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  近年來，植入式生物電子器件正在深刻改變人類對神經系統和肌肉系統的調控方式。通過植入電極，人們可以實現神經信號記錄、神經刺激以及疾病治療。然而，這類技術仍面臨一個關鍵挑戰：植入電極與生物組織之間的長期穩定界面難以維持。盡管現代生物電子器件已經能夠以較高精度與大腦、脊髓以及外周神經建立電學接口，但其剛性結構仍然難以適應生物組織復雜且動態變化的微環境。這種機械—生物學不匹配往往會引發一系列問題，例如微運動導致的組織損傷、模量差異持續引起的炎癥反應，以及材料本身免疫原性帶來的免疫反應。這些因素會逐漸降低電極信號質量，并縮短器件的使用壽命。因此，如何構建能夠穩定維持的組織—電極界面，仍然是當前生物電子醫學領域亟待解決的核心挑戰。

  近日，浙江大學高分子系張鵬研究員團隊提出了一種基于陰離子-π互鎖結構的可注射導電水凝膠（SSPH），用于構建長期穩定的生物電子接口。

  2026年3月18日，相關研究以An Immunocompatible Conductive Hydrogel Via Anion-π Interlocking as an Injectable Bridge for Sustained Bioelectronic Interfacing為題發表在Advanced Materials上。浙江大學高分子系博士生朱梓豪為本文的第一作者，該研究得到國家自然科學基金委、浙江省基金委、經血管植入器械全國重點實驗室的支持。

  該材料兼具優異的可注射性、機械適配性、長期電化學穩定性以及與軟組織的良好整合能力。不同于傳統的貼片或涂層策略，SSPH能夠通過微創注射直接填充不規則的組織間隙，隨后將生物電子器件植入水凝膠中，從而在柔軟的生物活性組織與剛性器件表面之間形成平滑的過渡界面。這種界面橋接策略不僅避免了傳統生物電子器件在植入過程中面臨的貼合性與涂層穩定性問題，還能有效緩解機械—生物學不匹配，從而支持植入生物電子器件的長期穩定運行。

圖1.可注射組織橋接材料（SSPH水凝膠）的設計及其界面應用。

一種可注射的“導電橋梁”

  研究團隊設計的SSPH水凝膠 由導電聚合物PEDOT:PSS與兩性離子聚合物 PSBMA 自發組裝形成。當兩種組分在溶液中混合后，可迅速構建三維網絡結構，形成兼具良好導電性與力學柔順性的水凝膠體系。該網絡的形成源于陰離子-π相互作用及多種協同非共價相互作用 的共同驅動，使體系在分子層面實現高度整合。具體而言，該結構主要包括三個關鍵特征：（i）PSBMA與PSS之間形成的 陰離子-π互鎖結構；（ii）體系中多價帶電基團之間的 靜電相互作用；以及（iii）由PEDOT富集形成的連續納米結構域，這些結構域在網絡中充當穩定的物理交聯節點。在多重相互作用的協同作用下，水凝膠內部形成了穩定且連續的導電通路，并且這一導電網絡并不依賴傳統的滲流結構。當材料受到形變或損傷時，動態非共價作用能夠驅動網絡結構重新組裝，使水凝膠同時恢復其 力學性能與電化學性能。

圖2.SSPH水凝膠的成膠機理。

良好的電化學性能與免疫相容性

  實驗結果表明，該水凝膠不僅具有穩定的機械性能，還表現出優異的電化學穩定性。循環伏安測試顯示，在1000次循環后電荷儲存能力仍保持約90%，同時在10萬次充放電循環中性能幾乎沒有明顯衰減，說明其能夠滿足長期生物電子應用需求。此外，研究團隊還通過體外細胞實驗與體內動物實驗系統評估了該材料的免疫相容性。結果表明，SSPH水凝膠在細胞培養實驗中未表現出明顯的細胞毒性；在小鼠皮下植入模型中，與對照材料相比，其誘導的炎癥因子表達水平顯著降低，同時材料周圍的纖維化包裹也明顯減少。這些結果表明，SSPH水凝膠能夠有效緩解材料植入后引發的免疫反應，從而為植入器件提供更加穩定、友好的生物微環境，有利于長期體內應用。

圖3.電化學性能與免疫相容性評估

穩定的雙向信號傳導能力

  在神經刺激實驗中，研究團隊首先將SSPH水凝膠注射到大鼠坐骨神經周圍，并將刺激電極植入水凝膠內部，使電極不再直接接觸神經組織。實驗結果表明，在不同刺激電壓和頻率條件下，電刺激信號可以通過水凝膠穩定傳遞至神經組織，并成功誘導后肢產生與刺激信號一致的運動響應。與此同時，由于水凝膠在電極與神經之間形成了一層柔軟且導電的界面緩沖層，不僅能夠有效傳導電信號，還顯著減少了電極直接接觸神經組織所可能造成的機械損傷，從而提高了神經刺激過程中的組織保護能力。

  在慢性電極植入實驗中，研究人員進一步評估了SSPH水凝膠對電極長期性能的影響。實驗將電極植入大鼠肌肉組織，并通過對比裸電極與SSPH水凝膠橋接電極在28天內的信號變化情況，評估其記錄性能。結果顯示，在植入初期，兩種電極均能夠獲得較高質量的肌電信號；然而隨著時間推移，裸電極由于炎癥反應和纖維組織包裹逐漸加重，其信號質量明顯下降。而在SSPH水凝膠橋接條件下，電極周圍的炎癥反應和纖維化程度顯著降低，使電極能夠持續保持較低界面阻抗和較高信噪比，即使在長達四周的植入過程中仍能穩定記錄高質量電信號，顯示出優異的長期界面穩定性。

圖4. SSPH2水凝膠在神經肌肉信號橋接及長期肌電電極性能提升中的評估

在脊髓刺激治療中的長期穩定表現

  脊髓刺激是目前臨床上廣泛應用的一種神經調控技術，主要用于治療慢性神經病理性疼痛等疾病。通過在脊髓硬膜外空間植入電極并施加電刺激，可以調節脊髓神經信號的傳導，從而減輕患者的疼痛癥狀。近年來，SCS技術也被進一步探索用于改善脊髓損傷后的運動功能恢復等神經系統疾病。然而，在長期植入過程中，電極與脊髓組織之間的機械不匹配以及持續的免疫反應，往往會導致電極阻抗升高、刺激效率下降，最終影響治療效果。

  針對這一問題，研究團隊在大鼠神經病理性疼痛模型中評估了SSPH水凝膠在脊髓刺激中的應用潛力。實驗中，研究人員將SSPH水凝膠注入脊髓硬膜外腔，并將刺激電極植入水凝膠內部，從而在電極與脊髓組織之間構建柔軟且導電的界面橋梁。實驗結果顯示，在植入初期，兩組電極均能夠產生明顯的鎮痛效果；然而隨著時間推移，裸電極由于炎癥反應和纖維化包裹逐漸加重，其阻抗持續升高，刺激效果明顯減弱。相比之下，SSPH水凝膠橋接電極能夠有效緩解電極與組織之間的機械不匹配，降低炎癥反應并減少纖維化包裹，使電極在長期植入過程中保持較低阻抗和穩定的刺激閾值。在持續數周的實驗中，SSPH橋接電極仍能夠維持穩定的鎮痛效果，顯示出長期神經調控性能。

  綜上所述，由陰離子-π相互作用驅動構建的SSPH可注射橋接材料，在可植入生物電子器件與生物組織之間形成了穩固、相容且柔順的界面，從而在長期植入條件下保持穩定性能。在水凝膠網絡內部，PSS與PSBMA之間的陰離子-π相互作用促進了凝膠的形成，而離子相互作用與疏水相互作用則進一步增強了三維網絡結構。得益于這些相互貫穿網絡之間的多重協同作用，該水凝膠同時表現出良好的可注射性、與組織匹配的力學順應性、穩定的電化學性能以及優異的免疫相容性。當應用于組織—器件界面時，SSPH水凝膠能夠實現有效的組織整合，并實現生理電信號幾乎無損的傳輸。最終，這種可注射橋接材料能夠顯著減少由于剛性器件與柔軟組織之間模量不匹配所引發的炎癥反應和組織損傷，緩解免疫介導的纖維化包裹，從而支持生物組織與植入式生物電子器件之間的長期穩定電信號通信。

圖5. 慢性神經痛模型中SSPH2/Pt脊髓刺激電極的長期性能與鎮痛效果評估

張鵬研究員簡介

  張鵬，浙江大學高分子系百人計劃研究員，博士生導師，經血管植入器械全國重點實驗室成員。本科碩士畢業于天津大學。2018年博士畢業于美國華盛頓大學（西雅圖）化學工程系，2018-2020年于美國麻省理工學院科赫綜合癌癥研究所Robert Langer院士團隊進行博士后研究。張鵬研究員專注于生物醫用高分子材料的研究，并以新材料為基礎開發創新型的植介入醫療器械、大分子藥物來滿足相關臨床需求。至今已在Nat. Biomed. Eng.、Nat. Comput. Sci,、Sci. Transl. Med.、 Nat. Commun.、PNAS、JACS、Adv. Mater. Angew. Chem. Int. Ed. 等國際一流期刊發表論文70余篇，引用8000余次。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.72820