Nature|西湖大学团队解锁水凝胶生物电子器件净信冷冻研磨仪助力微凝胶制备

2026年7月31日，西湖大学工学院周南嘉团队与生命科学学院陶亮团队合作在国际顶级期刊Nature Materials（IF=38，Nature旗舰材料大子刊，录用率约7%-9%）发表研究论文。

该研究通过胶束自组装方法开发出一套兼具抗溶胀、超高拉伸、高导电和优异生物相容性的水凝胶材料体系，并利用嵌入式3D打印技术制造了脑机接口、无线供能光电器件和坐骨神经刺激器等多种植入式水凝胶生物电子器件，在大鼠体内实现了长期稳定运行。上海净信JXFSTPRP-CLN冷冻研磨仪在该研究的核心制样环节中提供了关键支撑。

上海净信JXFSTPRP-CLN冷冻研磨仪助力样品制样

1. 研究背景与挑战

水凝胶材料因高度含水、柔软如组织、生物相容性优异，被视为植入式生物电子器件的理想材料。但传统水凝胶有一大致命短板——遇水就“发胖"。植入体内后，强烈的溶胀效应会导致封装层变软变形，导电网络断裂失效，器件往往在数小时至数天内丧失功能。此前报道的导电水凝胶在溶胀后湿态电导率普遍低于1000 S cm⁻¹，拉伸性也不足300%，性能远不及弹性体基材料。

2. 硬核技术突破

针对这一瓶颈，西湖大学团队开发了一种胶束自组装策略，在不使用有机溶剂和表面活性剂的条件下，让亲水和疏水单体自发组装，原位聚合形成具有纳米相分离结构的抗溶胀水凝胶。该材料在水中几乎不膨胀，溶胀因子低至-9.8%，比常规水凝胶降低近40倍，同时拉伸性高达2300–3500%，杨氏模量仅26–52 kPa，既强韧又柔软。

更难能可贵的是导电性。团队设计了一种“双相"导电水凝胶墨水——将银片与抗溶胀微凝胶混合，通过嵌入式3D打印构建导电网络，配合两步固化工艺精准调控非导电组分比例。最终，这种水凝胶在溶胀后仍能保持超过4000 S cm⁻¹的电导率，相比现有报道提升了一个数量级以上，且拉伸不失效。

基于这套材料体系，团队一口气造出了三种原型器件：全水凝胶脑机接口、无线供能光电器件、坐骨神经刺激器。大鼠体内验证显示：脑机接口植入5周，信号依旧清晰；无线光电器件泡在水中超过一个月，工作如常；神经刺激器植入7天后，仅需不到600 mV的电压就能稳稳诱发后肢运动，且仅引起约45 μm的轻微纤维化，与假手术组几乎没有差别——这在高分子植入物中极为罕见。

3. 净信冷冻研磨仪：微凝胶制备的关键支撑

在该研究的核心环节——可打印抗溶胀水凝胶支撑基质和双相导电墨水的制备中，研究团队需要将整块PMEA-PHEA抗溶胀水凝胶粉碎为微米级颗粒，再重新溶胀于单体溶液中，形成具有屈服应力流体特性的3D打印支撑材料。然而，水凝胶作为一种高弹性软物质，常规室温研磨根本无法获得均匀微粒——材料要么被压扁粘连，要么粒径分布极宽，导致后续溶胀行为不一致、打印喷嘴频繁堵塞、器件电性能批次差异巨大。可以说，研磨粒径控制问题不解决，整个3D打印水凝胶电子器件的制造工艺就卡在了起跑线上，后续的导电网络构建和器件集成无法推进。

冷冻研磨仪在Pulverization环节发挥关键作用

净信JXFSTPRP-CLN冷冻研磨仪的性能特点

1. 超低温预冷：样品与研磨罐经液氮冷却≥10 min，确保水凝胶脆化，避免韧性撕裂；

2. 高频精准研磨：程序化研磨，可获得粒径均一的微米级水凝胶颗粒，净信其他型号设备还可实现纳米级粉碎，为不同研究需求提供灵活选择。设备为水凝胶样品的超细粉碎提供了可靠解决方案，研磨粒径可达微米至纳米级别；

3. 批次可重复：标准化参数保障相同配比下微凝胶的溶胀行为和流变性能一致；

4. 全流程适配：经过三次冷冻球磨+溶胀循环后，微凝胶形成均一的支撑基质和导电墨水前驱体。

冷冻研磨设备不仅在本研究中发挥了关键作用，也广泛适用于水凝胶、高分子材料、生物组织、细菌、酵母等样品的低温粉碎与细胞破壁，已助力数十个科研团队在Nature、Science、Advanced Materials等顶刊完成高质量样品前处理。

关于净信

上海净信实业发展有限公司是一家国家高新技术企业，专注于生命科学仪器、样品前处理设备及实验室自动化解决方案的研发、生产和销售。公司以“科学仪器国产化"为使命，旗下Tissuelyser系列组织研磨仪、冷冻研磨仪、高通量组织破碎仪等产品已覆盖全国各大高校、研究所、医院、疾控、海关及环境监测机构，积累数万个成功应用案例。净信致力于以高品质国产设备赋能前沿科学研究，让样品制备更简单，让科研创新更高效。

▍参考文献：Yao, Y., Luo, J., Hui, Y., Lyu, J., Ke, Y., Shen, W., Xu, Y., Yu, Y., Chen, H., Chen, J., Chen, G., Sawan, M., Tao, L. & Zhou, N. 3D-printed implantable bioelectronics enabled by anti-swelling and biphasic conductive hydrogels. Nat. Mater.