【用户成果】分级多孔气凝胶-水凝胶：低电压心脏起搏与动态信号监测

研究背景  

传统金属电极（如铂电极）与生物组织存在机械不匹配，易损伤动态心脏组织，且电容性电荷注入能力有限，难以平衡导电性与机械柔性。碳气凝胶具备高导电性和大比表面积，但其拉伸性不足，直接应用于生物界面（如心脏起搏）时易受外力破坏。 水凝胶虽具生物相容性和柔性，但其低导电性和高溶胀性导致气凝胶-水凝胶复合材料易出现导电网络断裂或绝缘封装问题。 

研究成果

具有优异电学性能的碳气凝胶被认为是生物电子学中用于信号检测和电刺激的有前途材料。为解决碳气凝胶与生物界面（尤其是动态组织和器官）的机械不兼容性问题，引入水凝胶是一种有效策略。然而，在碳气凝胶-水凝胶杂化材料中实现优异的电学性能仍然是一项重大挑战。这一难题主要由两个关键因素导致：1）制备过程中水凝胶的无限制渗透可能导致导电气凝胶被完全包裹；2）水凝胶的高溶胀行为可能造成气凝胶的导电网络断开。在此，同济医学院方寅教授联合上海大学Menahem Y. Rotenberg教授团队通过在分级多孔碳气凝胶（PA）与聚乙烯醇（PVA）水凝胶之间形成互锁网络，获得了一种可拉伸的高导电性生物电子界面。由于PVA对多孔结构的受限渗透，PA的部分暴露得以维持其电学性能，而非溶胀性的PVA则确保了机械拉伸性和稳定性。该杂化材料表现出优异的导电性（370 S·m^-1）、高电荷存储容量（1.66 mC·cm^-2）、显著的拉伸性（250%）以及超过三个月的长期稳定性，能够实现有效的信号记录和电刺激。碳气凝胶-水凝胶杂化材料首次在大鼠心脏模型中实现了离体和在体心脏起搏。与传统铂电极相比，PA-PVA电极所需的起搏电压更低，显示出在功率效率和减少组织损伤方面的潜在优势。这些电极可与无线植入式设备集成，用于体内同步心电图监测和心脏起搏，突显了其在心律失常管理中的潜力。相关研究以“Hierarchical Porous Aerogel-Hydrogel Interlocking Bioelectronic Interface for Arrhythmia Management”为题发表在Small Methods期刊上。

研究亮点

1. 通过分级多孔气凝胶与非溶胀性水凝胶的部分浸润互锁结构，解决传统复合材料“完全封装导致绝缘”的难题，兼顾高导电性与机械柔性。 

2. 首次将气凝胶-水凝胶复合材料用于心脏电刺激，展示其在生物电子治疗中的潜力，且起搏电压低于传统金属电极，降低能耗与组织损伤风险。 

3. 结合材料科学、生物医学工程与无线通信技术，开发出兼具信号记录与刺激功能的植入式平台，推动柔性电子在心血管疾病中的临床转化。

研究内容

通过直接墨水书写技术打印介孔碳纳米片（MCs）与碳纳米管（CNTs）混合的碳墨水，经冷冻干燥形成分级多孔碳气凝胶（PA）。 

将聚乙烯醇（PVA）溶液滴注到PA表面，利用毛细作用实现部分浸润，形成PA-PVA互锁网络。非穿透性微孔限制PVA完全渗透，保留气凝胶表面导电区域，同时赋予复合材料拉伸性（250%）和稳定性（非溶胀性）。  

PA-PVA电导率达370 S/m，电荷存储容量（1.66 mC/cm2）和电荷注入容量（0.83 mC/cm2）显著高于铂电极，且在5000次循环中稳定性优异。 

拉伸强度2.7 MPa，杨氏模量7.1 MPa，可承受拉伸、扭曲、打结等变形，适配心脏运动。 体外细胞存活率高，体内植入后炎症反应轻微，无组织坏死。

PA-PVA电极在大鼠心脏模型中实现低电压（0.4 V vs. 铂电极0.6 V）起搏，同步记录ECG信号，成功逆转药物诱导的心律失常。 

将PA-PVA电极阵列与可植入式无线装置结合，实现ECG监测与电刺激同步，验证其在心律失常管理中的实用性。