金属-水凝胶螯合界面实现超软双向生物电子学

本文介绍了一种基于配位相互作用构建水凝胶与金属电极双向电界面的新策略，通过内部螯合与表面螯合双重模式，实现了组织级超软模量（~339.9 Pa）和高结合强度（~1.95 MPa）的协同，解决了软硬材料界面失配难题，为在体生物电信号高保真采集提供了突破性技术方案。

　　

随着柔性生物电子技术的快速发展，人们对能够与人体组织无缝集成的软性电子设备需求日益增长。理想中的生物电极应当具备与活体组织相似的机械性能，特别是模量的匹配，以确保在动态生理环境中保持稳定可靠的电接触。水凝胶材料因其可调节的力学性能和优异的生物相容性成为最具潜力的软电极材料之一。然而，现有水凝胶电极面临两大核心挑战：一是传统水凝胶的杨氏模量通常仍高于人体最柔软的组织（如脑组织，仅数百帕斯卡），难以实现真正的力学匹配；二是水凝胶与刚性数据采集电路之间的界面连接脆弱，容易因机械干扰导致失效。特别是当水凝胶与金属电极连接时，表面溶剂的存在会显著削弱界面粘附力和电接触稳定性。

针对这些挑战，浙江大学Lu Yaoyu（陆瑶瑶）研究团队在《National Science Review》发表了创新性研究成果，通过仿生螯合策略构建了具有双向连接功能的金属-水凝胶界面系统。该研究利用植酸（Phytic acid, PA）这一天然螯合剂的双重功能，既调控水凝胶内部交联网络实现超软力学性能，又强化水凝胶与多种金属表面的界面结合，最终实现了从组织到电路的全链条稳定电信号采集。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过自由基聚合和冷冻-解冻循环制备PVA-PA-蜂蜜（PPH）双网络水凝胶；利用铜纳米粒子（Cu²⁺）和氧化镓微球（Ga³⁺）进行内部螯合调节模量；采用旋涂和热压工艺实现金属表面的界面螯合；通过物理气相沉积（PVD）制备金纳米膜柔性电极；开发滚动印刷技术在PPH表面图案化液态金属（LM）电极；结合拉剪测试、电化学阻抗谱、分子动力学模拟等多维度表征手段。

内部螯合实现组织级超软水凝胶

通过调节PA与金属离子（Cu²⁺、Ga³⁺）的配位相互作用，研究人员成功将水凝胶的杨氏模量降低至339.9 Pa，接近脑组织的柔软度。机理研究表明，金属离子与PA形成的配位键作为牺牲键，与酯化反应竞争性地消耗能量，从而软化材料同时保持力学稳定性。含1% Cu纳米粒子的PPH水凝胶（Cu-PPH）表现出最优的综合性能，导电率高达19.4 S/m，是原始PPH水凝胶的近四倍。

表面螯合构建强韧金属-水凝胶界面

研究发现PPH水凝胶对多种金属表面具有普适性的钝化能力。在铜箔界面，PPH诱导形成的CuO纳米岛（高度约600 nm）产生机械互锁结构，使结合强度达到1.95 MPa，而桥接电阻仅0.12 Ω/sq。这种界面螯合策略同样适用于金膜和液态金属电极，实现了柔性-柔性（F-F）、柔性-弹性（F-E）和弹性-弹性（E-E）等多种连接模式。

液态金属摩擦钝化与图案化

创新性地开发了滚动印刷技术，将液态金属微球转化为表面钝化的纳米粒子并嵌入PPH基质中。经过50次滚动后，LM电极在PPH表面呈现均匀分布，薄层电阻低至0.33 Ω/sq，且抗刮擦性能显著提升。钝化层有效防止了LM的进一步氧化，实现了高分辨率电极图案化（线宽可达50 μm）。

双向界面赋能高保真电生理监测

将内部螯合的超软Cu-PPH水凝胶与表面螯合的金属电极结合，构建了具有梯度模量的混合生物电子系统。在体实验表明，该系统能够稳定采集表皮肌电信号（EMG）、坐骨神经信号和皮层脑电信号（ECoG），即使在皮肤变形、肌肉振动等机械干扰下仍保持高信噪比（SNR > 20 dB）。特别值得注意的是，包裹在坐骨神经上的水凝胶袖套能够清晰记录到振幅超过10 mV的动作电位，表明其与神经组织间的低接触阻抗。

该研究通过巧妙的双模式螯合设计，突破了软硬材料界面整合的技术瓶颈。内部螯合实现了组织级超软模量，解决了水凝胶与生物组织的力学匹配问题；表面螯合则创造了强韧的导电界面，解决了水凝胶与采集电路的可靠连接问题。这种双向界面策略不仅为高保真电生理监测提供了新范式，其普适性的金属钝化能力更为多功能生物电子集成开辟了新途径。值得一提的是，所有组件材料（PVA、PA、蜂蜜）均获得美国食品药品监督管理局（FDA）安全认证，具有良好的临床转化前景。这项研究从材料设计、界面工程到系统集成均体现了创新性，为下一代植入式和可穿戴生物电子设备的发展奠定了重要基础。