通过双光子光刻对PEDOT:PSS/明胶导电水凝胶进行3D微图案化以用于软体生物电子学

将电子设备更贴近大脑

我们的脑和心脏是柔软、潮湿的组织，而大多数电子设备则是坚硬且刚性的。这种不匹配使得构建舒适且长期稳定的生物与机器之间的连接变得困难。本文的研究提出了一种新的方法，可以3D打印超软、果冻状的导电结构，这些结构可温和地置于类脑组织上，与神经元进行电学交流，并有望推动更自然、更安全的大脑—计算机接口的发展。

为何柔软且微小的电极重要

现代生物电子设备已经能记录并刺激脑、心脏和神经的电活动，但它们通常由刚性的金属或塑料制成。当这些硬材料压在柔软组织上时，会刺激细胞、引起微小损伤，并使信号质量逐渐下降。与此同时，真实组织具有复杂的三维地形，这会影响细胞如何生长、连接和通信。为了更好地匹配自然，科学家希望电极材料不仅具备电活性，还要像所接触的组织一样柔软并具有精细结构。这意味着要创造既能导电、又允许离子和水自由移动，并且可被雕刻为仿生微尺度形状的材料，以类似自然的支撑结构来与细胞相互作用。

构建柔软的导电果冻

团队通过结合两种关键成分来应对这一挑战。第一种是基于明胶的水凝胶，来源于胶原蛋白——一种为组织提供结构支撑的蛋白质。在一种稍作改性的形式称为GelMA中，这种材料可以用光固化为清澈、富含水分的凝胶，具有温和且生物相容的特性。第二种成分是PEDOT:PSS，这是一种在柔性电子学中常用的聚合物，能够承载电子和离子双重电荷载流。通过向GelMA中混入少量PEDOT:PSS，研究者们制备出一系列导电水凝胶，这些凝胶在力学上表现得像非常软的脑组织——约比橡胶软一千倍——同时仍提供有用的电传导通路。对块体样品的测试显示，加入导电聚合物能降低电阻抗，即信号更容易通过，同时并未显著增加凝胶的刚度。

用光雕刻三维微地形

为了把这种柔软果冻变成精确的微器件，科学家们使用了双光子光刻，这是一种高分辨率的3D打印技术，利用高度聚焦的激光束在光敏材料内部“书写”微小的固体体积。通过精细调节激光功率和扫描速度，他们可以可靠地直接从导电水凝胶混合物中打印出比人发丝还小的结构。他们打印了圆柱、立方体、尖角星形以及样式化的类神经元形状，并用显微镜确认打印出的特征在三维上都与数字设计紧密一致。重要的是，PEDOT:PSS的存在使得打印所需的激光能量更低并减少了在水中的膨胀，帮助这些形状保持预期的尺寸和轮廓。对单个微块的测量显示，它们仍然极其柔软——大约在1千帕量级，类似脑组织——而且随着PEDOT:PSS含量的增加其电导率提高。

将微果冻变成可工作的电极

研究者随后测试了这些水凝胶结构能否提升真实电极的性能。他们在石英基底上用氧化铟锡制备了透明微电极阵列，并将3D打印的小型导电水凝胶块直接打印到活性位点上。这些3D涂层显著增加了有效表面积并增加了电子导通路径。当电极被浸入模拟体液的盐溶液时，涂覆位点——尤其是含PEDOT:PSS的位点——在关键的脑信号频率处显示出大约30%的阻抗下降，相比裸电极更低的阻抗通常意味着记录更清晰、刺激更高效。同样重要的是，当原代大鼠神经元和神经细胞系在这些图案化的水凝胶上培养时，细胞在数天内保持健康。显微观察显示，神经元沿着纳米纤维状的凝胶表面延伸其细长的突起，并与这些三维形状形成紧密接触。

这对未来脑—机器连接意味着什么

简单来说，这项工作展示了如何打印微小、柔软且导电的“果冻雕塑”，使电子设备和神经元能够舒适地共处。通过将对身体友好的明胶与一种兼具离子—电子导电性的聚合物混合并用激光成形，团队制备出在机械上类似脑组织、电学上高效并对神经细胞友好的微电极。尽管当前研究侧重于短期培养和基础信号特性，这一方法为下一代神经植入物和体外模型打开了大门，使器件更像组织而非金属，从而可能改善舒适度、稳定性以及神经系统与机器之间通信的清晰度。

引用: 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

关键词: 软体生物电子学, 导电水凝胶, 神经接口, 3D微加工, 双光子光刻