Nanoenergy and Biosystem Lab

李舟课题组
清华大学生物医学工程学院/北京清华长庚医院

《Materials Today Chemistry》:高韧性双导电网络水凝胶,实现柔性生物电子界面的长效稳定

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近日,中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所、清华大学生物医学工程学院团队在Materials Today Chemistry期刊发表题为Mechanical tough double conductive network hydrogel for continuously stabilizing soft bioelectronic interface(高韧性双导电网络水凝胶,实现柔性生物电子界面的长效稳定)的研究文章。


doi:10.1016/j.mtchem.2026.103832

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摘要


柔性生物电子界面可应用于脑机接口、神经调控与心脏起搏领域,是一类新兴前沿技术。但生物电子界面适配材料的研发仍存在诸多难点,核心瓶颈在于材料模量与生物组织难以匹配,且无法兼顾生物界面与电子界面间稳定的信号传输。

受多级网络结构设计思路启发,该研究报道了一种聚乙烯醇(PVA)/MXene/PEDOT:PSS 固态复合水凝胶(PMP),该材料构筑离子-电子双增强导电网络,实现导电性、延展性与生物相容性的协同平衡。


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所得复合水凝胶兼具多项综合优异性能:导电率可达 0.913 mS/cm,应变响应区间宽至 0~500%,杨氏模量 74 kPa,信号保真度高,且长效稳定性能可达 10 天。


该研究核心创新在于简化材料组分与制备流程,同时实现模量与皮肤组织适配;依托离子-电子双导电网络构筑表皮电极,既能够采集人体心电(ECG)、肌电(EMG)信号,也可在大鼠体内同步完成神经刺激与神经电信号记录。


该工作为柔性生物电子界面提供了一种可规模化制备、低成本的新型材料方案。


电生理实验参考


为评估PMP水凝胶作为双向生物电子界面的性能,研究人员在成年雄性大鼠离体坐骨神经和腓肠肌上开展了一系列急性刺激与记录实验。


在神经刺激实验(a–c)中,PMP水凝胶电极与商业袖套电极(科斗脑机cuff电极)置于坐骨神经相同位置,在相同刺激条件下进行比较。虽然PMP电极诱发信号的峰值幅度略低于袖套电极,但两者的潜伏期和半峰宽无显著差异,说明PMP能够保持良好的时间响应保真性。


在神经记录实验(d–f)中,研究人员切断神经以消除传出反馈,将双极PMP电极和商业袖套电极并排固定于坐骨神经周围,在相同刺激条件下比较记录信号。结果显示,PMP水凝胶记录信号的幅值虽然低于商业袖套电极,但其频率组成及整体波形特征基本保持一致,能够有效记录神经刺激信号,证明其具有良好的神经信号采集能力。

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