植入式生物電子器件正在快速改變疾病監(jiān)測(cè)與治療方式。從心臟起搏器、人工耳蝸到神經(jīng)刺激系統(tǒng)，生物電子技術(shù)正在推動(dòng)醫(yī)療從被動(dòng)診斷走向主動(dòng)干預(yù)。然而，長期以來，一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)始終制約著植入式生物電子的發(fā)展：如何讓電子器件與柔軟、動(dòng)態(tài)變化的生物組織實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、長期的融合。

真實(shí)生物組織并非靜止不動(dòng)。心臟持續(xù)搏動(dòng)，胃腸道不斷蠕動(dòng)，神經(jīng)和肌肉組織也會(huì)隨身體運(yùn)動(dòng)發(fā)生形變。相比之下，傳統(tǒng)電子器件通常由剛性材料構(gòu)成，即使采用柔性設(shè)計(jì)，也往往需要縫線或額外粘附劑固定在組織表面。在長期機(jī)械應(yīng)力作用下，器件容易發(fā)生脫落、界面失效或信號(hào)漂移，進(jìn)而影響監(jiān)測(cè)和治療效果。

與此同時(shí)，當(dāng)前植入式生物電子系統(tǒng)大多專注于電生理信號(hào)記錄或電刺激治療，而能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、生化分子檢測(cè)和治療反饋的一體化平臺(tái)仍然十分有限。實(shí)現(xiàn)真正意義上的閉環(huán)生物電子醫(yī)療，亟需構(gòu)建一種能夠長期穩(wěn)定貼附于動(dòng)態(tài)組織表面，并兼具感知與治療功能的新型材料平臺(tái)。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，加州理工學(xué)院高偉教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種彈性體-水凝膠雙相生物電子平臺(tái)（ElHyX，Elastomer-Hydrogel Cross-functional Platform）。該工作以” Strain-insensitive wet-tissue-adhesive biphasic bioelectronics for physicochemical monitoring and adaptive therapy” 為題發(fā)表在于Nature Materials上。論文第一作者為加州理工學(xué)院博士生李嘉鴻。該平臺(tái)通過分子層面的材料整合，實(shí)現(xiàn)了高延展性、應(yīng)變不敏感導(dǎo)電性、濕態(tài)組織粘附以及多模態(tài)感知與神經(jīng)調(diào)控能力，為下一代植入式生物電子系統(tǒng)提供了全新的設(shè)計(jì)范式。

從“材料拼接”走向“分子級(jí)融合”

傳統(tǒng)柔性生物電子器件通常采用導(dǎo)電材料與水凝膠簡單疊層的方式構(gòu)建界面。這種結(jié)構(gòu)雖然能夠兼顧一定的電子功能和組織相容性，但層間結(jié)合較弱，在長期使用過程中容易發(fā)生脫層和失效。

ElHyX的核心創(chuàng)新在于構(gòu)建了一種分子級(jí)整合的彈性體-水凝膠雙相結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)彈性體進(jìn)行化學(xué)修飾，引入可參與聚合反應(yīng)的活性基團(tuán)，使水凝膠能夠直接在彈性體表面生長，從而形成無縫連接的雙相材料體系。

這一設(shè)計(jì)使彈性體和水凝膠既保持各自獨(dú)立的功能特性，又能夠在界面處實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定結(jié)合。彈性體負(fù)責(zé)提供機(jī)械支撐和電子功能，水凝膠則提供組織粘附能力和柔軟界面，兩者協(xié)同構(gòu)建出兼具電子性能與生物相容性的組織-器件界面。

圖1: ElhyX 系統(tǒng)概覽

無需縫線，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)器官穩(wěn)定貼附

為了適應(yīng)真實(shí)生理環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了具有強(qiáng)濕態(tài)粘附能力的組織界面。

該界面基于富含羧基的水凝膠網(wǎng)絡(luò)，通過與組織表面形成大量氫鍵，實(shí)現(xiàn)快速而牢固的濕組織粘附。與此同時(shí)，引入動(dòng)態(tài)離子交聯(lián)結(jié)構(gòu)顯著提高了水凝膠在吸水后的力學(xué)穩(wěn)定性，使其在長期植入過程中依然能夠維持良好的粘附性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ElHyX能夠穩(wěn)定附著于心臟、神經(jīng)等多種軟組織表面，并在持續(xù)運(yùn)動(dòng)環(huán)境下保持界面完整性。與傳統(tǒng)依賴縫線固定的植入器件相比，該平臺(tái)能夠更加溫和地與組織融合，減少機(jī)械刺激和組織損傷。

圖2: ElHyX系統(tǒng)機(jī)械與電化學(xué)性能表征

液態(tài)金屬導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)應(yīng)變不敏感電子性能

除了組織界面之外，動(dòng)態(tài)環(huán)境下的電學(xué)穩(wěn)定性同樣是植入式生物電子的重要挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)采用液態(tài)金屬作為導(dǎo)電填料，將其封裝于彈性體內(nèi)部形成可拉伸導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)固態(tài)導(dǎo)電填料不同，液態(tài)金屬能夠在拉伸過程中持續(xù)重構(gòu)導(dǎo)電路徑，從而維持穩(wěn)定導(dǎo)電性能。

實(shí)驗(yàn)顯示，該導(dǎo)體在高達(dá)900%拉伸應(yīng)變下仍能夠保持穩(wěn)定電導(dǎo)率，并在超過1000次循環(huán)拉伸后幾乎沒有性能衰減。這種應(yīng)變不敏感導(dǎo)電特性為長期植入式電子系統(tǒng)提供了可靠基礎(chǔ)。

圖3: ElHyX可拉伸物理與電化學(xué)傳感

一個(gè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)感知與神經(jīng)調(diào)控

基于統(tǒng)一的ElHyX平臺(tái)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了多種不同功能的植入式器件。

在電生理監(jiān)測(cè)方面，ElHyX電極能夠穩(wěn)定貼附于心臟表面，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量心電信號(hào)采集。得益于柔軟且低阻抗的組織界面，該系統(tǒng)獲得了與商業(yè)凝膠電極相當(dāng)?shù)男盘?hào)質(zhì)量。

在生化監(jiān)測(cè)方面，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了葡萄糖、pH和尿酸等多種電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)生物標(biāo)志物的實(shí)時(shí)檢測(cè)。與傳統(tǒng)電化學(xué)器件相比，這些傳感器在拉伸和組織運(yùn)動(dòng)條件下依然能夠保持穩(wěn)定響應(yīng)。

在神經(jīng)調(diào)控方面，研究團(tuán)隊(duì)利用ElHyX構(gòu)建了柔軟神經(jīng)袖套電極，無需縫線即可包覆坐骨神經(jīng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的神經(jīng)刺激和運(yùn)動(dòng)調(diào)控。

這些結(jié)果表明，ElHyX并非針對(duì)某一種功能進(jìn)行優(yōu)化，而是一種能夠同時(shí)支持電生理監(jiān)測(cè)、生化檢測(cè)和神經(jīng)調(diào)控的通用型生物電子平臺(tái)。

圖4: ElHyX可植入裝置

閉環(huán)糖尿病治療：從監(jiān)測(cè)走向自主干預(yù)

為了展示該平臺(tái)的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用能力，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了一個(gè)閉環(huán)糖尿病管理系統(tǒng)。

該系統(tǒng)同時(shí)集成了心率監(jiān)測(cè)模塊、葡萄糖傳感模塊和迷走神經(jīng)刺激模塊。植入后，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)物體內(nèi)的心率和葡萄糖水平。當(dāng)檢測(cè)到血糖升高時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)迷走神經(jīng)刺激，從而促進(jìn)胰島素分泌并調(diào)節(jié)葡萄糖代謝。

研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)雙向迷走神經(jīng)刺激對(duì)降糖效果有限，而采用選擇性傳出神經(jīng)刺激后，系統(tǒng)能夠顯著降低血糖峰值并加快血糖恢復(fù)速度。進(jìn)一步的長期實(shí)驗(yàn)表明，該閉環(huán)系統(tǒng)能夠在連續(xù)多天甚至長達(dá)一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)保持穩(wěn)定工作。

這一結(jié)果展示了ElHyX從單純生理監(jiān)測(cè)向自主治療系統(tǒng)發(fā)展的巨大潛力，也為未來閉環(huán)生物電子醫(yī)療提供了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

圖5: ElHyX閉環(huán)血糖管理

展望

ElHyX突破了傳統(tǒng)植入式生物電子器件在組織界面穩(wěn)定性、多功能集成和長期工作能力方面的關(guān)鍵瓶頸。通過分子級(jí)整合的彈性體-水凝膠結(jié)構(gòu)，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了組織粘附、應(yīng)變不敏感導(dǎo)電、多模態(tài)感知以及神經(jīng)調(diào)控功能的統(tǒng)一集成。

更重要的是，ElHyX不僅是一種單一器件，而是一種具有高度可擴(kuò)展性的材料平臺(tái)。未來，該技術(shù)有望進(jìn)一步拓展至炎癥監(jiān)測(cè)、代謝疾病管理、神經(jīng)調(diào)控治療以及智能閉環(huán)醫(yī)療等領(lǐng)域，為下一代長期植入式生物電子系統(tǒng)的發(fā)展提供新的材料與系統(tǒng)解決方案。