你戴过的隐形眼镜、吃过的果冻，核心材质都是水凝胶，柔软亲肤，触感与人体软组织十分接近。用它来做脑机接口、心脏起搏器这类需要长期植入体内的电子器件，是科学界构想过的事：设备能像人体组织一样舒适地“潜伏”在体内，而不是像一块金属异物那样被免疫系统围攻。但水凝胶极度亲水，进入人体后会不受控制地吸水膨胀，器件几天甚至几小时就报废。近日，西湖大学未来产业研究中心周南嘉、姚远联合西湖大学医学院陶亮团队，设计出全新材料与 3D打印机 制，解锁了植入式全水凝胶生物电子器件，相关成果在线发表于《自然·材料》。
溶胀这个死结，卡住了水凝胶植入器件几十年
水凝胶走向体内的第一道坎，材料学上叫溶胀。普通水凝胶放进水里，会像泡发的“水宝宝”一样持续吸水膨胀。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，器件随之失效。
这道坎之所以难跨，是因为水凝胶的优点和缺点来自同一个源头。它含水量高、力学柔顺、生物相容性好，能与天然组织形成共形无缝的界面，合理设计的水凝胶在植入时引发很少的免疫反应，甚至不会引起纤维化。可也正是这种强亲水性，让它在湿润的生理环境中难以同时维持结构稳定与电学性能。既要柔软贴合，又要遇水不胀，两个要求天然对立。
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。传统方案要么依赖有机硅等非生物材料做封装，牺牲界面亲和性；要么接受器件在数周内性能衰减的现实，牺牲使用寿命。对需要长期工作的植入式医疗器件来说，这两种妥协都不可接受。
一次偶然打开突破口，从隐形眼镜材料到胶束自组装
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，来源是早期隐形眼镜材料。它泡水不胀，但硬而脆，植入体内会引发强烈的异物反应。问题于是变成了一个更棘手的版本：怎么才能既保留“不胀”，又让它变软。
团队给出的方案是胶束自组装。研究人员把亲水单体和疏水单体混合在水中，前者“安抚”了后者，溶液在紫外光一照之下原地自组装成水凝胶。以亲水单体丙烯酸羟乙酯与疏水单体丙烯酸乙酯为原料，通过调节两者的配比，可以在不牺牲抗溶胀性能的前提下大幅降低材料刚度。论文中的分子设计显示，这种胶束结构在纳米尺度上稳定存在，正是抗溶胀性能的来源。
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，反复多次都复现不了。团队排查了一个多月，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。纯度仅从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。
这个细节对产业界有直接启示。同一个配方在实验室里表现优异、放大后却性能崩坏，往往不是工艺参数的问题，而是原料批次中的微量杂质在起作用。对做增材制造材料的企业而言，原料纯度与批次一致性，有时比配方本身更能决定成败。
像在果冻里画电路，嵌入式3D打印找到十分钟黄金窗口
底座有了，还差一张能导电的“电网”。普通3D打印是搭积木式的层层堆叠，每一层都要足够硬才能托住上面的结构。可水凝胶软得像果冻，刚挤出喷嘴就瘫了，根本搭不起来。团队的做法是反过来，不往上搭，而是钻进去画。
他们把抗溶胀水凝胶粉碎成10到20微米的微凝胶颗粒当作骨架，这个尺寸比最细的头发丝还细，再把约5微米的银片挤进颗粒之间的缝隙，用论文中的描述，就像在拥挤的石块缝隙里铺设电缆。银片密集接触形成网络，再通过嵌入式3D打印把电路织进水凝胶。打印针头直接扎进已经成型的凝胶基质，一边移动一边挤出导电墨水，针头划过的路径留下电路，针头拔出后软的凝胶自行“愈合”痕迹。
真正难熬的是长达两个月的反复调试。打印出的电路电导率时好时坏，每做四个样本总有一两个达标。团队给样本编号、逐项排查，最终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，等待时间太短导电网络容易断，太长电导率又断崖式下跌。他们找到了10到14分钟的“黄金窗口期”，用“两步固化法”把状态锁死，一举解决了批次稳定性问题。
| 工艺参数 | 数值 |
|---|---|
| 微凝胶颗粒粒径 | 10到20微米 |
| 银片尺寸 | 约5微米 |
| 单体扩散窗口期 | 10到14分钟 |
| 固化方式 | 两步固化法 |
4000S/cm与1300%应变，导电水凝胶的性能天花板被抬高
性能数据是这项研究最有说服力的部分。团队发现，传统导电水凝胶的电导率往往低于1000S/cm，远不足以支撑高性能的生物电信号传输与刺激。通过调控制备过程中的单体扩散行为，精准调控导电水凝胶的导电相结构，这种双相导电抗溶胀水凝胶在水环境达到溶胀平衡后，最高电导率可达4000S/cm，报道的实测值约为3550S/cm。
更关键的是这个数字是在溶胀平衡之后测得的。此前多数导电水凝胶的高电导率数据来自干燥或初始状态，一旦进入湿润的生理环境就大幅衰减，实验室数据与体内表现之间存在明显落差。这项研究把性能指标定义在平衡态，等于直接对齐了真实使用场景，也让材料数据具备了工程参考价值。
力学方面，这种导电水凝胶的电学失效应变超过1300%，也就是被拉伸到自身长度十三倍以上才失去导电能力。对于需要贴合柔软脑组织、随呼吸与心跳发生形变的植入器件而言，可拉伸性决定了它能否长期保持稳定的信号交互。抗溶胀与高拉伸这两个特性同时出现在一种材料上，构成了这项工作的核心突破。
大鼠体内的活体大考，脑机接口与神经刺激器长期稳定
材料性能达标之后，真正的考验在动物体内。团队用这套体系打印了多种植入式水凝胶生物电子器件，包括脑机接口、无线供能光电器件以及坐骨神经刺激器，并完成了大鼠植入实验。
| 器件类型 | 实验表现 |
|---|---|
| 全水凝胶脑机接口 | 紧密贴合脑组织，植入1周与5周均能清晰记录神经电信号 |
| 无线神经刺激器 | 包裹坐骨神经，约400毫伏电压即可诱导腿部运动 |
| 无线供能光电器件 | 验证无线供能路径下的稳定工作能力 |
| 组织相容性 | 几乎未引发异物反应与炎症，无明显纤维囊包裹 |
全水凝胶脑机接口能紧紧贴合柔软的脑组织，在植入1周和5周两个时间点都能清晰记录到神经电信号。包裹坐骨神经的无线神经刺激器，仅需约400毫伏的电压就能诱导腿部运动。论文同时将抗溶胀水凝胶与有机硅材料做了对照，在长达8周的观察中，抗溶胀水凝胶诱发的异物反应明显更轻微。
最难得的是组织相容性。水凝胶器件在体内像穿了一件“隐身衣”，几乎没有引发异物反应和炎症，也未出现明显的纤维囊包裹。对植入式医疗器件来说，免疫反应带来的纤维化包裹会逐渐把器件与组织隔离开，是长期信号衰减的主要原因之一。这一结果意味着器件在体内维持长期稳定通信的最大障碍被绕开了。
结语
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，进一步提升长期植入的安全性。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。对增材制造行业来说，这项工作的意义还在于它展示了嵌入式3D打印的另一条路径：当结构本身太软、无法层层堆叠时，让针头钻进材料内部去构建功能网络，同样是一种可行的制造逻辑。
来源：科技日报、人民网科普中国、Nature Materials