全生物相容性热拉伸纤维超级电容器：实现长期生物植入的柔性能源突破

针对植入式生物电子设备对长期稳定能源的需求，研究团队开发出基于坚韧水凝胶的热拉伸纤维超级电容器(THBS)。该器件通过聚乙二醇(PEG)/硼酸钠(SB)双网络水凝胶设计实现18.8 F/cm3体积电容，在5周体内实验中保持99%性能，成功驱动外周与中枢神经系统光遗传学刺激。这项发表于《Nature Communications》的研究为植入式医疗设备提供了革命性的柔性供能方案。

　　

植入式生物电子设备如神经刺激器、心脏起搏器等医疗器件面临能源供给的世纪难题。传统锂电池存在材料毒性、机械刚性等问题，而基于氧化还原反应的储能装置可能引发有害副反应。虽然超级电容器能规避这些风险，但现有水凝胶基器件普遍存在机械强度不足、界面电阻高等缺陷，难以承受体内动态生理环境的长期考验。

韩国科学技术院Seongjun Park团队在《Nature Communications》发表的突破性研究，通过创新性热拉伸工艺(Thermal Drawing Process, TDP)将聚乙二醇(PEG)增强的刚性网络与硼酸钠(SB)赋予的可逆离子配位网络结合，开发出全生物相容的坚韧水凝胶超级电容器纤维(THBS)。这种直径仅数百微米的纤维器件巧妙整合了电极、电解质、集流体和封装结构，在自由活动的小鼠体内成功实现长达5周的稳定供能，并首次同步验证了外周与中枢神经系统的光遗传学刺激应用。

研究采用三大关键技术：1) 热拉伸工艺实现多材料纤维的连续制备；2) 聚乙二醇(PEG)/硼酸钠(SB)双网络水凝胶设计兼顾机械强度与热加工性；3) 导电聚己内酯(c-PCL)集流体与乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)封装确保电化学稳定性。实验使用8周龄C57BL/6J和Thy1-ChR2-YFP转基因小鼠进行体内验证。

【分子设计】通过XRD和流变学测试揭示PVA/PEG/SB三组分协同效应：PEG通过氢键提高结晶度(20.0°特征峰)，SB通过离子配位增强链段运动性，使电解质水凝胶获得7.01 MJ/m³的断裂韧性，tanδ在80-90℃达到1实现可控拉伸。

【电化学性能】热拉伸重构的电极-电解质界面使界面电阻降低42%，体积电容达18.8 F/cm³。在1000次90°弯曲后仍保持96.48%容量，20周PBS浸泡后电容保留率92.1%，2000次循环后容量无衰减。

【生物相容性】3T3细胞存活率99.4±0.364%，与对照组无统计学差异(p=0.0686)。1个月植入后真皮层细胞浸润数(34.3±6.27)显著低于黑丝对照组(60.4±17.6)，500次充放电循环的THBS纤维炎症反应仅为不锈钢丝的32.8%。

【体内应用】串联THBS纤维成功激活小鼠坐骨神经分支，诱发特异性后肢运动(腓肠神经刺激产生27.3°上抬，腓神经刺激引发19.6°下压)。在M1-M1皮层环路中，473 nm光刺激使对侧皮层神经元放电频率提升3.2倍，PCA分析确认新增放电单元募集。

这项研究开创性地解决了植入式能源的三大悖论：材料生物相容性与电化学性能的矛盾、机械柔性与长期稳定性的冲突、器件微型化与高能量密度的对立。THBS纤维的直径仅相当于人类头发丝的5-8倍，却能在自由活动的活体动物中实现长达月余的稳定供能，为闭环神经调控、可降解电子等前沿领域提供了关键技术支持。研究者特别指出，未来与无线能量传输(WPT)系统结合，可构建永不间断的植入式供能体系。虽然临床转化仍需大动物实验验证，但这项技术已展现出变革植入式医疗设备的巨大潜力。