，并在大鼠体内验证了其长期稳定性和可靠运行能力。
图2 抗膨胀水凝胶的设计及其力学性能
该项研究建立了一套完整的抗溶胀水凝胶材料工具包，包括用于封装的软组织模拟抗溶胀水凝胶和用于导电通路的双相超高导水凝胶。通过胶束自组装策略，实现了无表面活性剂的绿色合成路线，所得水凝胶兼具优异抗溶胀性、高拉伸性和低免疫原性。嵌入式3D打印技术的引入使得复杂三维结构的精密制造成为可能，而两阶段固化策略则有效调控了导电相中的非导电组分比例，优化了湿态电导率。在动物模型中，基于该材料体系的脑机接口、无线光电器件和坐骨神经刺激器均展现出长期稳定的信号采集和刺激功能，且组织学分析证实了其优异的生物相容性。该研究为开发下一代长期植入式水凝胶生物电子器件提供了系统的材料解决方案，并预示着结合水稳定性半导体水凝胶后，有望实现全水凝胶基多功能生物电子系统。
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
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