面向生物电子学的自适应性基底：无触发4D打印形状记忆水凝胶

《Nature Communications》：4D printing of trigger-free shape-memory hydrogels towards self-adaptive substrates for bioelectronics

本研究针对植入式生物电子器件中形状自适应基底存在的触发条件受限和定制过程复杂等问题，研究人员开发了一种数字化4D打印技术，用于制备具有可编程形状恢复起始时间的定制化形状记忆水凝胶基底。该技术通过控制时空光曝光，获得具有异质网络的像素化聚合物片材，在去除单体后形成复杂3D原始形状。同时，通过调控聚合物网络结构及其对应的热诱导相分离，实现了空间可控的形状恢复起始时间。该方法使得复杂3D物体能够通过单步数字曝光过程执行自主多阶段形状恢复，这是现有技术无法实现的。体内实验证明该材料炎症反应可忽略。以自缠绕电极为例展示了其在生物电子学中的应用潜力，为开发高集成度3D水凝胶器件奠定了基础。

　　

植入式生物电子器件正在彻底改变体内诊疗方式，从神经电极到心脏起搏器，这些软体电子设备能够与组织和器官直接交互，实现精确生物传感和原位刺激。然而，要将这些设备精准植入体内并使其与不规则的组织表面完美贴合，仍面临巨大挑战。理想的植入方案是让器件以临时的小尺寸形态通过微创切口植入，到达目标位置后再扩展或变形以贴合组织。形状记忆聚合物正是实现这一愿景的关键材料，但如何精确操控其形状变化路径，并实现复杂的个性化3D定制，一直是制约其发展的瓶颈。

现有技术中，3D打印虽能定制形状，但逐层堆叠的方式耗时且难以制造薄壁曲面结构。而传统的4D打印虽能通过2D薄片变形获得3D形状，但其形状变化往往需要外部触发（如热、光、电等），在体内环境中难以实现。更重要的是，复杂手术场景往往需要器件在植入后能够自主、按预定时间序列进行多级变形，这对材料的“智能”程度提出了更高要求。发表在《Nature Communications》上的这项研究，正是为了解决这些核心问题，开发了一种创新的4D打印技术，用于制造无需外部触发、能自主控制变形时机的新型形状记忆水凝胶基底。

研究人员主要采用了数字化光固化技术，通过控制曝光时间（t_irr）在单体溶液中构建梯度交联网络。利用投影仪进行单面或双面图案化曝光，结合生物相容性染料增强光吸收精度。固化后的凝胶片在钙乙酸酯（CaAc）溶液中进行离子交联并去除未反应单体，诱导2D到3D的形状转变。通过热编程（90°C水浴）固定临时形状，并在室温或体温下研究其自主形状恢复行为。关键表征包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析双键转化率、扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构、差示扫描量热法（DSC）研究相分离行为。生物相容性通过CCK-8法和活/死细胞染色评估，并使用BALB/c小鼠模型进行体内炎症反应测试。应用演示部分，在新西兰白兔模型上进行了眼外肌电图（EMG）记录和电刺激实验。

几何形状控制与3D结构制备

研究人员首先探究了如何通过控制曝光参数来精确制备复杂的3D原始形状。以矩形单面曝光为模型，发现曝光时间（t_irr）是决定最终几何形状的关键。通过FTIR光谱分析双键转化率，证实更长的曝光时间会导致凝胶片两面转化率均升高，网络结构更致密，同时两面间的转化率差异随之减小。单体去除引起的质量损失是驱动2D薄片向3D形状转变的主导因素，而水含量变化可忽略。研究显示，当t_irr从80秒延长至300秒时，所得PAAc-CaAc水凝胶的曲率K从7.2 cm^-1显著降低至0.46 cm^-1。进一步地，通过构建双面曝光系统并采用铰链模型，研究人员实现了对折叠角（θ）从0°到180°的精确控制。通过设计棋盘格和灰度曝光图案，成功制备了多种复杂的3D水凝胶结构，如金字塔和风车形状，展示了该技术在快速制备连续曲面结构方面的优势，这类结构正是柔性生物电子器件所需的理想基底。

形状恢复起始时间的调控机制

该水凝胶独特的形状记忆效应源于其可逆的热诱导相分离行为。研究发现，曝光时间（t_irr）不仅决定了宏观几何形状，还同时调控了聚合物网络结构，进而影响相分离行为和形状恢复起始时间（t_onset）。机理上，更长的t_irr导致更高的双键转化率和更致密的网络结构，这削弱了加热时的相分离程度，减小了相区尺寸，从而缩短了内部水分扩散路径，使得t_onset随之减少。形状恢复动力学测试表明，当t_irr从80秒增加至240秒时，t_onset从7.4分钟缩短至2.5分钟。SEM图像清晰地展示了编程前后微观孔结构的变化，支持了上述机理。DSC曲线显示焓值随t_irr增加而降低，也暗示了整体相分离程度的减弱。此外，通过改变热编程时间，t_onset可在宽时间窗口内（如80秒曝光样品可达3至65分钟）进行调节，这为复杂手术操作提供了充足的时间窗口。

自主多级形状恢复的实现

在分别验证了3D几何形状和t_onset的可控性后，研究人员将二者结合，实现了复杂的自主多级形状恢复。首先，利用均匀曝光（120秒）制备的Miura折纸结构展示了单步形状恢复。更为重要的是，通过在不同区域设置不同的t_irr（如120秒和80秒），成功实现了双阶段自主形状恢复。以金字塔和风车结构为例，在形状编程后，120秒曝光区域（t_onset较短）首先在2分钟左右开始恢复（第一阶段），随后80秒曝光区域（t_onset较长）在10分钟左右启动恢复（第二阶段）。这种无需外部触发的多级变形能力是现有材料技术所不具备的。作为应用演示，一个小的螺旋连接器被设计出来，它能够以扁平条带形式插入模拟软组织的两个橡胶带之间，随后按预定序列自主弯曲并缠绕，最终实现牢固连接，展示了其在体内自主连接软组织或生物电子器件方面的潜力。

生物电子学应用演示：自缠绕电极

鉴于该材料在体温下具有类似的自主形状变化行为、低细胞毒性和可忽略的体内炎症反应，研究人员进一步演示了其作为生物电子器件基底的应用潜力。针对由眼外肌障碍（如重症肌无力、斜视）引起的眼科疾病，开发了用于眼外肌电图（EMG）的自缠绕电极。电极的柔软性和贴合性对信号质量至关重要。4D打印的水凝胶电极在兔模型中被植入眼外肌表面。电极首先以刚性状态通过肌肉下的微小间隙插入，随后自主缠绕包裹肌肉。研究验证了通过图案化设置多个t_onset实现顺序缠绕的必要性，与具有均匀恢复起始时间的电极相比，顺序缠绕能确保平滑贴合目标组织。通过在临时扁平状态下的水凝胶表面沉积由EGaIn合金和Ag颗粒组成的液态金属（Semi-LM）层，赋予了其导电性（电导率稳定在1.25×10⁶S/m）。成功制备的两个螺旋水凝胶电极缠绕在下斜肌上，在施加0.3 mA至1 mA的方波电流刺激（频率15 Hz，波宽1 ms）时，记录到的动作电位幅度随刺激电流增加而增加，表明成功记录了肌肉电生理信号。此外，该电极也可作为刺激端诱导肌肉收缩。这表明这种自缠绕电极结合了高保真监测和可编程刺激于一个微创平台，有望成为管理复杂眼科和神经系统疾病的强大工具。

本研究开发了一种基于光图案化的4D打印技术，用于制造具有无触发形状变化能力的3D水凝胶结构。通过控制光固化过程中的曝光时间（t_irr），不仅可以精细调控转化梯度以决定永久3D形状的形成，还能通过改变网络结构来调控水凝胶加热时的相分离行为，从而操纵形状变化的起始时间。通过简单地调整特定位置的t_irr，实现了多阶段自主形状恢复，这是多形状变形材料领域的一项显著进展。所制备的水凝胶由于其贴合性3D结构和多形状变形能力，成为柔性生物电子学智能基底的理想候选者。自主螺旋连接器和自缠绕电极等演示性器件的成功制备，显示了其在复杂场景中的潜在功效。展望未来，如何实现形状恢复起始时间与3D形状形成的解耦，以进一步增强设计灵活性，将是值得探索的方向。这项工作增进了对具有可逆相分离的响应性水凝胶的科学理解，也为可编程和自适应基底提供了实用的工具包。