3D-микропаттернинг проводящих гидрогелей PEDOT:PSS/желатин с помощью двухфотонной литографии для мягкой биоэлектроники

Приближая электронику к мозгу

Наши мозг и сердце — мягкие, влажные ткани, тогда как большинство электронных устройств жёсткие и твёрдые. Это несоответствие затрудняет создание комфортных и долговечных связей между живыми клетками и машинами. В этой работе предложен новый способ 3D-печати сверхмягких, желеподобных проводящих структур, которые могут мягко располагаться на тканях, подобным мозговым, электрически взаимодействовать с нейронами и в перспективе привести к более естественным и безопасным интерфейсам «мозг‑компьютер».

Почему важны мягкие и крошечные электроды

Современные биоэлектронные устройства уже умеют регистрировать и стимулировать электрическую активность мозга, сердца и нервов, но обычно они сделаны из жёстких металлов или пластика. Когда такие твёрдые материалы давят на мягкие ткани, это может раздражать клетки, вызывать микроповреждения и со временем ухудшать качество сигналов. В то же время реальные ткани имеют сложный трёхмерный ландшафт, который влияет на рост, соединение и общение клеток. Чтобы лучше соответствовать природе, учёные стремятся к материалам электродов, которые не только проводящи, но и столь же мягки и тонко структурированы, как соприкасающаяся с ними ткань. Это означает создание материалов, проводящих электричество, пропускающих ионов и воду, и пригодных для формирования микроструктур, напоминающих естественный матрикс вокруг клеток.

Создание мягкого проводящего «желе»

Авторы решили эту задачу, сочетая два ключевых компонента. Первый — гидрогель на базе желатина, получаемого из коллагена, белка, придающего тканям структуру. В слегка модифицированной форме, известной как GelMA, этот материал можно отверждать светом в прозрачные, водонасыщенные гели, мягкие и биосовместимые. Второй компонент — PEDOT:PSS, хорошо известный полимер, используемый в гибкой электронике, способный переносить как электронные, так и ионные заряды. Смешивая небольшие количества PEDOT:PSS с GelMA, исследователи получили семейство проводящих гидрогелей, которые по механическим свойствам напоминают очень мягкую мозговую ткань — примерно в тысячу раз мягче резины — при этом обеспечивая полезный электрический путь. Испытания на объемных образцах показали, что добавление проводящего полимера снижает электрическое сопротивление, то есть сигналы проходят легче, без увеличения жёсткости геля.

Ваяние 3D-микроландшафтов светом

Чтобы превратить это мягкое желе в точные микроустройства, учёные применили двухфотонную литографию — высокоточное 3D-печатающее решение, где плотно сфокусированный лазер «пишет» маленькие твердые объёмы внутри светочувствительного материала. Тщательно настраивая мощность лазера и скорость сканирования, они надёжно печатали структуры меньше толщины человеческого волоса прямо из проводящих смесей гидрогеля. Были созданы цилиндры, кубы, заостренные звезды и стилизованные формы, похожие на нейроны; микроскопы подтвердили, что напечатанные элементы в трёх измерениях близко соответствовали цифровым макетам. Важно, что наличие PEDOT:PSS позволило печатать при более низкой энергии лазера и уменьшило разбухание в воде, помогая сохранять заданные размеры и очертания. Измерения отдельных микроблоков показали, что они остаются чрезвычайно мягкими — порядка 1 килопаскаля, что сопоставимо с мозговой тканью — при этом их электрическая проводимость увеличивалась с ростом содержания PEDOT:PSS.

Преобразование микрожеле в рабочие электроды

Далее исследователи проверили, могут ли эти гидрогелевые структуры улучшить работу реальных электродов. Они изготовили прозрачные микромассивы электродов из оксида индия‑олова на кварце и 3D‑напечатали маленькие проводящие гидрогелевые блоки непосредственно на активных участках. Эти 3D-покрытия значительно увеличили эффективную поверхность и добавили электронно проводящий путь. Когда электроды погружали в солевой раствор, имитирующий жидкость тела, покрытые участки — особенно содержащие PEDOT:PSS — показали примерно 30-процентное уменьшение импеданса на ключевых частотах мозговых сигналов по сравнению с голыми электродами. Ниже импеданс обычно означает чище регистрацию и более эффективную стимуляцию. Так же важно, что при выращивании первичных нейронов крыс и нейронной клеточной линии на паттернованных гидрогелях клетки оставались здоровыми в течение нескольких дней. Микроскопия показала, что нейроны вытягивали тонкие отростки вдоль и поперёк нановолокнистых поверхностей геля, формируя тесные, интимные контакты с 3D-формами.

Что это может значить для будущих связей «мозг–машина»

Проще говоря, эта работа демонстрирует, как печатать крошечные мягкие проводящие «желейные скульптуры», которые электроника и нейроны могут комфортно разделять. Смешивая биосовместимый желатин с полимером смешанного ионно‑электронного переноса и формуя его лазером, команда получила микрожелатиновые электроды, механически похожие на мозг, электрически эффективные и благоприятные для нервных клеток. Хотя в текущем исследовании акцент сделан на краткосрочных культурах и базовых свойствах сигналов, подход открывает путь к следующему поколению нейроимплантов и in vitro‑моделям, где устройства ближе по ощущению к ткани, чем к металлу, что потенциально улучшит комфорт, стабильность и чёткость связи между нервной системой и машинами.

Цитирование: Buzio, M., Gini, M., Schneider, T.C. et al. 3D micropatterning of PEDOT:PSS/Gelatin conductive hydrogels via two-photon lithography for soft bioelectronics. npj Flex Electron 10, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00529-5

Ключевые слова: мягкая биоэлектроника, проводящие гидрогели, нейронные интерфейсы, 3D-микрофабрикация, двухфотонная литография