植入式生物电子器件面临的关键挑战之一是生物污染，其可引发感染、免疫排斥、信号衰减及组织再生障碍等一系列严重后果。两性离子水凝胶因其表面可形成致密水合层而展现出优异的抗污性能，被视为植入式器件的理想界面材料。然而，该水合层亦显著削弱聚合物链间相互作用，导致材料本征强度低、脆性大。在生理环境下，抗聚电解质效应进一步破坏链间离子交联，加剧力学性能退化并诱发严重溶胀，从而严重制约其在动态承重场景中的应用。为提升力学性能，现有策略多集中于增加交联密度，如引入额外交联域或掺入高强度填料。然而，非两性离子组分的引入不可避免地引入粘附位点，削弱整体抗污能力。另一方面，完全基于两性离子组分的强化策略，如构建双网络或多网络结构，虽保持良好生物相容性，但受限于两性离子聚合物本征力学弱点，性能提升幅度有限，拉伸强度通常低于1 MPa，断裂伸长率不足200%，断裂韧性低于5 kJ m^-2。上述矛盾凸显了一个材料难题：如何在实现力学大幅增强的同时，避免形成有损抗污性能的疏水区域，实现强度与抗污性的协同优化。

  近期，复旦大学李卓教授、清华大学李舟教授创新性地提出了“动力学锁定”（Kinetic locking）策略，使用静电纺丝技术“锁住”不相容的分子链，成功制备出兼具高强度、高拉伸性和优异抗污性能的两性离子基复合水凝胶，为解决这一“强度与防污”难以兼顾问题提供了新的思路。

  2026年8月25日，相关工作以“Kinetic-Locked Fiber Networks Enable Anti-Fouling, Mechanically Robust Zwitterionic Hydrogels”为题发表在Adv. Mater.期刊上。

图文介绍

  将亲水性两性离子聚磺酸甜菜碱（PSB）与高强度疏水聚己内酯（PCL）共溶解于六氟异丙醇（HFIP）中形成混合溶液。在静电纺丝过程中，溶剂以极快速度挥发，分子链的扩散运动被迅速抑制，使得热力学上本不相容的两种聚合物链被动力学“冻结”于一种高度缠结的亚稳态网络之中，从而有效抑制了宏观相分离的发生。

  动力学锁定形成的分子缠结结构，兼具双重功能：一方面，其抑制了大规模疏水域的形成，从而最大限度地降低了非特异性生物粘附；另一方面，其保留了疏水链段提供的力学增强效应。基于该策略制备的复合水凝胶，展现出2.48 MPa的拉伸强度、1040%的断裂伸长率及27.76 kJ m^-2的断裂韧性，综合力学性能显著优于现有两性离子水凝胶体系。同时，该材料表现出极低的溶胀率、优异的防污力和出色的长期稳定性，能够支持高保真度肌电信号采集与坐骨神经刺激等长期体内应用（图1）。

图1. 两性离子纤维增强水凝胶的分子结构及其功能优势示意图。

  通过四步法，以亲水性PSB和疏水性PCL作为代表性构建单元，合成了两性离子纤维增强水凝胶（图2a）。纤维内部的动力学锁定与纤维-基质界面的分子链缠结共同构成了纤维增强两性离子水凝胶。首先，纤维内部的分子链缠结对于纤维的形态稳定性和亲水性都至关重要。PSB/PCL复合纤维展现出了快速润湿性和结构稳定性的独特结合（图2b-d）。SBMA聚合后，纤维结构在水凝胶基质中完整（图2e），并且随着分子链缠结程度的增大，PSB/PCL的拉伸强度、断裂伸长率和应变能同时提高（图2f、g）。纯PCL纤维膜因链段刚性及移动性受限而在低应变下断裂不同，柔性PSB链的引入显著提高了拉伸性（从121%提升至813%）。在拉伸过程中，PSB和PCL链沿外力方向协同取向（图2h、i）。

图2. 水凝胶的制备及复合纤维内的分子缠结。

  为了阐明聚合物迁移性在相分离动力学中的作用，我们模拟了不同动力学条件下的界面演变（图3a、b）。在缓慢蒸发条件下形成大型岛状平衡结构，而快速蒸发显著延缓了相分离。溶剂挥发速度加快导致相分离域的尺寸逐渐减小（图3c）。静电纺丝制备的PSB/PCL纤维膜在干燥及长时间浸泡水后均未观察到可检测到的相分离现象（图3d），并且单根纤维横截面上硫元素的均匀分布（图3e）。所有PSB/PCL样品的蛋白质吸附量随着结构均匀性的提高而下降，电纺PSB/PCL纤维表现出最低的蛋白质附着水平（图3f）。最后，纤维与基体通过界面分子链缠结和静电相互作用实现纤维-基质锁定，从而使纤维增强水凝胶（PSB/PCL-PSB）能够高效传递载荷（图3g）。

图3. PSB/PCL纤维中的动力学锁定与相分离抑制。

  PSB/PCL纤维的掺入显著提高了PSB水凝胶的力学性能。这一显著改善源于PSB/PCL纤维的固有强度（图4a）与高效的纤维-基体界面锁定作用（图4b）相结合。与纯PSB水凝胶相比，PSB/PCL-PSB复合水凝胶的强度提升了83倍，同时保持了较高的断裂伸长率（1040%），能够有效承重（图4c）。本研究中两性离子水凝胶的抗拉强度几乎是先前研究报道的最大值的两倍（图4d）。在断裂韧性方面，PSB/PCL-PSB复合材料则通过纤维增强和界面粘合作用钝化了裂纹尖端（图4e-g），其断裂韧性为27.76 kJ m^-2——比纯PSB高出近800倍。此外，该水凝胶表现出卓越的抗裂纹扩展能力（图4h）、抗穿刺性（图4i）以及抗压缩性（图4j）。

图4. PSB/PCL-PSB复合水凝胶的力学性能。

  随后评估了PSB/PCL-PSB复合水凝胶在生理条件下的长期稳定性和生物相容性。平衡膨胀率（ESR）高达595%，而PSB/PCL-PSB复合水凝胶的ESR不到8%，凸显了其卓越的抗溶胀性（图5a、b）。同时该复合水凝胶在生理环境中保持了其力学完整性（图5c）。由两性离子复合纤维和两性离子基质组成的PSB/PCL-PSB水凝胶展现出了出色的防污性能。BSA和溶菌酶的吸附量分别降低了86.1%和81.8%，与纯PSB水凝胶相当（图5d）。并且仅有零星的细胞或细菌粘附（图5e-g）。除了防污性能外，复合水凝胶未显示细胞毒性和炎症反应，因此成为长期体内应用的极具前景的候选材料（图5i-j）。

图5. PSB/PCL-PSB复合水凝胶的抗膨胀、防污和生物相容性。

  将复合水凝胶电极植入大鼠颈部肌肉中，用于长期肌电图（EMG）监测（图6a、b）。PSB/PCL-PSB复合水凝胶电极在4周内保持了稳定的信号采集，噪声水平相当，机械完整性良好。除了EMG记录外，PSB/PCL-PSB水凝胶还被设计成坐骨神经导管（图6e、f）。使用PSB/PCL-PSB复合水凝胶进行神经再连接，运动功能得以恢复并随着刺激电压增大腿部弯曲角度从3°增加到21°，并且信号振幅和响应时间均恢复至正常水平（图6g-i）。在4周的时间内复合水凝胶保留了94%的初始信号保真度，证实了其作为长期、稳定的体内可植入信号传输电极的潜力（图6k、l）。

图6. PSB/PCL-PSB复合水凝胶电极用于电生理信号记录和刺激的长期体内评估。

  总之，本研究提出了一种基于动力学锁定策略的纤维增强复合水凝胶，该策略利用静电纺丝技术克服了亲水性两性离子链与疏水性增强聚合物在纤维内的固有不相容性。在PSB/PCL-PSB体系中，溶剂的快速蒸发将PSB与PCL分子链动力学锁定于高度缠结状态，使所得纤维兼具优异的力学强度与抗污功能。同时，PSB基体与PSB/PCL纤维之间形成的分子界面锁定，确保了复合材料中高效的应力传递与均匀的载荷分布。基于上述协同设计，该复合水凝胶展现出卓越的力学性能，包括2.48 MPa的拉伸强度、1040%的断裂伸长率、27.76 kJ m^-2的断裂韧性以及优异的抗穿刺能力。值得注意的是，该动力学锁定与界面锁定相结合的增强策略具有良好的普适性：无论替换纤维或基体中的两性离子组分还是疏水聚合物组分，均具有出色的增强效果，表明其可根据不同应用需求进行灵活定制。除力学增强外，该锁定结构还有效抑制了溶胀行为，并具有出色的抗污性能，因此有望应用于长期生物集成电子器件与软性植入物领域。

  参考文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.74810