基于无聚合物Ti3C2Tx MXene水凝胶的柔软瞬态生物电子器件

《Advanced Materials》：Soft and Transient Bioelectronics Enabled by Polymer-Free Ti3C2Tx MXene Hydrogels

　　

：面向急性神经应用的植入式生物电子器件，必须兼具类组织力学特性与高电化学性能，同时能够安全生物降解，以避免与取出手术相关的风险。本文介绍了一种名为MXgel生物电子器件的柔软且完全瞬态的水凝胶平台，该平台能够实现高保真电生理记录与有效刺激，并在生理条件下具有可编程降解特性。该平台采用无聚合物Ti3C2Tx MXene水凝胶（MXgel），其具有卓越的电导率（水合态：790 ± 150 S m?1；冻干态：4420 ± 576 S m?1）。将MXgel集成于可生物降解的明胶基基底上后，MXgel生物电子器件展现出低电化学阻抗（1 kHz下为1.06 ± 0.37 kΩ）、较传统临床电极高25倍的阴极电荷存储容量（207.1 ± 48.8 mC cm?2）以及高10倍的电荷注入容量（0.24 ± 0.08 mC cm?2）。研究人员证明，这些特性可实现信噪比约60 dB的皮层及外周神经记录，以及有效的神经调控。此外，MXgel生物电子器件在生理条件下可安全降解，其降解动力学具有可预测性与可调性。重要的是，MXgel生物电子器件不会引发严重的异物反应，其降解副产物也不会在体内蓄积，证实了其全身清除的安全性。综上，这些结果确立了MXgel生物电子器件作为一种兼具柔软性、高性能与瞬态特性的临床相关神经接口平台的地位。

论文解读文章：

一、研究背景与问题

植入式生物电子器件能够与可兴奋生物组织直接交互，实现电生理记录与电刺激功能调控。然而，神经组织本质柔软（杨氏模量约10 kPa），而传统生物电子器件由金属和半导体构成，力学模量往往超过1 GPa，这种显著的力学失配会在植入界面引发刚度相关的异物反应（FBR），导致纤维化包裹形成，进而降低器件功能。导电水凝胶因其仿生力学特性、高含水量及多功能性，成为柔软生物电子器件的理想材料，可最大限度减少刚度相关异物反应，适用于长期植入。但对于急性应用场景，如癫痫监测、临时心脏起搏或损伤后神经监测，水凝胶生物电子器件面临关键瓶颈：二次取出手术会增加感染、炎症和组织损伤风险。瞬态生物电子器件通过在生理环境中安全降解，可免除器件取出需求。然而，现有瞬态生物电子器件依赖生物可吸收金属（如Mg、Zn、Mo、W）和半导体（如Si），这些材料本质刚性、电化学功能有限，且降解动力学不可预测。此外，一次性医疗电子器件需求的增长加剧了医疗废弃物对环境的压力。因此，亟需开发既能形成力学顺应生物界面、具备可靠记录与刺激能力，又能实现可预测且安全体内生物降解的植入式生物电子平台。

二、研究内容与核心发现

针对上述挑战，研究人员提出了一种柔软且瞬态的水凝胶生物电子平台，利用Ti₃C₂T_x MXene的独特性质与良好生物相容性，弥合柔软电子与瞬态电子之间的鸿沟。与生物持久性导电填料不同，Ti₃C₂T_x在生理环境中通过氧化驱动水解形成生物相容副产物。研究人员通过Ca²⁺离子直接交联Ti₃C₂T_x纳米片，制备了无聚合物MXene水凝胶（MXgel），其高孔隙率三维网络无需聚合物支架，从而获得优于传统导电水凝胶的电导率。将MXgel集成于京尼平交联明胶（gelapin）可降解基底上，构建了完全瞬态的平台。研究人员证明，可通过调控Ti₃C₂T_x纳米片形貌与gelapin基底组成，精确编程MXgel生物电子器件在生理条件下的降解速率。综合电化学表征显示，MXgel生物电子器件较临床金属电极具有更低阻抗、更高阴极电荷存储容量与电荷注入容量。这些特性使器件在中枢及外周神经系统中实现信噪比高达60 dB的高保真神经记录与有效刺激。体内研究证实，MXgel生物电子器件具备生物相容性，不引发严重异物反应，降解副产物不在体内蓄积，可安全全身清除。该研究发表于《Advanced Materials》。

三、主要关键技术方法

研究人员采用湿化学刻蚀法制备Ti₃C₂T_x MXene胶体分散液，通过Ca²⁺离子（CaCl₂）诱导快速凝胶化形成无聚合物MXgel。采用扫描电子显微镜（SEM）与能量色散X射线光谱（EDS）表征微观结构与元素分布；拉曼光谱确认凝胶化不改变MXene化学结构；动态流变学测量与原子力显微镜（AFM）纳米压痕表征力学性能；四探针法测量电导率。器件制备采用3D打印母模与弹性体负模的模塑法，以gelapin为基底、PLGA为绝缘与钝化层。体内实验采用大鼠模型，包括皮层脑电（ECoG）记录、运动皮层刺激、坐骨神经刺激与胫骨前肌肌电（EMG）记录，以及为期8周的植入生物相容性与降解评估。

四、研究结果

4.1 MXgel的合成与性质：通过Ca²⁺离子交联Ti₃C₂T_x纳米片制备MXgel，zeta电位从?40.6 ± 1.7 mV升至?34.8 ± 0.6 mV，拉曼光谱证实交联不改变MXene结构。流变学显示MXgel的储能模量（约3 × 10⁵ Pa）较前驱体分散液高约三个数量级，水合态杨氏模量为5.74 ± 1.09 kPa，与神经组织模量匹配。水合态电导率为787 ± 147 S m^?1，冻干态达4420 ± 576 S m^?1。加入仅5%海藻酸钠即导致电导率下降约81.5%，证实无聚合物结构对电子传输的关键优势。

4.2 MXgel生物电子器件的设计与电化学性能：以100%交联gelapin为基底（杨氏模量218.9 ± 36.8 kPa），PLGA为钝化层，构建多层柔软器件。细胞实验证实MXgel与gelapin提取物无细胞毒性，星形胶质细胞活性达97%以上。MXgel电极在1 kHz下阻抗低至1.06 ± 0.37 kΩ（2 mm电极），阴极电荷存储容量（CSC_C）达207.1 ± 48.8 mC cm^?2，电荷注入容量（CIC）为0.24 ± 0.08 mC cm^?2，分别较传统金属电极高25倍和10倍。器件经1000次弯曲循环后电学性能稳定，且兼容环氧乙烷灭菌。

4.3 降解动力学与可编程瞬态性：在模拟生理条件（1X PBS，37°C）下，器件22天后显著溶解，Ti:O比从2.0降至0.6；在模拟炎症条件（含30 mM H₂O₂）下，4天内快速降解，Ti:O比降至0.3。通过调控PLGA厚度与组成，功能性电极寿命从4天延长至13天（PLGA_75:25增厚）和8天（PLGA_85:15）。通过调控MXene纳米片尺寸（小、中、大），电导率从421 ± 125增至2180 ± 314 S m^?1，降解时间常数从1.09小时延长至1.57小时，实现降解动力学可编程调控。

4.4 高保真皮层记录与神经调控：在大鼠体感皮层桶状场（S1-bf）植入4个1 mm MXgel电极，获得信噪比59.1 ± 9.8 dB的ECoG记录。随异氟烷麻醉剂量变化，成功记录到爆发抑制与自发活动的转换，并量化了爆发抑制比（BSR）的空间变异性。不同胡须机械刺激在体感拓扑对应电极上记录到不同幅度的诱发活动。将500 μm电极置于运动皮层，0.7 mA以上电流可诱发大鼠下颌偏转，且偏转幅度随刺激电流增加而增大。

4.5 外周神经系统记录与刺激：将1 mm MXgel电极植入大鼠坐骨神经与胫骨前肌，电刺激坐骨神经可记录到特征性诱发肌电（EMG），募集曲线呈典型S形，起始电流约0.57 mA。在5天植入期内，经皮刺激坐骨神经可稳定记录诱发EMG，最大峰峰值电位从12.5 ± 0.1 mV（第0天）增至19.3 ± 0.1 mV（第5天），第二只动物中重复验证了4天内的可靠记录。

4.6 MXgel生物电子器件的体内生物相容性：超声成像显示植入器件厚度在8周内从0.68 ± 0.06 mm降至0.15 ± 0.06 mm，证实渐进性体内降解。动物体重稳定增长，表明无系统毒性。8周时肝、肾、脾中仅检出痕量Ti⁴⁺离子（0.01–0.02 ppm），证实降解副产物不蓄积。组织病理学显示轻度肉芽肿性炎症（4周评分2，8周降至1），轻度至中度纤维化包裹，异物反应（FBR）评分4.75 ± 0.50（4周）和4.00 ± 0.00（8周），无慢性炎症或材料毒性，水凝胶持续存在评分从3降至1，证实近完全生物降解。

五、结论与展望

研究人员开发的MXgel生物电子器件实现了与薄膜瞬态生物电子及水凝胶生物电子相当或更优的性能。当前器件依赖有线物理连接，限制了其作为完全植入式神经接口的应用。未来迭代需集成无线通信与能量传输，可通过电感耦合实现，以降低互连失效或感染风险。通过结合类组织柔软性、高性能与可编程降解，MXgel生物电子器件为下一代可持续神经接口奠定了基础。