编者按
在斜视、
更棘手的是，现有的形状记忆材料虽然理论上可以"变形适配"，但几乎都需要光照或加热来触发，这在精密脆弱的眼部深层组织中几乎不可行。
浙江大学眼科中心
临床痛点与技术破局：告别传统“触发器”
软体植入式生物电子设备要真正发挥作用，前提是能与组织紧密贴合。为了减少手术创伤、提高界面质量，研究者们普遍采用形状记忆聚合物来制作智能软基底——这类材料可以先压缩成细小形态通过切口送入体内，再在原位展开并贴合目标组织，兼顾了微创植入与良好接触两个需求。
然而，现有的形状记忆基底几乎都需要外部"触发"才能启动形变，常见的方式包括光照、加热、通电或注射化学物质。问题在于，人体深部组织环境复杂，这些刺激手段很难精准施加，安全性也难以保证。与此同时，不同患者的组织几何形态差异显著，如何快速定制个性化的三维结构、并精确控制形变的启动时间和展开顺序，始终是这类技术走向临床的核心障碍。
这项研究的突破点在于，团队利用可逆热诱导相分离水凝胶的特性，开发出一套无需任何外部触发的4D打印策略。植入后，材料可在恒定体温环境下自主按预设时序完成多阶段展开，不依赖任何额外干预。
图1 4D打印及形状记忆过程示意图，展示单步光固化构建3D形态及无触发自主形变机制
材料密码：单步光操控的三维异质网络
该技术的核心在于对聚丙烯酸-
图2 形状恢复行为与光照时间的关系，展示不同光照时长下的微观孔隙演化与启动时间分布
光照时间（tirr）是调控宏观几何形态和微观相分离机制的关键参数。延长光照时间会提高双键转化率（300 s时光照面与背光面转化率均超过85%），形成更致密的交联网络，进而削弱热处理过程中的相分离程度并减小相区尺寸。这种网络密度的空间差异直接决定了形变启动时间（tonset）。
在25°C环境水浴中，随着照射时间从80 s增加至240 s，水凝胶的启动时间从7.4分钟大幅缩短至2.5分钟。通过在单一平面内设计不同灰度的光照图案，可以赋予水凝胶不同区域各自独立的启动时间，从而实现复杂结构按预定时序依次折叠或卷曲。
活体验证：高度的生物相容性保障
作为植入式医疗器械的基底，优异的生物相容性是实现长期在体监测的前提。体外人角膜上皮细胞活/死共染色与存活率评估表明，该水凝胶材料不具有细胞毒性。
在小鼠皮下植入实验中，研究团队对比了纯4D打印水凝胶与涂覆液态金属导电层（EGaIn合金与银颗粒混合物）的复合水凝胶。植入7天后的血清学检测证实，包括IL-1β、IL-6、TNF-α在内的关键炎症因子表达水平与假手术对照组处于同一基线。植入位点周围组织的H&E切片也显示出极低的排异和炎症浸润，充分证明了该水凝胶及导电涂层体系在活体环境下的高安全性。
图3 小鼠皮下植入后的H&E染色切片及血清炎症因子检测结果
眼科实战：兔眼外肌自卷曲肌电监测
眼外肌的肌电生理（EMG）监测能为斜视、重症肌无力等眼科疾病的病理机制与手术方案提供直接证据。眼部手术解剖空间狭小，传统刚性电极在穿入眼外肌下方时容易损伤周边组织，且与肌肉弧面的贴合度差，容易引起信号衰减和噪声干扰。
图4 4D打印自卷曲水凝胶电极及兔眼外肌活体肌电监测流程，含电极多级卷曲过程及动作电位数据
该研究专为眼外肌设计了具备多级时序卷曲特性的水凝胶电极。首先，在电极处于平整的临时固定形态时，通过掩膜印刷制备厚度仅为20 μm的液态金属电路，其电导率稳定高达1.25×10⁶ S/m。在植入阶段，电极以扁平且坚硬的形态微创推入兔下斜肌下方。凭借精确设定的长启动时间（tonset），电极在手术定位操作期间不会发生提前形变。
精准就位后，由于电极各节段光照参数不同，其在体温环境下展现出顺序自卷曲过程，逐段卷曲并紧密贴合下斜肌表面，彻底避免了单步整体卷曲带来的组织卡顿或贴附不良。这种高度适形的界面降低了接触阻抗。在0.3 mA至1.0 mA（频率15 Hz，脉宽1 ms）的方波电流刺激下，电极成功捕获了低噪声、高保真的动作电位，振幅随电流强度呈现规律性递增。该柔性电极也可反向输入电流触发眼外肌收缩，实现了在单一微创平台上的传感监测与精准神经调控。
本研究的关键结论
该无触发4D打印水凝胶基底成功实现了微创植入与组织共形贴附的统一。其按需设定的多级自主形变能力与高度的生物相容性，为斜视、重症肌无力等眼外肌疾病的精准诊疗提供了高集成度的新平台，有望应用于胃肠道、心脏和复杂神经系统疾病的长期在体监测与原位刺激。
晋秀明教授：本研究开发的数字化编程自主变形水凝胶，为植入式柔性电极实现体内无创、精准、动态贴合提供了全新可能，有望显著提升植入式诊疗器件的生物相容性与长期传感稳定性，具有重要临床转化价值。在眼科学领域，该技术可实现眼外肌实时监测，为斜视、肌无力等疾病提供在体、原位、精准化诊疗新手段，具有重要临床应用前景。
专家点评
倪楚君研究员：可变形水凝胶凭借优异的生物亲和性、可编程形变能力以及与生物组织相匹配的力学模量，已成植入式柔性器件的电子基材。然而，现有水凝胶多依赖外部触发的被动变形模式，难以适应体内复杂、动态的生理环境，极大限制了其实际应用。本研究团队提出基于数字化编程的无外源刺激自主变形水凝胶，通过数字曝光可同步精准构筑三维复杂结构与预设形变路径，实现体内环境下的程序化自主形变。该策略为植入式电子器件的原位自适应变形与组织界面高效贴合提供了全新技术路径，对推动下一代自适性植入式电子系统的发展具有重要意义。
晋秀明 教授
倪楚君 特聘研究员
博士
浙江大学医学院附属第二医院眼科中心特聘研究员。研究方向为智能医用高分子凝胶设计及其医学应用研究。
以第一/通讯作者在Nature, Nature Communications, Matter等期刊上发表论文
获国家授权专利5项
主持国自然青年基金项目
参与国家自然科学基金委重大项目。
参考文献
Ni C, Zhang C, Qin Z, et al. Nat Commun. 2025;17(1):677.
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