你戴的隐形眼镜、吃过的果冻，核心材质都是水凝胶，柔软亲肤，触感和人体软组织十分接近。用它做脑机接口、心脏起搏器等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。可水凝胶极度亲水，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。日前，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。
水凝胶“太爱喝水”，是它走向体内的第一道坎。普通水凝胶放进水里，会像“水宝宝”一样持续吸水膨胀，材料学上叫“溶胀”。植入体内后，体液让封装层膨胀、机械性能大幅下降，精心排布的导电网络被生生扯断。2022年，周南嘉团队已首创水凝胶软电子器件的3D打印技术，却因溶胀，始终无法架起连接人体与机器的长期桥梁。
转折来自一次偶然。团队在做其他课题时发现了一种不溶胀的水凝胶：早期隐形眼镜材料。它泡水“不胀”，可又硬又脆，植入体内会引发强烈异物反应。怎么才能既保留“不胀”又变软?团队把亲水单体和疏水单体混合在水中，前者“安抚”了后者，溶液被紫外光一照，就原地自组装成水凝胶。“我们很惊喜!”姚远说。
惊喜之后是挫折。第一批材料能拉长十几倍，新购试剂做出来的却极脆，“我们做了好多次，怎么都复现不了!”排查一个多月，姚远找到了“罪魁祸首”，“市售单体里的微量交联剂杂质，它像胶水一样把高分子链绑死。仅从98%纯度换成96%纯度，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。”
底座有了，还差一张“电网”。团队发现，传统导电水凝胶电导率往往低于1000S/cm，远不够用。他们把抗溶胀水凝胶粉碎成10到20微米的微凝胶颗粒当“骨架”(比最细的头发丝还细)，再把约5微米的银片挤进颗粒缝隙里，“像在拥挤的石块缝隙中铺设电缆”，银片密集接触成网，用嵌入式3D打印把电路织进水凝胶。
真正难熬的是两个月的“至暗时刻”：打印出的电路电导率时好时坏。“每次做四个样本，总是一两个可以，另外的不行。”团队给样本编号、逐项排查，发现秘密藏在“打印完成”到“光照固化”的等待时间里：单体向银片网络渗透，等太短导电网络易断，等太长导电率断崖式下跌。他们找到10到14分钟的“黄金窗口期”，用“两步固化法”锁死状态，电导率飙升至约3550S/cm，比多数已报道的导电水凝胶高出一个数量级以上。
在大鼠体内，器件通过了“活体大考”。全水凝胶脑机接口能紧紧贴合柔软的脑组织，植入1周和5周都能清晰记录神经电信号;包裹坐骨神经的无线神经刺激器，仅约400毫伏电压就能诱导腿部运动。最难得的是，这种水凝胶在体内像穿了“隐身衣”，几乎没有引发异物反应和炎症。
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。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。
【新知解码】
嵌入式3D打印是什么?
普通3D打印是“搭积木”：材料一层层堆叠，每一层都得有足够的硬度托住上面的新层。可水凝胶软得像果冻，刚挤出来就瘫了，根本搭不起来。西湖大学团队的办法，是反过来——不搭，钻进去画。
打印针头直接扎进一块已经成型的凝胶基质里，一边移动一边挤出导电墨水，像在果冻里用注射器画电路。针头划过的路径，墨水留在里面;针头拔出来，软的凝胶自己就把痕迹“愈合”了。基质全程充当三样东西：支撑台，托着墨水不掉;画布，圈定电路的位置;封装层，完工后直接把电路包在体内。
这个办法的精妙在于，打印出的器件天然就是“全水凝胶”的——电路不是贴在表面，而是埋在柔软的材料内部，和人体组织接触的每一面都是软的，这才有了后面植入实验里“几乎不引发异物反应”的结果。
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