这项工作的价值并不只是“又一种柔性电极材料”。它针对的是植入器件长期工作中一个容易被低估的失效源：材料进入体液环境后吸水膨胀，几何尺寸、力学性能和导电通路随之变化。电极可能脱离组织，导线可能增阻甚至断路，封装也可能因持续形变而失效。

研究给出的答案，是把抗溶胀基体、导电浆料、打印支撑介质和固化工艺作为一个系统共同设计。从供应链视角看，这意味着水凝胶植入器件的竞争，不会只发生在某一种聚合物配方上，而会向单体与引发剂纯度、导电填料形貌、浆料流变、打印装备、固化窗口以及长期可靠性评价等多个上游环节延伸。

图1　研究团队展示的抗溶胀水凝胶电子器件、植入式脑机接口、无线光电子器件，以及抗溶胀封装和双相导电网络设计。裁自论文图1a-f。图源：Yao等，《Nature Materials》，2026。

   植入式水凝胶，为什么总被“泡坏”

水凝胶具有高含水量和接近软组织的力学特性，理论上比硅胶、聚酰亚胺和金属导线更容易与脑组织或周围神经形成柔顺界面。但亲水网络也是一把双刃剑：进入生理环境后，水分子持续进入聚合物网络，材料尺寸扩大、模量变化，原本接触良好的导电颗粒逐渐分离。

论文中的对照显示，普通可溶胀导电水凝胶在水中迅速膨胀，导电率在数小时内下降多个数量级，器件可在6小时内失效。作者因此认为，对植入式水凝胶电子器件而言，“柔软”还不够，材料必须在含水状态下同时保持尺寸、力学和电学稳定。

传统抗溶胀策略通常依靠提高化学交联密度，代价是材料变硬；也有方案加入长疏水链、表面活性剂或采用溶剂置换，但可能带来加工复杂性以及添加剂长期析出的风险。研究团队希望找到一条不依赖额外表面活性剂和有机溶剂、同时又不过度牺牲柔软度的路线。

关键一：用胶束自组装“锁住”水凝胶

研究首先以亲水单体2-羟乙基丙烯酸酯（HEA）和疏水单体丙烯酸乙酯（EA）为模型。随着HEA加入原本不相容的EA-水体系，混合物由宏观分层转变为乳液，最后形成稳定的纳米胶束前驱液。紫外光引发聚合后，疏水的聚丙烯酸乙酯区域充当柔软的物理交联点，把亲水聚合物网络连接起来，并限制水进一步进入。

这种“亲水连续相＋疏水微区”的纳米相分离结构，使材料无需额外化学交联剂也能兼顾抗溶胀和大变形能力。在EA与HEA摩尔比为0.5:1时，PHEA-PEA水凝胶的最低溶胀因子约为9.8%，分别比纯PHEA水凝胶和海藻酸盐-聚丙烯酰胺双网络水凝胶低约39倍和24.5倍。

与此同时，平衡吸水后的PHEA-PEA水凝胶仍可实现约2300%-3500%的拉伸。为了获得更接近软组织的封装材料，团队又选择PMEA-PHEA体系用于后续器件，其平衡状态杨氏模量约为26-52 kPa；动物实验使用的柔软配方约为55 kPa。

图2　亲水单体HEA和疏水单体EA形成稳定纳米胶束前驱液，固化后的PHEA-PEA水凝胶保持高拉伸能力。裁自论文图2a-c。图源：Yao等，《Nature Materials》，2026。

从上游材料角度看，这项方案的核心不是某一种商品化“水凝胶原料”，而是单体亲疏水性、配比、含水量、相分离尺度和聚合动力学共同决定的配方窗口。相分离尺度还会影响透明度：随着胶束聚集尺寸从约10 nm增加至数百纳米，材料会由透明逐步转为半透明或不透明。这意味着未来针对皮层电极、光刺激器或皮下线圈等不同产品，材料透明度、柔软度和抗溶胀性仍需分别优化。

关键二：把银片放进“双相”导电网络

抗溶胀封装解决了外层稳定性，但植入式器件还需要导线和电极在湿态下保持低电阻。传统导电复合水凝胶通常把导电填料均匀分散在整个亲水网络中。水凝胶一旦膨胀，填料间距增大，原本贯通的导电路径就会断开。

研究团队采用微凝胶策略：先把PMEA-PHEA抗溶胀水凝胶低温粉碎成微米级颗粒，再让颗粒在含单体和引发剂的溶液中重新溶胀，形成具有屈服应力的打印支撑基质。在此基础上，将约5 μm的银片混入微凝胶体系，形成可挤出的导电墨水。

银片主要集中在微凝胶之间的狭窄区域，组成连续的导电相；微凝胶及其周围聚合物则构成抗溶胀的水凝胶相。相比把银片均匀分散到整个基体，这种相分离式结构降低了导电渗流阈值，也减少了吸水后银片接触被破坏的概率。

图3　抗溶胀水凝胶经粉碎和再溶胀后形成可固化支撑基质；加入银片后形成双相导电墨水。裁自论文扩展数据图1a。图源：Yao等，《Nature Materials》，2026。

银片体积分数超过约7.5%后，导电率出现明显跃升。达到17%时，双相导电水凝胶在打印后导电率约为6710 S/cm，吸水达到平衡后仍约为3550 S/cm；在进一步优化扩散时间后，湿态导电率最高接近4000 S/cm。相同银片比例下，均匀分散结构的湿态导电率仅约426 S/cm。

这一结果很有吸引力，但也要看清其材料属性：高导电率主要来自较高比例的银片和被设计过的渗流网络，并不意味着水凝胶聚合物本身成为了金属级导体。对供应商而言，银片的尺寸分布、片径厚度比、表面状态、团聚控制以及在灭菌和长期浸泡后的稳定性，都会直接影响最终器件性能。

关键三：真正决定性能的是制造窗口

论文中最值得上游装备和工艺企业关注的部分，是导电性能并非只由“配方表”决定，还高度依赖打印后的单体扩散和固化顺序。

研究采用嵌入式3D打印：导电墨水被写入可自支撑的微凝胶基质中，因而可以制造被水凝胶完全包覆的导线、平面电极和多层线圈。打印完成后，支撑基质中的单体会沿浓度梯度进入导电相。如果扩散不足，导电相内部的聚合物网络不连续，吸水后可能出现微裂纹；如果扩散时间过长，过多绝缘聚合物进入银片网络，又会稀释导电通路。

作者为此设计了“快速紫外固化＋温和热固化”的两步工艺：先用紫外光快速固化支撑基质，限制单体继续扩散；再通过热引发完成导电相聚合以及导电相与封装相之间的接枝连接。与只进行热固化的一步工艺相比，两步固化使打印后导电率由约1261 S/cm提高至约6710 S/cm，平衡吸水后的导电率由约70 S/cm提高至约3550 S/cm。

图4　一步固化和两步固化的结构与导电率对比。两步工艺通过控制扩散、快速紫外固化和后续热固化，兼顾导电通路与湿态稳定性。裁自论文扩展数据图1b、c。图源：Yao等，《Nature Materials》，2026。

在实验窗口内，约10-18分钟的扩散时间能够兼顾湿态导电率和拉伸性能。10分钟时可获得接近4000 S/cm的最高湿态导电率；扩散超过20分钟，非导电相比例增加，导电率明显下降。换言之，同一套原料在不同打印节拍、环境温度、线宽和固化能量下，可能得到完全不同的器件。

图5　银片体积分数、双相分布和扩散时间共同影响湿态导电率；扫描电镜和共聚焦图像显示，扩散时间过长会增加非导电相比例。裁自论文图4a-f。图源：Yao等，《Nature Materials》，2026。

经过平衡吸水后，优化后的导电水凝胶在电学失效前可承受超过1300%的拉伸。样品在200%应变下循环测试，电阻变化保持相对稳定；在最高5000次循环后，导电率有所下降，但重新浸水至平衡后可以恢复。研究还打印了集成23颗微型LED的水凝胶显示器，在水中浸泡1个月后仍能工作。

图6　导电水凝胶的拉伸电阻响应、循环测试、湿态导电率与既有材料比较，以及可扭转拉伸的LED器件和水凝胶显示器。裁自论文图4g-n。图源：Yao等，《Nature Materials》，2026。

   抗溶胀不仅保护电路，也可能减轻异物反应

植入物的长期可靠性不仅取决于器件是否断路，还取决于组织是否形成厚重纤维包膜。研究团队将柔软和较硬的抗溶胀水凝胶、软硬两类PDMS以及普通可溶胀水凝胶薄片植入小鼠皮下，并在2周和8周进行比较。

结果显示，柔软PMEA-PHEA抗溶胀水凝胶引起的炎症评分和纤维层厚度最低，与假手术组没有显著差异。普通可溶胀水凝胶尽管初始模量更低，仍产生了较强异物反应。作者推测，持续膨胀会提高植入物的有效刚度并压迫周围组织，因此“初始柔软”并不能代替植入后的尺寸稳定。

组织学、免疫组化和转录组结果方向一致：柔软抗溶胀组的胶原沉积、肌成纤维细胞相关标志物和细胞外基质积累较少，并出现细胞外基质降解通路上调。病理实验每组为6只小鼠，RNA测序每组3只，复合免疫组化每组8只，观察时间最长8周。

图7　假手术、软抗溶胀水凝胶、硬抗溶胀水凝胶、软PDMS、硬PDMS和普通可溶胀水凝胶在植入2周及8周后的组织学比较。裁自论文图3a-c。图源：Yao等，《Nature Materials》，2026。

这部分结果提示上游封装企业，植入材料的评价指标不能只看干态模量和短期细胞毒性。吸水后的体积变化、模量漂移、组织压迫和界面微动，可能同样决定慢性异物反应。未来材料规格书需要从“出厂参数”延伸到“生理平衡状态参数”。

   从材料样条走向脑电记录和无线神经刺激

为了证明材料平台可以承担真实电路功能，研究团队打印了一套包含参考电极、接地电极和3个记录通道的水凝胶皮层脑电接口，通道间距约300 μm。器件贴附于大鼠感觉运动皮层，用于记录对侧后肢肌肉刺激诱发的ECoG信号。

植入1周后，3个通道均能识别刺激相关诱发电位；5周时没有观察到明显性能下降。论文报告脑机接口实验每组使用3只大鼠。这里的“脑机接口”应理解为低通道数皮层脑电记录原型，尚未涉及运动意图解码、闭环控制或高密度长期记录，但它证明了水凝胶导线、绝缘封装和组织界面能够组成一套可工作的植入电极。

图8　打印的3通道水凝胶脑机接口及其在植入1周和5周后记录的体感诱发电位。裁自论文图6a-d。图源：Yao等，《Nature Materials》，2026。

团队还制造了双层和三层水凝胶接收线圈。三层线圈在100 kHz下可在约6 cm距离获得约2.5 V峰峰值输出，足以驱动微型LED；平衡吸水后的器件在约250%拉伸下仍可工作。皮下植入的无线光电子器件在大鼠体内1周后仍能被外部线圈点亮。

另一套无线坐骨神经刺激器集成双层接收线圈和商用二极管，水凝胶电极包绕坐骨神经。约400-600 mV输出能够诱发不同幅度的后肢运动，植入1周后没有明显性能下降。组织学显示，水凝胶器件周围神经外膜厚度平均约45 μm，与假手术组差异不显著；Ecoflex模拟器件约为100 μm。该实验每组使用6只大鼠。

图9　无线坐骨神经刺激器的结构、植入方式、刺激电压与后肢运动幅度关系，以及植入1周后的组织学比较。裁自论文图6e-n。图源：Yao等，《Nature Materials》，2026。

   对脑机接口上游供应链意味着什么

这项研究把材料、浆料、装备和器件集成放进了同一个验证链条，为上游企业提供了比单一性能纪录更具体的观察框架。