多功能自组装水凝胶通过杀菌活性与巨噬细胞代谢重编程促进糖尿病骨缺损修复

本研究针对传统水凝胶导电性与机械稳定性不足的问题，开发了一种基于双光子直写技术（DLW）的共价交联水凝胶（PDMAPS），实现了高达1505 S cm-1的电子电导率，分辨率达5 μm。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。

　　

在生物电子学与组织工程领域，水凝胶因其组织相似的柔软性和高含水量被视为理想界面材料。然而，传统水凝胶面临两大瓶颈：一是离子导电性依赖高浓度电解质，易因离子扩散导致性能衰减；二是引入导电填料（如银微粒或导电聚合物）会显著改变材料流变特性，难以兼顾导电性与机械匹配性。更关键的是，现有技术无法在微米尺度精准构建三维导电结构，限制了其在器官芯片和神经接口等场景的应用。

针对这些挑战，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究团队创新性地将双光子直写技术（DLW）与共价交联水凝胶相结合，开发出兼具高导电性（1505±518 S cm^-1）与组织级模量（最低9.7 kPa）的功能化水凝胶。这项突破性成果发表于《Materials Today Bio》，为下一代柔性生物电子器件提供了全新解决方案。

研究团队主要运用了三大关键技术：1）通过优化两性离子水凝胶（PDMAPS）的交联密度（0.4-1.8 mol%）调控网格尺寸（3.5-7.8 nm），平衡AgNPs扩散与聚集；2）采用含甘油（50 vol%）的AgNO₃前驱体溶液，抑制激光写入时的气泡形成；3）利用双光子DLW系统（780 nm飞秒激光）实现三维金属结构的体素化打印，最小特征尺寸达5 μm。

研究结果

水凝胶基底设计：通过压缩测试证实PDMAPS的模量可低至33±4 kPa（接近脊髓组织），且0.6 mol%交联剂浓度下AgNPs表面覆盖率最高（81±13%）。μCT显示水凝胶收缩使AgNPs形成连通网络，而溶胀性更强的PAMPS水凝胶则因膨胀导致结构破裂。

DLW参数优化：激光功率50 mW、扫描速度40 mm/s时，在50 μm深度处获得78±3%的表面覆盖率。对比实验表明，物理交联的明胶因光热效应熔融，而共价交联水凝胶可保持结构完整性。

电子特性表征：I-V曲线显示2000×100×10 μm³导电结构的电阻仅27±3 Ω，阻抗谱证实其为纯电子传导（非离子导电）。在PBS中储存30天后电导率仍保持1362±257 S cm^-1，LED驱动实验验证了其电路导通能力。

结论与意义

该研究首次实现了共价交联水凝胶内微米级电子导电路径的立体图案化，其电导率超越现有Ag-水凝胶复合材料1-2个数量级。通过原位光还原AgNPs的策略，避免了传统填料对材料流变性能的破坏，使水凝胶模量可独立调控（9.7-450 kPa）。这种"电子墨水"与"生物基底"解耦的设计理念，为开发匹配不同组织（如脑、视网膜）力学特性的植入式器件开辟了新途径。未来通过引入介电层封装和跨尺度图案化，该技术有望推动全水凝胶微电极阵列在类器官电生理监测等领域的应用。