SCI 文献解读丨 Absin 助力抗溶胀双相导电水凝胶用于 3D 打印植入式生物电子器件

一、文献综述

期刊：Nature Materials（IF≈47.656，材料 / 工程技术一区顶刊）西湖大学

DOI：10.1038/s41563-026-02691-7西湖大学

文章标题：3D-printed implantable bioelectronics enabled by anti-swelling and biphasic conductive hydrogels（基于抗溶胀双相导电水凝胶的 3D 打印植入式生物电子器件）

核心结论：本研究开发胶束自组装策略制备柔软高拉伸抗溶胀水凝胶，构建可嵌入式 3D 打印的支撑基质与双相导电水凝胶墨水；水环境平衡后电导率最高可达 4000 S・cm⁻¹，电失效拉伸应变 > 1300%；该材料植入后异物反应（FBR）显著降低；成功打印脑机接口、无线光电器件、坐骨神经刺激器，在大鼠体内实现长期稳定植入工作，解决传统水凝胶植入器件溶胀失效、免疫排斥难题，为植入式软生物电子提供完整材料工具包西湖大学。

爱必信产品作用：采用abs47047616 DAPI 染色液完成细胞核复染定位，搭配abs50015-02 七色多重荧光免疫组化染色试剂盒实现多种组织标志物多靶标原位共染，支撑植入部位组织病理、成纤维细胞、ECM 相关蛋白的空间原位表达分析，为评估材料体内异物反应提供组织学证据。

二、研究领域背景介绍

柔性植入式生物电子器件在神经再生治疗、心血管疾病干预、疼痛调控领域具备巨大应用前景，但是传统器件多采用干性非生物材料，体内长期工作稳定性差、免疫原性高，容易发生器件失效、组织纤维化包裹西湖大学。

水凝胶类电子材料含水量高、力学匹配软组织、生物亲和性好，是植入生物电子的理想候选。但传统水凝胶在生理体液环境下会发生严重溶胀：溶胀破坏封装层机械性能、撕裂导电网络，造成器件电学快速失效；同时过度溶胀会压迫周围组织，诱发强烈异物反应与纤维化。现有导电水凝胶普遍存在电导率与可拉伸性能此消彼长，溶胀后湿态电导率不足 1000 S・cm⁻¹，拉伸率低于 300%，难以满足长期植入需求。现有抗溶胀水凝胶制备依赖高交联度、大量表面活性剂或繁琐溶剂置换，带来高硬度、潜在毒性隐患，限制 3D 打印加工与体内应用。基于以上痛点，该研究开发无溶剂无表面活性剂胶束自组装抗溶胀水凝胶体系，搭建完整 3D 打印植入水凝胶生物电子平台。

三、作者整体研究思路总结

全文遵循材料合成表征→体外性能评价→体内生物相容性验证→打印墨水开发与工艺优化→多类型原型器件制备→动物体内植入功能验证完整的转化研究逻辑链：

1. 材料合成：开发胶束自组装策略，构建无额外交联剂抗溶胀水凝胶，系统调控单体配比、水-单体摩尔比，表征微观相分离、抗溶胀、力学性能，拓展多种单体体系验证策略普适性；

2. 体内生物相容性：细胞毒性验证，小鼠皮下植入，组织学、转录组、多重免疫组化评估异物反应与纤维化，筛选低 FBR 的水凝胶体系；

3. 打印墨水开发：微凝胶策略制备可打印支撑基质与双相导电水凝胶墨水；调控单体扩散时间，优化两步固化工艺，平衡湿态电导率与拉伸性能；

4. 器件制造：嵌入式 3D 打印制备无线供电水凝胶光电器件、脑机接口 BCI、坐骨神经无线刺激器；

5. 动物功能验证：大鼠体内植入，分别验证无线光电输出、皮层 ECoG 信号记录、外周神经电刺激长期功能，组织学评估植入后纤维化水平；

6. 展望：提出结合半导体水凝胶，实现全水凝胶多功能植入系统未来发展方向。

四、分模块详细研究思路、实验结果、对应图片

模块 1：胶束自组装法合成抗溶胀水凝胶，材料微观与宏观理化性能表征（对应原文图 2）

1、研究逻辑：利用亲水单体 HEA、疏水单体 EA，依靠自发胶束自组装，UV 光引发聚合，疏水相充当物理交联点，无需外加交联剂；改变单体摩尔比、水-总单体摩尔比 W，探究配比对抗溶胀、微观相分离、力学、透光性影响；拓展多套单体体系验证该策略通用性。

2、核心实验：冷冻透射电镜、原子力显微镜 AFM、小角中子散射 SANS 观察微观相分离；溶胀因子测试；应力-应变力学测试；拓展 HEMA 单单体、MEA-HEA、三元单体体系验证通用性。

3、关键实验结果

· 疏水 EA 和亲水 HEA 混合体系，随 HEA 加入，体系由宏观分层转变为水包油乳液，最终形成热力学稳定胶束；UV 固化得到 PHEA-PEA 水凝胶，疏水 PEA 畴作为物理交联点。

· EA-HEA 摩尔比 0.5:1 时溶胀因子低至 9.8%，相比共价交联 PHEA 水凝胶、海藻酸钠-聚丙烯酰胺双网络水凝胶，抗溶胀能力分别提升 39 倍、24.5 倍。

· 随着水-单体摩尔比 W 增大，相分离尺寸从～10 nm 增长至 > 250 nm，材料从透明转变半透明、不透明；不同配比可调控杨氏模量、断裂拉伸；平衡后 PHEA-PEA 体系最高拉伸可达 2300-3500%。

· HEMA、MEA-HEA、三元单体体系均可得到抗溶胀水凝胶，证明胶束自组装策略具有通用性。

模块 2：抗溶胀水凝胶植入显著降低体内异物反应 FBR（对应原文图 3）

1、研究逻辑：体外确认细胞毒性合格；设置多组对照（软抗溶胀水凝胶、硬抗溶胀水凝胶、软 PDMS、硬 PDMS、传统溶胀水凝胶）进行小鼠皮下植入；H&E 染色评估纤维化厚度、炎症评分；转录组测序解析差异基因与通路；多重免疫组化检测成纤维细胞、肌成纤维细胞、ECM 标志物蛋白表达水平。

💡爱必信产品使用步骤：小鼠植入部位皮肤组织切片，使用abs47047616 DAPI 染色液标记细胞核，abs50015-02 七色多重荧光免疫组化染色试剂盒完成 CD201、α-SMA、波形蛋白 Vimentin、DCN、COL1A1 多靶标 TSA 多重荧光共染，原位观察各类标志物表达与分布。

2、核心实验：细胞毒性实验；小鼠皮下植入；H&E 组织病理学；RNA-seq 转录组；多重免疫荧光 mIHC；通路富集分析。

3、关键实验结果

· 软抗溶胀水凝胶（PMEA-PHEA）植入后炎症、纤维化程度和假手术组接近；硅橡胶 PDMS 无论软硬均诱发严重纤维化；传统溶胀水凝胶尽管模量低，但因体内过度溶胀压迫组织，同样诱发强烈异物反应。

· 转录组显示软抗溶胀水凝胶周围组织基因表达谱接近假手术组，上调细胞外基质 ECM 降解通路；其余材料激活胶原合成通路，促进纤维化囊形成。

· mIHC 结果：软抗溶胀水凝胶界面肌成纤维细胞数量少；早期 ECM 蛋白短暂上调，长期植入后 ECM 积累消退；其余对照组持续高表达 ECM 标志物，大量肌成纤维细胞聚集在材料-组织界面。筛选 PMEA-PHEA 作为植入器件封装候选材料。

模块 3：可打印支撑基质与双相导电水凝胶墨水开发，高湿态导电、高拉伸性能（对应原文图 4、Extended Data Fig.1）

1. 研究逻辑：将抗溶胀水凝胶冷冻球磨制备微凝胶颗粒，溶胀于单体胶束溶液得到具有屈服应力的 3D 打印支撑基质；银薄片作为导电相制备双相导电墨水；利用可控单体扩散 + 两步固化（UV 快速固化 + 热固化）工艺，调控导电相微观结构；对比一步固化、无扩散工艺，评估溶胀前后电导率、拉伸电学稳定性。

2. 核心实验：微凝胶制备、墨水配制；流变学测试；嵌入式 3D 打印；LCR 表测试溶胀前后电导率；拉伸-循环电学测试；缺口样循环拉伸测试。

3. 关键实验结果

· 微凝胶策略成功制备支撑基质与导电墨水，满足嵌入式 3D 打印的流变需求。

· 单体扩散时间是关键参数：最优扩散窗口 10-18 min；平衡后水凝胶电导率 > 4000 S・cm⁻¹，电失效应变超过 1300%；扩散时间过短，溶胀后导电通路断裂，电导率骤降；扩散时间过长，绝缘组分过多，电导率下降。

· 双相导电水凝胶在水环境平衡后，依然维持优异拉伸电学稳定性；缺口样品大应变循环拉伸后导电通路保持完整，而传统溶胀导电水凝胶很快电学失效。

模块 4：3D 打印无线供电水凝胶光电器件，体外与大鼠皮下植入验证（对应原文图 5）

1. 研究逻辑：3D 打印不同匝数、线间距水凝胶电感线圈；表征电感、无线输出电压；评估拉伸、角度对无线供电性能影响；集成 µLED 构建无线光电器件；大鼠皮下植入，评价 1 天、7 天后器件工作稳定性。

2. 核心实验：嵌入式 3D 打印电感线圈；LCR 测试电感；矢量网络分析仪测输出波形；红外热成像；大鼠皮下植入无线光电器件。

3. 关键实验结果

· 线圈匝数、线间距显著影响电感；三层线圈在 6 cm 距离仍可点亮 µLED；器件经受 250% 大应变后依旧维持无线供电功能。

· 器件植入大鼠皮下，植入第 1 天和第 7 天均可稳定驱动 LED 发光，证明抗溶胀水凝胶器件在生理环境下无线功能长期维持。

模块 5：全水凝胶植入生物电子：脑机接口 BCI 与无线坐骨神经刺激器体内功能验证（对应原文图 6）

1. 研究逻辑：打印全水凝胶脑机接口（参考、接地、3 个记录通道），植入大鼠大脑皮层，记录 ECoG 皮层脑电、体感诱发电位，长期监测 5 周；制备无线坐骨神经刺激器，线圈皮下植入，电极缠绕坐骨神经，评估下肢运动响应，组织学对比纤维化程度。

2. 核心实验：植入式 BCI 打印与大鼠颅内植入；ECoG 信号采集；无线神经刺激器件制备；大鼠坐骨神经刺激；肢体运动观察；植入部位组织病理染色。

3. 关键实验结果

· 全水凝胶 BCI 柔软贴合脑组织，植入 1 周、5 周均可稳定记录静息及肌肉刺激诱发的 ECoG 信号，未出现传统植入器件常见的性能衰减。

· 无线水凝胶神经刺激器低至约 400 mV 输出电压即可诱发大鼠后肢运动；连续 7 天功能无明显衰减；水凝胶器件周围平均纤维化厚度仅～45 µm，与假手术组无显著差异；对照 Ecoflex-30 器件纤维化厚度约 100 µm，纤维化更严重。

五、爱必信（Absin）产品整体作用总结

1. abs47047616 DAPI 染色液：完成小鼠植入部位组织切片细胞核复染，提供细胞核定位基准，为多重荧光成像提供细胞位置参照。

2. abs50015-02 七色多重荧光免疫组化染色试剂盒（TSA）：实现 CD201、α-SMA、Vimentin、DCN、COL1A1 多靶标在同一张组织切片原位共定位，直观展示成纤维细胞活化、肌成纤维细胞、细胞外基质蛋白在材料-组织界面空间分布变化。

3. 两套产品共同服务组织原位水平，建立完整组织学证据链，定量可视化解析抗溶胀水凝胶降低体内异物反应、抑制纤维化的生物学效果，支撑该水凝胶材料用于植入式生物电子器件的生物相容性评价。