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加州理工学院高伟教授Nature Materials：新型弹性体-水凝胶一体化生物电子平台，实现长期稳定组织界面与闭环治疗

来源：科诺科研

植入式生物电子器件正在快速改变疾病监测与治疗方式。从心脏起搏器、人工耳蜗到神经刺激系统，生物电子技术正在推动医疗从被动诊断走向主动干预。然而，长期以来，一个关键挑战始终制约着植入式生物电子的发展：如何让电子器件与柔软、动态变化的生物组织实现稳定、长期的融合。

真实生物组织并非静止不动。心脏持续搏动，胃肠道不断蠕动，神经和肌肉组织也会随身体运动发生形变。相比之下，传统电子器件通常由刚性材料构成，即使采用柔性设计，也往往需要缝线或额外粘附剂固定在组织表面。在长期机械应力作用下，器件容易发生脱落、界面失效或信号漂移，进而影响监测和治疗效果。

与此同时，当前植入式生物电子系统大多专注于电生理信号记录或电刺激治疗，而能够同时实现生理信号监测、生化分子检测和治疗反馈的一体化平台仍然十分有限。实现真正意义上的闭环生物电子医疗，亟需构建一种能够长期稳定贴附于动态组织表面，并兼具感知与治疗功能的新型材料平台。

针对这一挑战，加州理工学院高伟教授团队开发了一种弹性体-水凝胶双相生物电子平台（ElHyX，Elastomer-Hydrogel Cross-functional Platform）。该工作以”Strain-insensitive wet-tissue-adhesive biphasic bioelectronics for physicochemical monitoring and adaptive therapy” 为题发表在于Nature Materials上。论文第一作者为加州理工学院博士生李嘉鸿。该平台通过分子层面的材料整合，实现了高延展性、应变不敏感导电性、湿态组织粘附以及多模态感知与神经调控能力，为下一代植入式生物电子系统提供了全新的设计范式。

从“材料拼接”走向“分子级融合”

传统柔性生物电子器件通常采用导电材料与水凝胶简单叠层的方式构建界面。这种结构虽然能够兼顾一定的电子功能和组织相容性，但层间结合较弱，在长期使用过程中容易发生脱层和失效。

ElHyX的核心创新在于构建了一种分子级整合的弹性体-水凝胶双相结构。研究团队通过对弹性体进行化学修饰，引入可参与聚合反应的活性基团，使水凝胶能够直接在弹性体表面生长，从而形成无缝连接的双相材料体系。

这一设计使弹性体和水凝胶既保持各自独立的功能特性，又能够在界面处实现稳定结合。弹性体负责提供机械支撑和电子功能，水凝胶则提供组织粘附能力和柔软界面，两者协同构建出兼具电子性能与生物相容性的组织-器件界面。

图1: ElhyX 系统概览

无需缝线，实现动态器官稳定贴附

为了适应真实生理环境，研究团队进一步设计了具有强湿态粘附能力的组织界面。

该界面基于富含羧基的水凝胶网络，通过与组织表面形成大量氢键，实现快速而牢固的湿组织粘附。与此同时，引入动态离子交联结构显著提高了水凝胶在吸水后的力学稳定性，使其在长期植入过程中依然能够维持良好的粘附性能。

实验结果表明，ElHyX能够稳定附着于心脏、神经等多种软组织表面，并在持续运动环境下保持界面完整性。与传统依赖缝线固定的植入器件相比，该平台能够更加温和地与组织融合，减少机械刺激和组织损伤。

图2: ElHyX系统机械与电化学性能表征

液态金属导体实现应变不敏感电子性能

除了组织界面之外，动态环境下的电学稳定性同样是植入式生物电子的重要挑战。

研究团队采用液态金属作为导电填料，将其封装于弹性体内部形成可拉伸导体网络。与传统固态导电填料不同，液态金属能够在拉伸过程中持续重构导电路径，从而维持稳定导电性能。

实验显示，该导体在高达900%拉伸应变下仍能够保持稳定电导率，并在超过1000次循环拉伸后几乎没有性能衰减。这种应变不敏感导电特性为长期植入式电子系统提供了可靠基础。

图3: ElHyX可拉伸物理与电化学传感

一个平台，实现多模态感知与神经调控

基于统一的ElHyX平台，研究团队构建了多种不同功能的植入式器件。

在电生理监测方面，ElHyX电极能够稳定贴附于心脏表面，实现高质量心电信号采集。得益于柔软且低阻抗的组织界面，该系统获得了与商业凝胶电极相当的信号质量。

在生化监测方面，研究团队开发了葡萄糖、pH和尿酸等多种电化学传感器，实现了对应生物标志物的实时检测。与传统电化学器件相比，这些传感器在拉伸和组织运动条件下依然能够保持稳定响应。

在神经调控方面，研究团队利用ElHyX构建了柔软神经袖套电极，无需缝线即可包覆坐骨神经，实现稳定的神经刺激和运动调控。

这些结果表明，ElHyX并非针对某一种功能进行优化，而是一种能够同时支持电生理监测、生化检测和神经调控的通用型生物电子平台。

图4: ElHyX可植入装置

闭环糖尿病治疗：从监测走向自主干预

为了展示该平台的系统级应用能力，研究团队进一步构建了一个闭环糖尿病管理系统。

该系统同时集成了心率监测模块、葡萄糖传感模块和迷走神经刺激模块。植入后，系统能够实时监测动物体内的心率和葡萄糖水平。当检测到血糖升高时，系统自动触发迷走神经刺激，从而促进胰岛素分泌并调节葡萄糖代谢。

研究发现，传统双向迷走神经刺激对降糖效果有限，而采用选择性传出神经刺激后，系统能够显著降低血糖峰值并加快血糖恢复速度。进一步的长期实验表明，该闭环系统能够在连续多天甚至长达一个月的实验周期内保持稳定工作。

这一结果展示了ElHyX从单纯生理监测向自主治疗系统发展的巨大潜力，也为未来闭环生物电子医疗提供了重要技术基础。

图5: ElHyX闭环血糖管理

展望

ElHyX突破了传统植入式生物电子器件在组织界面稳定性、多功能集成和长期工作能力方面的关键瓶颈。通过分子级整合的弹性体-水凝胶结构，该平台实现了组织粘附、应变不敏感导电、多模态感知以及神经调控功能的统一集成。

更重要的是，ElHyX不仅是一种单一器件，而是一种具有高度可扩展性的材料平台。未来，该技术有望进一步拓展至炎症监测、代谢疾病管理、神经调控治疗以及智能闭环医疗等领域，为下一代长期植入式生物电子系统的发展提供新的材料与系统解决方案。

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