在脑科学与神经工程领域，神经接口的 “功能集成” 与 “生物兼容” 始终是两大核心难题。近日，发表于《Advanced Materials》的研究通过热拉伸多功能全水凝胶纤维技术，同时实现 “光学刺激 + 电生理记录 + 局部给药” 三模态功能与抗纤维化特性，其核心创新可通过文献中的关键图表直观呈现。
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一、传统神经接口的“生死困境”：功能与兼容不可兼得
神经接口的核心目标，是实现“精准对话神经组织”与“长期友好共存”的统一，但过去的技术始终难以突破瓶颈：
功能局限：多数水凝胶基接口仅支持单一功能（如仅光学刺激或仅电记录），无法同时满足 “刺激特定脑区 + 记录神经元反应 + 输送药物调节” 的复杂需求，制约脑科学研究深度；
生物兼容差：金属、硅等刚性材料的杨氏模量（GPa 级）与大脑组织（kPa~MPa 级）相差上千倍，植入后因呼吸、血流引发的微小位移会持续摩擦组织，激活小胶质细胞与星形胶质细胞，形成致密胶质瘢痕，短短几周内就会导致接口失效；
加工难题：若想将多种功能集成到适配脑区植入的微小尺寸（数百微米级），传统机械组装、3D 打印等技术要么无法实现水凝胶的高精度微结构化，要么易出现层间剥离，功能密度与结构稳定性难以兼顾。
二、核心创新：热拉伸技术让全水凝胶“变身”多模态纤维
研究团队的关键突破，是开发了水凝胶热拉伸工艺（HG-TDP） —— 通过筛选特殊热塑性水凝胶材料，在高温下将多种功能水凝胶“拉制”成单根紧凑纤维，一举解决“功能集成”与“生物兼容”的双重痛点。
1. 材料革命：找到能“耐热塑形”的水凝胶
普通水凝胶要么是热固性（高温下不熔化，无法拉伸），要么含水易蒸发（高温加工时断裂）。团队经过大量筛选，锁定两类热塑性聚氨酯水凝胶（PUH1、PUH2） ，其核心优势可通过文献中的材料性能测试验证：
热塑特性：干燥状态下可在 85~100℃熔化，拉伸时能保持结构稳定，冷却后又能恢复水凝胶的柔软特性，完美适配热拉伸工艺；
匹配溶胀率：PUH1 与 PUH2 吸水后的溶胀率相差小于 40%，避免拉伸成型后因溶胀差异导致纤维变形或分层，保障结构长期稳定；
可调光学 / 机械性能：PUH1 与 PUH2 的折射率不同，可分别作为 “芯层” 和 “包层” 构成光波导（光信号传输损耗低）；杨氏模量在 2.9~39.2 MPa，与大脑组织高度匹配，植入后能随脑组织微小运动形变，减少机械损伤。
此外，团队还开发了导电热塑性水凝胶（ECTH） —— 将还原石墨烯（rGO）与 PEDOT:PSS 混入 PUH2，既保留热拉伸特性，又实现低阻抗（≈1 MΩ@1kHz），满足高精度电生理记录需求。
2. 工艺突破：一步拉出“三模态”纤维
通过 HG-TDP 工艺，团队将三种功能模块精准集成到直径仅 300~600μm 的纤维中（相当于人类头发粗细），其结构设计与工艺流程如下：
预制件制备：分别制作 “PUH1/PUH2 阶跃折射率光波导”“ECTH 导电电极”“PUH2 微流体通道” 三种功能预制件；
共拉伸成型：将三种预制件与 PUH2 基体材料组合，放入三温区炉（一区 60~70℃、二区 85~100℃、三区 60~70℃），以 5~10 mm/min 的预制件进给速度和 2~8 m/min 的纤维拉伸速度，一步拉制成单根纤维；
功能集成效果：最终纤维中，中心为光波导（传输蓝光用于光遗传刺激），一侧为包裹 EVA 绝缘层的 ECTH 电极（记录电信号），另一侧为微流体通道（输送药物或病毒载体），三种功能模块紧凑布局，互不干扰。
这种 “单步共拉伸” 工艺不仅生产效率高（可规模化制备），还能实现 20μm 级的功能层厚度控制，远超传统组装技术的精度，为微小脑区植入提供可能。
三、性能验证：抗纤维化 + 多模态功能双达标
1. 抗纤维化：机械兼容 + 药物释放“双管齐下”
胶质瘢痕的形成，本质是机械损伤与免疫反应的叠加。研究通过 “机械顺应性减少损伤”+“药物释放抑制炎症” 的双策略，实现显著抗纤维化效果，其动物实验验证结果如下：
机械层面：全水凝胶纤维的轴向刚度比不锈钢丝低 3 个数量级，植入小鼠海马 CA3 区后，能随呼吸、血流引发的脑组织微小运动形变，避免持续摩擦导致的组织损伤；
化学层面：纤维外层 PUH2 可预先负载抗炎药（如地塞米松磷酸钠），植入后 2 天内缓慢释放，精准抑制早期小胶质细胞激活（小胶质细胞激活是胶质瘢痕形成的起始步骤）；
体内效果：植入 1 周后，与不锈钢丝相比，载药全水凝胶纤维周围的胶质细胞标志物（CD68、GFAP）表达量降低 60% 以上，100μm 范围内（神经信号传递关键区域）的活化胶质细胞密度显著减少，为长期稳定神经记录奠定基础。
2. 多模态功能：精准调控与监测的“全能选手”
研究通过一系列在体实验，验证了纤维在 “电 - 光 - 化” 三模态功能上的实用性，覆盖脑科学研究与疾病模型的核心需求：
电生理记录：在自由活动小鼠中，纤维电极可清晰记录海马 CA3 区和体感皮层（S1）的单细胞电信号（包括正负极性尖峰波），信噪比（SNR）高，且 3 周内阻抗稳定，无明显漂移；
光遗传刺激：通过光波导输送 465nm 蓝光，激活 Thy1-ChR2 转基因小鼠的次级运动皮层（M2），小鼠平均跑步速度提升 40%（P=0.04），证明光学模块可有效调控运动功能；
药物 - 电生理闭环：通过微流体通道向小鼠海马 CA3 区注射致癫痫药物 4-AP，同时实时记录电生理信号，成功捕捉到 “静息→发作前→发作→持续发作” 的完整癫痫波，频谱分析显示发作期 10~30Hz 频段信号功率显著升高，与已知 4-AP 致癫痫特征一致，实现 “给药 - 监测” 闭环调控。
四、未来价值：从基础研究到临床应用的无限可能
这款热拉伸全水凝胶纤维的突破，不仅为脑科学研究提供了更精准、更友好的工具，还在临床转化领域展现出广阔前景：
基础研究层面：可用于长期追踪特定神经元集群活动、解析复杂神经环路（如记忆形成、运动控制环路），为理解大脑功能提供新手段；
神经疾病治疗：有望用于帕金森病的深部脑刺激（DBS）、癫痫的闭环给药治疗 —— 相比传统金属电极，全水凝胶纤维的抗纤维化特性可延长植入寿命，减少手术更换频率；
脑机接口（BCI）：其生物相容性与多模态功能，为开发长期稳定的植入式 BCI 提供可能，未来或可帮助瘫痪患者通过大脑信号控制外部设备；
跨领域应用：该热拉伸工艺还可推广到心肌、视网膜等其他软组织接口，为多器官生物电子器件（如心脏电生理监测、视网膜假体）开发提供新思路。
五、结语
全水凝胶纤维的出现，打破了“神经接口功能越多，生物兼容性越差”的固有认知。通过材料创新与工艺突破，它既实现了“光 - 电 - 化”三模态集成，又攻克了长期困扰领域的纤维化难题，为下一代神经接口的发展指明了方向。
未来，随着水凝胶降解性、信号传输效率的进一步优化，“完全融入生物组织”的神经接口或许不再遥远 —— 当外部设备与大脑的互动，能像神经细胞间的信号传递一样自然，脑科学研究与神经疾病治疗将迎来真正的革命性突破。
参考文献：
Sung C, et al. Thermally Drawn Multifunctional All-Hydrogel Fibers for Anti-Fibrotic and Multimodal Neural Interfaces. Adv. Mater. 2025, e2511634. DOI: 10.1002/adma.202511634