可拉伸且可生物降解的水凝胶-纳米膜电极

可拉伸且可生物降解的水凝胶-纳米膜电极，用于适形及瞬态生物电子学应用

可植入心脏生物电子设备对于心血管疾病的持续监测和治疗调控至关重要，但现有平台（通常采用刚性电子材料制成）与不断变形的心脏存在显著的机械不匹配问题。这类永久性、刚性的植入装置常引发组织刺激，并需要额外手术取出设备。本文介绍了一种可拉伸、机械性能柔软且完全可生物降解的水凝胶-纳米膜电极（SBHNE），其设计可紧密贴合心外膜表面，从而在心脏持续运动时实现稳定、高保真信号采集。该 SBHNE 整合了三个功能组件：(i)具有组织粘附性的水凝胶层以确保紧密稳定接触；（ii）可拉伸的钼纳米膜导体以保证可靠的电学性能；（iii）导电聚合物涂层以降低阻抗并维持稳定的电学性能。所有组件均经过设计，在预定使用周期后可在体内生物降解。凭借这些特性， SBHNE 能够实现可靠的心外膜电生理监测及有效的电刺激调控。当与可穿戴脉冲发生器结合使用时，可在大鼠模型中实现持续且按需的心脏刺激以终止室性心律失常。综上所述，这些成果确立了一种完全瞬态、机械顺应性优异的心外膜接口装置，为软性临时性心脏生物电子技术的发展开辟了新前景。

文章核心创新点：

00001. 材料上做了颠覆性的三层全可降解异质集成，把粘附水凝胶、可拉伸钼纳米膜和导电聚合物涂层捏合到一起，三个功能层各司其职又协同增效，器件到期就能完全被人体吸收，再也不用让患者多挨一刀取电极。

00002. 力学设计直接解决了硬邦邦的电子和不停跳动的心脏“合不来”的老难题，软乎乎的可拉伸结构能牢牢扒在心外膜上，心脏跳得再凶也不会晃，信号采集全程稳得一批，再也不会磨伤娇嫩的心肌组织。

00003. 自带的粘附水凝胶层实现了“往心脏上一贴就稳”，不用缝线固定也不会随着心脏搏动移位，彻底告别传统电极动不动就信号飘、信号丢的老毛病，动态监测的可靠性直接拉满。

00004. 给钼纳米膜镀上一层导电聚合物涂层，相当于给电极界面开了“低阻抗buff”，不仅信号采集信噪比大幅提升，还能在整个工作周期里一直保持稳定的电学性能，记录信号准、电刺激调控准。

00005. 直接把柔性电极和可穿戴脉冲发生器拼成了完整的治疗系统，在大鼠身上成功实现了按需心脏电刺激，关键时刻能快速终止致命的室性心律失常，给临时心脏治疗搭出了一套完整的闭环方案。

00006. 最终跳出了“修修补补改器件”的老思路，直接立起了“全可降解+全柔性顺应”的心外膜接口新范式，未来完全有机会在术后临时起搏、围术期心脏监护等场景里，彻底换掉用了几十年的传统刚性临时起搏导线。

从材料底层创新到系统级动物验证，这套技术走通了全链条，最终拿出了“植入不用取、工作不伤人”的完美临时心脏电子治疗方案，离真正走进临床已经不远了。

研究背景

心血管疾病居全球死因首位，实现连续、高保真的心脏生理信号监测是精准诊断与及时干预的核心前提[1-4]。现有研究已开发出多种植入式心脏生物电子器件，涵盖心内膜传感器、起搏与除颤电极等，支持长期永久植入或数天至数周的短期临时监测[5-9]。然而，目前临床广泛应用的成熟产品多基于刚性电子材料，依赖机械固定与心肌结合[10,11]。心脏在单个心动周期内体积形变最高可达20%[12-15]，刚性器件与动态心肌间存在显著的力学失配，引发信号漂移、组织刺激、炎性包膜增生等问题，且多数需二次手术取出[16-19]。

近年来，柔性可拉伸生物电子技术通过引入力学适配基底、可拉伸导电互连与功能电极材料，为解决上述矛盾提供了新路径[20-25]。超薄高拉伸电子器件已实现与心外膜的无缝贴合，完成稳定的信号采集与电刺激[26,27]。但面向长期植入场景，柔性器件仍大量采用不可降解的金属与高分子材料[28-32]；在无需长期监测的临床场景中，非降解器件永久滞留会诱发异物反应及疲劳失效，最终仍需手术取出，存在明显局限[33,34]。

在此背景下，可降解瞬态生物电子器件成为研究热点：这类器件可在完成预设周期的工作后完全降解为无毒代谢产物，经机体代谢排出，无需二次手术[35-37]。然而，现有瞬态心脏器件普遍难以同时兼顾可拉伸性、组织粘附稳定性与高性能电学输出，无法在持续形变的心肌表面实现长期稳定工作[38-42]。

上述短板表明，领域亟需开发一款心脏专用电极，集成四大核心特性：低力学模量以适配心外膜搏动形变；稳定的组织粘附能力以无需额外固定；高保真电学性能保障信号与刺激可靠性；整体完全可降解以避免长期植入风险。同时满足上述特性的新型器件，有望极大拓展临时心脏介入诊疗的临床应用边界。

本文提出一种可拉伸、柔软、完全可降解的水凝胶-纳米薄膜复合电极（SBHNE），系统解决上述技术瓶颈。该器件集成三大功能层：（i）两面异性粘附水凝胶层，15秒内与心外膜形成共形粘附，无需缝线等固定；（ii）可拉伸钼纳米薄膜导电层，由钼纳米颗粒与纳米片在PLCL基体中自组装形成，兼具高电导率与力学柔顺性；（iii）超薄导电水凝胶涂层，降低界面阻抗，提升电学稳定性。器件所有组分均可在预设的1~2周工作周期后可控降解。SBHNE杨氏模量约为1 MPa，与心肌组织精准力学匹配；经1000次50%应变的拉伸-释放循环后，电阻变化率维持极低水平。体内实验证实该器件可实现长期稳定的心外膜电生理监测与电刺激调控；与可穿戴脉冲发生器集成后，可在大鼠模型中有效终止室性心律失常，展现出明确的临床转化前景。

结果解析

可拉伸可生物降解水凝胶-纳米膜电极的设计策略与关键特性

SBHNE 的制备工艺与结构表征

钼纳米线/H- PEDOT 双层导体的电学与电化学性能

SBHNE 的机械顺应性及组织粘附性能

SBHNE 生物降解性的体外与体内评估

研究结论

本研究开发了一种可拉伸、具有机械顺应性且完全可生物降解的水凝胶-纳米膜电极，用于临时性心外膜界面连接，有效克服了传统心脏生物电子设备的主要局限性（包括机械性能不匹配以及需要二次手术取出装置）。该 SBHNE 集成以下组件：i）Janus组织粘附型水凝胶，可实现快速（约15秒）贴合式附着；ii）高拉伸性的钼纳米线导体，支持耐应变电荷传输；iii）超薄H- PEDOT 层，可降低界面阻抗并提升电学性能。这种多层结构既具备与心肌相匹配的柔软度（杨氏模量约1 MPa）和高变形能力（约300%应变），又在循环变形下保持优异的机电稳定性，从而在整个预期使用期间实现可靠的心外膜记录和高效刺激。在大鼠模型中，多通道SBHNEs可在机械应变条件下实现区域分辨的心外膜电图记录，并且与可穿戴脉冲发生器结合使用时，能按需提供起搏以终止室性快速性心律失常。总体而言，这些成果为开发符合心肌力学特性、使用后完全可吸收、无需手术移除即可实现高精度电生理记录与治疗的心脏专用临时生物电子设备奠定了基础。

技术来源：https://doi.org/10.1002/adfm.202532200