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更新时间：2026-10-21
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常规体系通常以聚合物网络承载金属纳米颗粒、纳米碳或导电聚合物等填料，聚合物骨架本身即构成电子传输的阻碍。本研究则直接利用Ca²⁺离子交联表面带负电的Ti₃C₂Tₓ片层，在室温下数分钟内完成凝胶化，形成由 MXene 片层构成的三维多孔网络。在制备工艺上，研究团队借助摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（microArch® S240，精度：10 μm）打印出定制化模具，再翻制硅胶阴模、浇筑可降解明胶基底，最终形成带有微电极阵列的柔性器件。Zeta电位由–40.6±1.7 mV升至–34.8±0.6 mV，证实了Ca²⁺的静电吸附作用；拉曼光谱表明该交联过程未改变Ti₃C₂Tₓ的物理化学结构。所得MXgel在水合状态下电导率达 790±150 S m⁻¹，经冻干形成气凝胶后提升至4420±576 S m⁻¹，显著优于纳米碳复合水凝胶（约1–40 S m⁻¹）及MXene/PEDOT杂化体系（约385 S m⁻¹），并与导电聚合物水凝胶处于同一量级。对照实验显示，仅掺入5%（w/w）海藻酸盐即可使电导率下降约81.5%，直接印证了绝缘聚合物链对逾渗网络的破坏效应。力学方面，水合MXgel的杨氏模量为5.74±1.09 kPa，剪切屈服应力为2.1±0.4 kPa，与神经组织模量高度匹配；Ca²⁺在生理条件下的释放量（aCSF中37 ℃浸泡24 h为12.50 ppm）显著低于人体血浆游离钙浓度，保证了离子交联的生理安全性。
器件层面，研究选用京尼平交联明胶（gelapin）作为基底材料，其兼具生物相容性、类软组织力学特性（100%交联时弹性模量为218.9±36.8 kPa）、低本征电导率（4.59±0.93 mS m⁻¹，较MXgel低五个数量级）及可降解性。器件采用模塑工艺制备：先浇铸成型厚度约416±21 µm 的 gelapin基底，继而引入约17±3 µm 的PLGA75:25薄层以抑制离子扩散并实现电学隔离，随后向电极及互连通道内依次注入40 mg mL⁻¹ Ti₃C₂Tₓ分散液与100 mM CaCl₂溶液完成原位凝胶化，最后施加PLGA75:25顶层封装。成型器件的有效杨氏模量为324.8±134.0 kPa，有效弯曲模量为 339.1±65.8 kPa，在保持组织顺应性的同时具备手术操作所需的结构完整性。在20%压缩应变条件下经1000次弯曲循环后，MXgel未发生剥离，电学性能保持稳定。此外，该器件经环氧乙烷灭菌后阻抗无显著变化，符合植入式医疗器械的灭菌要求。
电化学表征结果表明，MXgel电极在宽频范围内均呈现低阻抗特性，1 kHz下1 mm 与2 mm电极的平均阻抗分别为2.27±0.83 kΩ 与1.06±0.37 kΩ。循环伏安响应以电容行为为主导，未观察到法拉第反应，有利于维持稳定的电极—组织界面并避免水电解与生化物质氧化。其阴极电荷存储容量达207.1±48.8 mC cm⁻²（1 mm 电极），较传统金属薄膜电极到至多25倍，较纳米碳基水凝胶电极到至多50倍；电荷注入容量为0.24±0.08 mC cm⁻²（2 mm电极），约为传统金薄膜电极的10倍。在连续施加生理相关双相电流脉冲（阴极1 mA、500 µs）达10000次的条件下，电极阻抗未出现加速劣化，表明其具备可靠的抗电化学疲劳性能。将电极直径缩减至500 µm后，仍可保持2.74 ± 0.76kΩ（1 kHz）的低阻抗与0.68±0.04 mC cm⁻²的高电荷注入容量。
图2. MXgel生物电子器件的电化学表征。
在降解行为方面，Ti₃C₂Tₓ于水与氧环境中发生水解及氧化，生成TiO₂、CO₂与烃类；PLGA水解为乳酸与乙醇酸；交联明胶则降解为明胶片段、胺类及有机小分子，上述产物均已证实具有良好的生物相容性。在37 ℃的 1×PBS中，器件于22天后出现显著溶解，Ti:O原子比由2.0降至0.6，指示 TiO₂的生成；而在模拟炎症的30 mM H₂O₂环境中，同等程度的结构破坏在4天内完成，Ti:O比进一步降至0.3。体内实际降解动力学预计介于上述两种模拟条件之间。功能寿命可通过封装层参数与MXene片层形貌进行双向调控：PLGA75:25浓度由50 mg mL⁻¹ 提高至100 mg mL⁻¹（膜厚由17 µm增至28 µm），半数以上电极保持功能的时间由4天延长至13天；采用疏水性更高的PLGA85:15（膜厚 18 µm）时为8天。与此同时，小、中、大三种片径（分别为0.67 ± 0.09、1.32 ± 0.19、3.12 ± 0.39 µm）所制备MXgel的电导率依次为421±125、1540±394 与2180±314 S m⁻¹，其在加速降解条件下的电导率衰减时间常数分别为1.09、1.27与1.57 h——片层尺寸越小，缺陷与边缘密度越高，对水解与氧化降解的敏感性越强。该可编程特性使器件寿命能够适配不同临床场景的需求。
图3. MXgel生物电子器件结构与功能降解行为表征。
功能验证分别在中枢与外周神经系统展开。将四枚1 mm电极阵列置于麻醉大鼠躯体感觉桶状皮层（S1-bf），所获皮层脑电（ECoG）信噪比达59.1±9.8 dB，其低阻抗特性有效抑制了热噪声，使80–150 Hz 高频 gamma振荡等精细活动得以被可靠捕获。随异氟烷麻醉剂量变化，阵列清晰记录了特征性爆发—抑制模式，且爆发抑制比在阵列内呈现20%–40% 的空间异质性；对单根触须施加机械刺激时，仅躯体定位对应的电极记录到诱发皮层电位，证实其空间选择性。将500 µm电极置于运动皮层实施硬膜外刺激，当电流幅度超过0.7 mA时可诱发下颌运动，且偏转幅度随刺激电流增大而单调递增。在外周神经系统中，以1 mm电极刺激大鼠坐骨神经、并于胫骨前肌记录诱发肌电（EMG），10次刺激试验间变异极小；将电极埋置于胫骨前肌后，于5天功能窗口内经皮刺激坐骨神经仍可稳定记录诱发EMG，募集曲线均呈S形且起始电流保持一致。
生物安全性评估通过多模态方法完成。高频超声连续监测显示，植入大鼠股二头肌表面的器件厚度在8周内由0.68±0.06 mm稳定降至0.15±0.06 mm，动物体重持续增长，未见全身毒性或生理应激迹象。针对Ti₃C₂Tₓ降解产物TiO₂的蓄积评估表明，植入4周时肝、肾、脾组织中均未检出 Ti⁴⁺；8周时上述组织中的Ti⁴⁺浓度分别仅为0.02±0.01、0.02±0.01与0.01±0.01 ppm，证实降解产物不在体内蓄积并可经正常清除途径代谢。组织病理学分析显示，植入侧肌肉纤维结构保存完整，无形态学破坏；4周时可见轻度肉芽肿性炎症（评分 2），8周时降至限度底（评分 1）；纤维包裹呈轻至中度，综合异物反应评分由4.75±0.50降至4.00±0.00（评分区间为0至7–8），水凝胶残留评分由3降至1，与影像学所观察到的近乎降解相互印证。
图5. MXgel生物电子器件体内结构评估。
总结：MXgel生物电子学通过无聚合物的材料设计，在组织级力学柔软性、高电化学性能与可编程安全降解之间实现了统一。当前平台仍依赖有线方式连接外部放大器与脉冲发生器，尚不构成植入式系统；后续工作需引入感应耦合等无线供能与通信方案，以降低互连失效与感染风险。尽管如此，该研究已充分表明，上述三项关键性能之间并非必然相互妥协，并为开发兼具临床适用性与环境可持续性的下一代神经接口提供了明确的技术路径。
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