南科大刘吉&江西科技师范大学卢宝阳团队：3D打印植入式导电聚合物水凝胶生物电子，用于心脏电信号的时空映射

研究团队 | 作者

酥鱼 | 编辑

生物电子器件在生理环境中能够维持稳定的电学/力学性质，并具有与生物组织类似的机械顺应性，对于构筑稳定高效的生物电子界面是至关重要的。导电聚合物（如聚（3,4-乙撑二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS））水凝胶，因具优异的柔性、导电性和生物相容性，可以最大限度地减少组织电子界面的生物力学和电化学失配，这对于医疗保健监测、诊断及治疗具有广泛的意义。

然而，常规的制造手段难以制造出具有高分辨率、复杂几何结构的PEDOT:PSS生物电子器件，无法满足复杂生物环境对高性能生物电子的需求。此外，现阶段基于PEDOT:PSS的水凝胶生物电子器件与生物组织之间弱的界面结合力，存在器件移位甚至脱落等风险，可能会导致电生理记录或者电刺激的失效，可能会进一步引发组织的创伤或者炎症反应等问题。

近日，南方科技大学刘吉教授团队与江西科技师范大学卢宝阳教授团队合作在Advanced Functional Materials上发表文章3D Printed Implantable Hydrogel Bioelectronics for Electrophysiological Monitoring and Electrical Modulation，开发了基于PEDOT：PSS的生物墨水，实现了PEDOT：PSS生物墨水的高精度3D打印，所制备的生物电子具有与生物组织匹配的力学性质，能够与体内生物组组/器官形成稳定的电交互界面，可以用于体内电生理信号的长期监测以及某些疾病的电调控治疗。

图1. 用于生物界面的3D打印水凝胶电子器件设计

该团队开发了一种由导电聚合物PEDOT:PSS与其他生物医用高分子（如：聚乙烯醇、壳聚糖等）以及具有生物粘附功能的聚丙烯酸类高分子共同组成的生物墨水，并实现了此类生物墨水的高精度3D打印，制备出具有高分辨率和复杂图案化的各种生物电子（图2）。此类生物电子具有与生物组织相近的模量水平，并且可以实现与生物组织快速且高韧性的生物粘附（界面韧性超过200 J m^-2，剪切强度高达120 kPa），如此优异的粘附性能确保了生物电子与体内动态器官的稳定的电学交互。此外，此类生物电子具有非常优异的力学和电学长期稳定性，能够确保在生物体内应用的安全可靠性。

图2. 3D打印水凝胶生物电子及其力学/电学性能研究

该团队进一步结合多材料3D打印技术制造出具有16通路的全水凝胶生物电子，并将其应用至大鼠心脏表面，实现了体内心电信号的长期稳定监测以及心脏电传导特性的时空映射，并成功监测出患病大鼠（心梗模型）的异常心电信号，心电图（ECG）显示明显出ST段抬高，通过电生理信号的时空映射准可以精确定位出异常心电传导区域，并给予电刺激治疗，准确的定位及有效的电刺激治疗诱导患病心脏恢复正常的电学传导心电信号恢复正常（图3）。

综上所述，此项研究通过多材料3D打印技术制造出具有高分辨率和复杂图案化的生物电子，能够满足体内复杂生理环境对生物电子的要求，同时此类生物电子实现了与生物组织软的机械耦合及高效的电学交互，为下一代生物电子技术提供了新的发展方向。

图3. 水凝胶生物电子用于体内电生理记录及电调控治疗

江西科技师范大学硕士生王福成，南方科技大学博士生薛羽和陈兴梅为论文共同第一作者，卢宝阳教授和刘吉副教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、江西省柔性电子重点实验室、深圳市科技创新委员会和广东省基础研究和应用基础研究等基金项目的资助。