软质水凝胶基质内电子导电微结构的激光直写技术及其在生物电子接口中的应用

本研究针对传统水凝胶导电性差和机械稳定性不足的问题，通过双光子激光直写技术（DLW）在共价交联的PDMAPS水凝胶中构建银纳米颗粒（AgNPs）导电微结构，实现了高达1505 S cm-1的电子电导率和±5%的写入精度。该技术为柔性生物电子器件与组织工程提供了新型可图案化界面。

　　

研究背景与意义

生物电子接口的发展亟需兼具组织相容性和导电性的材料。传统水凝胶虽具有与软组织相似的力学性能（如低杨氏模量<100 kPa）和高含水率，但其电子导电性差且离子易扩散，难以满足长期生物电子应用需求。现有技术如光刻和3D打印存在分辨率低（>100 μm）或工艺兼容性差的问题。如何在水凝胶中构建高精度、高导电的微结构成为关键挑战。

研究方法与技术

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究团队采用双光子直接激光写入技术（DLW），在共价交联的聚[2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]二甲基-（3-磺丙基）氢氧化铵（PDMAPS）水凝胶中局部还原银离子（Ag⁺），形成银纳米颗粒（AgNPs）导电网络。关键技术包括：

1. 优化水凝胶交联度（0.4-1.8 mol% MBAA）和溶胀率（1000% in AgNO₃溶液）

2. 激光参数调控（功率50 mW，扫描速度40 mm/s）实现5 μm分辨率

3. 甘油添加剂（50 vol%）抑制光热气泡效应

4. 阻抗谱（EIS）和电流-电压（I-V）测试验证导电性能

研究结果

水凝胶基底设计

通过调节交联剂浓度（0.6 mol%最优），水凝胶杨氏模量低至33 kPa（接近脊髓和视网膜），网格尺寸6.0 nm促进AgNPs扩散。甘油添加使AgNPs表面覆盖率从38%提升至81%。

激光写入参数

50 μm写入深度下表面覆盖率达78%，5 μm线宽和25 μm间距的图案可实现±5%尺寸保真度。对比物理交联的明胶，共价交联水凝胶能耐受激光局部加热。

电子性能

导电微结构在PBS中电导率达1505 S cm^-1，30天后仍保持1362 S cm^-1。阻抗谱显示纯电子传导特性（|Z|=28 Ω），与离子导电的水凝胶基质（11 mS cm^-1）显著不同。

三维结构构建

成功制备表面暴露（连接外部设备）和内部嵌入（深度50 μm）的混合结构，电阻稳定在32 Ω，可驱动LED发光。

结论与展望

该研究首创了在超软水凝胶中直写高导电金属微结构的方法，突破了传统技术分辨率与材料性能的 trade-off。通过原位光还原形成的AgNPs网络不仅保持水凝胶力学特性（储能模量90-450 Pa），还实现了长期稳定的电子传导。未来通过介电层封装和生物相容性优化，该技术有望应用于类器官电生理监测和植入式柔性电极阵列。论文发表于《Materials Today Bio》，为生物电子与组织工程交叉领域提供了新范式。