本研究由Baojin Chen, Renjie Yu, Jiaqi Wang, Yunxiang Feng, Yujie Zhang, Yanchao Mao, Chongxin Shan 与 Xudong Wang 共同完成。主要研究机构为郑州大学物理学院微纳电子材料与器件教育部重点实验室，合作机构包括美国威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系。该研究成果于2025年12月13日在线发表于期刊 Advanced Functional Materials，文章编号为202527495。
一、 学术背景
本研究属于生物电子学与生物材料交叉领域。生物电子器件，如用于生理信号监测和电刺激治疗的设备，需要与生物组织实现高效、安全的界面连接。由于生物体本身依赖离子传导电信号，因此，开发具有高离子导电性的生物材料对于构建直接、良性的生物电子界面至关重要，可以避免电子-离子信号转换带来的能量损失和潜在干扰。
近年来，基于天然生物材料（如明胶、纤维素、壳聚糖、琼脂糖等）的功能性水凝胶因其固有的生物相容性和可持续性，成为构建生物电子器件的有前景的基石。然而，这类传统生物材料水凝胶面临两大核心挑战：首先，其离子电导率普遍较低（通常 S m⁻¹），这是由于水分子粘性效应被材料中大量无序的活性基团显著放大所致。低电导率导致信号信噪比低、电刺激阈值高，限制了器件性能。其次，由于其生物聚合物链（如纤维素、壳聚糖、丝蛋白）长且易缠结，难以将杨氏模量降低到与软组织（例如≈10 kPa）相匹配的水平。力学模量的不匹配可能导致组织创伤、异物反应以及在采集电生理信号时产生高界面阻抗。
自然界中，神经系统突触神经元膜上的离子通道受体（如烟碱型乙酰胆碱受体-nAChR和甘氨酸受体-GlyR）通过其肽链上的带电氨基酸残基形成特定的离子通道，分别加速阳离子和阴离子的跨膜传输，主导了快速的突触离子传导。受此启发，研究团队将目光投向聚两性离子。聚两性离子是由两性离子单体聚合而成的一类聚合物，其侧链上的正负电荷基团在外电场下可有序排列。当暴露于电解质中时，定向排列的负电荷和正电荷基团可分别促进阳离子和阴离子的传输，这一效应与生物离子通道相似。更重要的是，聚两性离子可由多种生物分子（如羧甲基壳聚糖、甲基丙烯酰氧乙基磺基甜菜碱-sulfobetaine methacrylate, SBMA等）制备，且其沿聚合物主链有序排列的侧链结构有望减少链缠结，从而显著降低材料的杨氏模量。
基于此背景，本研究旨在模仿神经元膜离子通道受体的离子加速效应，开发一种同时具备高离子电导率和组织匹配柔软度的生物基离子水凝胶，以克服现有生物材料水凝胶的瓶颈，为高性能、生物相容的生物电子器件提供核心材料。
二、 详细研究流程
本研究是一个系统性的材料设计、制备、表征与应用验证过程，主要包括以下几个关键步骤：
1. BIH的设计、合成与基本结构表征 * 研究目标与设计： 设计并合成一种生物基离子水凝胶。其核心是模仿nAChR和GlyR的离子通道机制，利用两性离子聚合物聚甲基丙烯酰氧乙基磺基甜菜碱的侧链基团构建人工离子通道：侧链上的磺酸根基团构成人工阳离子通道，季铵根基团构成人工阴离子通道。同时，PSBMA高度支化的聚合物结构旨在减少链缠结以降低模量。为了增强水凝胶的韧性，引入海藻酸钙网络，其与PSBMA网络之间通过氢键相互作用形成互穿/复合结构。 * 材料合成（BIH制备）： 具体流程如下：将SBMA单体、交联剂N, N’-亚甲基双丙烯酰胺、光引发剂α-戊酮酸溶解于去离子水中，形成均匀的前驱体溶液。随后，加入海藻酸钠和氯化钙，持续搅拌至完全分散。接着，逐步加入预定重量百分比（0.63至3.07 wt%）的LiCl粉末，并额外搅拌30分钟确保所有组分溶解。将溶液倒入丙烯酸模具中，在365 nm紫外光下光聚合3小时，即得到BIH水凝胶。作为对照，研究还合成了使用KCl、NH₄Cl、NaCl或LiBr等不同盐的BIH，以及基于非离子聚合物PHEAA、PDMA和PHEMA的水凝胶。 * 基础性能验证： * 离子导电性验证： 使用电化学阻抗谱测试了PSBMA基水凝胶与PHEMA、PDMA、PHEAA基水凝胶的导电性。结果显示，PSBMA水凝胶电导率达7.04 S m⁻¹，显著高于其他非离子对照水凝胶（1.56-2.04 S m⁻¹），初步证实了由两性离子基团构建的人工离子通道对导电性的增强作用。 * 分子动力学模拟验证： 通过LAMMPS软件进行MD模拟，比较了PSBMA网络（有离子通道）和PDMA网络（无离子通道）中离子的扩散速率。模拟结果显示，PSBMA网络中阴阳离子的扩散速率（2.716×10⁻⁵ 和 5.033×10⁻⁵ cm²/s）显著高于PDMA网络（0.728×10⁻⁵ 和 1.235×10⁻⁵ cm²/s），从理论上支持了EIS实验结果。 * 力学性能与粘附性表征： 通过拉伸应力-应变曲线测得BIH的杨氏模量低至7.2 kPa，与心肌组织模量相当。撕裂测试表明，加入海藻酸钙后，水凝胶的韧性从20.0 J m⁻²提高到63.3 J m⁻²。压缩测试显示BIH具有良好的弹性恢复能力。同时，照片直观展示了BIH良好的拉伸性、柔软度、与人体皮肤的贴合性以及静电相互作用带来的粘附性。
2. BIH的电学、力学、光学及粘附性能的系统研究 * 研究目标： 系统量化BIH在不同条件下的关键性能参数，并与其他代表性生物基离子水凝胶进行对比，确立其优势。 * 实验方法与结果分析： * 电导率影响因素： 通过EIS系统研究了LiCl含量（0.63-3.07 wt%）对BIH电导率的影响。结果显示，电导率从1.48 S m⁻¹提升至7.04 S m⁻¹。同时，测试了不同电解质（LiCl, KCl, NH₄Cl, NaCl, LiBr）在相同离子浓度（1.87 wt%）下的电导率，范围在2.66至3.97 S m⁻¹之间，表明BIH内部的离子通道对不同离子类型具有适应性。拉伸应变测试（0%-100%）表明BIH电导率保持稳定在约4 S m⁻¹，展现了其在形变下稳定的电学性能。 * 力学性能影响因素： 通过拉伸测试研究了LiCl含量对BIH力学性能的影响。随着LiCl含量从3.07 wt%降至0.63 wt%，BIH的断裂伸长率从175%增加至318%，而杨氏模量保持在较低水平（2.9-7.2 kPa）。断裂强度在9.6-12.3 kPa之间，受LiCl影响较小。此外，1000次100%应变的拉伸The first-tension-relaxation循环测试证明了BIH良好的抗疲劳性。 * 性能对比： 将BIH（3.07 wt% LiCl）的离子电导率（7.04 S m⁻¹）和杨氏模量（7.2 kPa）与已报道的代表性生物基离子水凝胶（如基于壳聚糖、纤维素、琼脂糖、淀粉、明胶等）进行对比。结果表明，BIH在保持组织匹配柔软度的同时，实现了显著更高的离子电导率。 * 粘附性能： 采用搭接剪切测试量化了BIH对猪皮、塑料、铜、PMMA、橡胶、玻璃等基底的剪切强度。在猪皮上获得了最高的剪切强度（2.2 kPa）。三次循环粘附测试后，BIH在各基底上的剪切强度仅有轻微下降，证明了其良好的粘附稳定性。 * 光学性能： 紫外-可见分光光度计测试显示，BIH在整个可见光范围内的透光率超过85%，具有优异的光学透明性。
3. BIH的生物相容性评估 * 研究目标： 评估BIH作为生物材料的生物安全性。 * 实验方法与对象： * 细胞毒性（浸出液模式）： 将人永生化角质形成细胞（HaCaT细胞）与含有不同浓度BIH浸出液（0-5000 μg mL⁻¹）共培养24、48、72小时，通过CCK-8法检测细胞活性。定量分析显示，在所有浓度和时间点，细胞活性均接近100%（相对于不含BIH的对照组）。 * 细胞形态与活性染色： 使用Calcein-AM/PI双染法观察在0和5000 μg mL⁻¹ BIH浸出液中培养24、48、72小时的HaCaT细胞形态和活性。荧光图像显示，实验组与对照组细胞形态、分布和密度无明显差异，绝大多数细胞保持活性（绿色荧光）。 * 细胞凋亡分析： 通过流式细胞术分析细胞凋亡。培养72小时后，位于Q4象限（活细胞/增殖细胞）的比例仍超过90%，早期凋亡、晚期凋亡及坏死细胞比例极低，与对照组无显著差异。 * 可降解性： 将BIH先用高碘酸钠溶液氧化，再浸入磷酸盐缓冲盐水（PBS）中。96小时后，BIH完全降解，表明其可通过简单的后处理实现完全降解，降低环境负担。 * 结果逻辑： 系统的体外细胞实验证明了BIH无细胞毒性，具有良好的细胞相容性。这为其后续的体内应用奠定了基础。
4. BIH用于表皮电生理信号监测 * 研究目标： 验证BIH作为表皮电极在采集人体生理信号方面的性能优势。 * 实验对象与方法： * 界面阻抗： 在人体皮肤上测试并比较BIH电极与商用凝胶电极的皮肤-电极界面阻抗。在1-10⁶ Hz频率范围内，BIH电极的界面阻抗明显低于商用电极，这归因于其高电导率和组织匹配的模量带来的更好贴合。 * 脑电图信号采集： 在健康男性志愿者前额放置两个BIH电极采集EEG信号，耳后放置一个BIH电极作为参考。记录在思考（复杂数学计算）、聆听（听音乐）和静息三种不同精神状态下的实时EEG信号，每种状态维持5秒，间隔10分钟静息。通过快速傅里叶变换和时频谱图分析信号特征。结果显示，三种状态下的EEG波形在强度和频率上存在明显差异，其频率分别对应于β波（28 Hz）、β波（20 Hz）和δ波（2 Hz），证明了BIH电极捕捉微弱脑电信号特征的能力。 * 心电图信号采集： 在人体采集ECG信号，比较BIH电极与商用电极。放大波形显示两者均能清晰呈现P波、QRS波群和T波。计算信噪比，BIH电极为18.4 dB，高于商用电极的16.9 dB。灵敏度（T/R比值）方面，BIH电极为0.23，也高于商用电极的0.14。此外，BIH电极成功采集了连续10分钟的ECG信号。 * 肌电图信号采集： 通过BIH电极采集手臂弯曲和伸直时产生的EMG信号，信号强度随肌肉收缩力增加而增加。记录不同上肢动作（转掌、握拳、曲臂）产生的EMG信号，显示明显区别。比较BIH与商用电极在屈臂时记录的EMG信号，波形相似。通过统计估计法计算信噪比，BIH电极为23.2 dB，高于商用电极的17.1 dB。
5. BIH用于体内电生理监测与刺激 * 研究目标： 验证BIH在活体动物复杂生理环境下的性能。 * 实验对象与器件制备： 使用雌性SD大鼠进行实验。制备生物电子器件：以BIH作为组织界面电极，银纳米线作为可拉伸导体，聚二甲基硅氧烷作为封装层。 * 实验内容与结果： * 心外膜心电图采集： 将BIH电极植入大鼠体内，附着在心脏心尖部和右心房区域，采集跳动心脏的心外膜ECG信号。在器件受到机械刺激时，BIH电极仍能保持与心脏的稳定粘附。与商用针电极记录的体表ECG信号相比，BIH电极采集的信号幅度显著更强，质量更高且稳定。 * 皮下肌电图采集与神经电刺激： 将BIH电极附着在大鼠腓肠肌上，采集坐骨神经受电刺激时产生的皮下EMG信号。BIH电极记录的EMG信号幅度和稳定性明显高于商用针电极。改变刺激电压（0.2-1.0 V，1 Hz），BIH电极记录的EMG信号强度相应增强。将BIH电极连接到大鼠坐骨神经进行电刺激，观察后肢肌肉收缩引起的踝关节转动。随着刺激电压从0.2 V增加到1 V，踝关节转动角度从4.4°增加到27.2°，表明BIH电极能提供精确的电刺激。
三、 主要研究结果
本研究取得了一系列系统且相互印证的结果： 1. 成功设计并合成了具有仿生离子通道的BIH。 通过模仿神经元离子通道，利用PSBMA的磺酸根和季铵基团分别构建了人工阳离子和阴离子通道。EIS测试和MD模拟共同证实了这些通道对离子传输的加速作用，使BIH获得了高达7.04 S m⁻¹的离子电导率，显著优于非离子对照水凝胶和传统生物基水凝胶。 2. 实现了组织匹配的力学性能。 PSBMA的高度支化结构有效减少了链缠结，海藻酸钙网络通过氢键增强了韧性，使得BIH的杨氏模量低至7.2 kPa，与软组织（如心肌）匹配，同时具备良好的拉伸性、弹性恢复和抗疲劳性能。 3. 证明了BIH优异的综合性能。 系统表征表明，BIH具有高电导率、低模量、强粘附性（对猪皮剪切强度2.2 kPa）、高透明度（>85%）及对不同离子的适应性。与文献对比，BIH在离子电导率和杨氏模量这两个关键性能上实现了对现有生物基离子水凝胶的超越。 4. 验证了BIH卓越的生物相容性。 详尽的体外细胞实验（细胞毒性、形态、凋亡）表明BIH浸出液对HaCaT细胞无毒性作用，细胞活性、形态和增殖能力均不受影响。BIH还展现出可降解性。 5. 展示了BIH在表皮电生理监测中的高性能。 作为表皮电极，BIH凭借低界面阻抗和高贴合性，能够高质量采集人体EEG、ECG和EMG信号。其采集的ECG和EMG信号信噪比均显著高于商用凝胶电极，并能准确区分不同的脑活动状态和肌肉动作。 6. 证实了BIH在体内复杂环境下的应用潜力。 在大鼠活体实验中，基于BIH的器件能够稳定粘附在动态跳动的心脏上，采集到比商用针电极质量更高的心外膜ECG信号；能精确记录肌肉对神经刺激的EMG响应；并能通过电刺激坐骨神经精确控制肌肉收缩幅度（踝关节角度）。这些结果强有力地证明了BIH作为体内生物电子界面材料的可行性和优越性。
四、 研究结论
本研究受生物神经系统离子通道受体启发，成功开发了一种新型生物基离子水凝胶。该水凝胶通过其两性离子侧链构建人工离子通道，实现了高达7.04 S m⁻¹的离子电导率；同时，借助高度支化的聚合物结构和海藻酸钙增强网络，获得了与软组织匹配的杨氏模量（7.2 kPa）和良好的力学性能。BIH集高离子导电性、组织匹配柔软度、优异生物相容性、强界面粘附性和光学透明性于一体。
科学价值： 本研究提出了一个创新的材料设计范式，即通过模仿生物离子通道的微观结构来显著提升生物基材料的离子传输效率。这为开发下一代高性能离子导电生物材料提供了新的思路和理论依据。
应用价值： BIH作为高性能生物电子界面材料，在表皮和植入式生理信号监测（如ECG、EEG、EMG）、神经肌肉电刺激治疗、可穿戴/可植入医疗器件等领域展现出巨大的应用潜力。其高信噪比、低刺激阈值、良好的组织相容性和可降解性，有望推动更安全、更精准、更舒适的生物电子器件的发展。
五、 研究亮点