浙江大學(xué)趙騫教授《自然·通訊》：無需觸發(fā)定時(shí)變形的4D打印柔性電子基底，實(shí)現(xiàn)生物電子器件植入新方式

隨著生物電子學(xué)的飛速發(fā)展，可植入的柔性電子器件在神經(jīng)調(diào)控、心臟監(jiān)測(cè)、疾病治療等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力 。為減少侵入性植入創(chuàng)口，具有按需變形能力的形狀記憶軟基底材料被廣泛關(guān)注。該類材料能夠?qū)崿F(xiàn)微創(chuàng)條件下以微小的臨時(shí)形態(tài)植入，隨后在體內(nèi)響應(yīng)刺激產(chǎn)生形變，最終貼合目標(biāo)組織并發(fā)揮生理功能。

然而，當(dāng)前大多數(shù)智能材料的形變依賴于外部觸發(fā)（例如熱、光等），在復(fù)雜生物體內(nèi)環(huán)境中這些刺激往往難以精確施加。能否讓植入器件像擁有“預(yù)設(shè)程序”一樣，在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)，無需任何外部干預(yù)，自主、智能地完成形狀轉(zhuǎn)變，從而自適應(yīng)地包裹目標(biāo)組織？ 此外，高質(zhì)量的柔性基底還應(yīng)具備與目標(biāo)組織相匹配的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不規(guī)則生物界面，盡可能降低界面阻抗。

近日，浙江大學(xué)趙騫教授團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，采用數(shù)字化4D打印技術(shù)制備出了一種無需外部觸發(fā)、宏觀形狀可定制、變形路徑可編程的自適應(yīng)變形3D基底，為下一代智能植入式生物電子提供了全新機(jī)遇。該成果以“4D printing of trigger-free shape-memory hydrogels towards self-adaptive substrates for bioelectronics”為題發(fā)表在Nature Communications上。論文的第一作者為倪楚君特聘研究員（浙江大學(xué)附屬第二醫(yī)院），通訊作者為晉秀明教授（浙江大學(xué)附屬第二醫(yī)院）、陳穎副研究員（清華大學(xué)柔電院）和趙騫教授（浙江大學(xué)）。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

圖1a展示了4D打印過程，含有丙烯酸單體、N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)劑和光引發(fā)劑的前驅(qū)液在DLP數(shù)字光投影儀的時(shí)空曝光下進(jìn)行聚合，得到二維凝膠片材。由于光照在厚度方向上存在光衰減，二維凝膠存在固化梯度。當(dāng)其浸泡在醋酸鈣溶液時(shí)，未反應(yīng)單體被除去而形成復(fù)雜三維形狀，該過程稱為4D打印。基于雙面圖案化曝光設(shè)計(jì)，一系列復(fù)雜的三維水凝膠結(jié)構(gòu)得以構(gòu)筑（圖1b）。相比于傳統(tǒng)的3D成型技術(shù)，該制備過程便捷且快速，僅需要單層曝光即可獲得復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。此外，由此制備的三維凝膠具備光滑的曲面薄壁結(jié)構(gòu)，其曲率可定制并與目標(biāo)生物組織進(jìn)行完美貼合，尤為適合作為柔性電子基底。而這些結(jié)構(gòu)很難通過其他技術(shù)如逐層3D打印制得。

圖1.4D打印過程

該水凝膠不僅擁有復(fù)雜的形狀，還表現(xiàn)出具有無需外部刺激的定時(shí)自發(fā)形狀記憶行為（見圖2a）。凝膠在25°C時(shí)均質(zhì)柔軟并變形為臨時(shí)形狀，而在90°C 加熱下會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈相分離而固定該臨時(shí)形狀。經(jīng)過一定時(shí)間的熱處理后，該凝膠再次放回室溫后并不會(huì)立刻回復(fù)形變，而是會(huì)先維持一定時(shí)間（該時(shí)間稱為定時(shí)窗口tonset）穩(wěn)定隨后再自發(fā)變形。從機(jī)制上看，這種行為由內(nèi)部質(zhì)量擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)，即相分離的聚合物鏈在相演變過程中通過水分重新分布而被激活（Nature 2023，622,748–753）。在4D打印過程中，不同的曝光時(shí)間將導(dǎo)致聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差異，顯著影響相分離行為及相應(yīng)的tonset。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（圖2b），隨著曝光時(shí)間增加，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐步致密導(dǎo)致其相分離能力下降，定時(shí)窗口縮短。當(dāng)光照時(shí)間從80s上升至240s，tonset從7.4分鐘縮短至2.5分鐘（圖2c）。

圖2.4D打印水凝膠的定時(shí)能力

根據(jù)上述結(jié)果， 4D打印技術(shù)可以設(shè)定凝膠任意像素點(diǎn)的宏觀曲率及定時(shí)變形時(shí)間，賦予三維凝膠復(fù)雜的形變路徑。通過曝光圖案設(shè)計(jì)，復(fù)雜的三維形狀如風(fēng)車（圖3上 ）或者螺旋連接器（圖3下 ）可以被成功制得。經(jīng)過形狀編程，該凝膠在室溫下無需外部刺激即可呈現(xiàn)復(fù)雜的自主形狀記憶回復(fù)路徑。

圖3. 復(fù)雜自主變形路徑。

最后，本研究展示了該4D打印定時(shí)形變凝膠作為生物柔性電子基底的應(yīng)用潛力（圖4）。研究團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)集成了液態(tài)金屬導(dǎo)電電路的螺旋狀水凝膠電極，并將其植入兔子體內(nèi)。該器件在生理環(huán)境中自主、定時(shí)地時(shí)序纏繞變形，緊密包裹眼外肌肉，記錄到穩(wěn)定的肌電信號(hào)。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)下一代智能、自適應(yīng)、微創(chuàng)的植入式醫(yī)療器件提供了一個(gè)通用的材料與制造平臺(tái)。

圖4. 時(shí)序纏繞的螺旋式柔性基底

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67323-1