针对上述问题，南方科技大学刘吉教授团队提出“一体化水凝胶光纤电子学”（iHOFE）平台：以PHEMA-PFA水凝胶为低损耗光波导芯（0.45 dB cm⁻¹），外侧通过化学键-拓扑缠结共形包覆PEDOT:PSS导电水凝胶层，再以PFA绝缘鞘层隔离光电通路，形成模量仅0.86 MPa的“芯-壳”纤维。该结构在10000次90°弯折后阻抗保持80–100 kΩ不变，实现光电同步操作无串扰；通过一次性预制棒拉制即可低成本成型。将其植入癫痫小鼠海马，可在同一区域连续两个月同步监测癫痫放电并实施光遗传干预，显著降低免疫反应，验证了长期、高保真深部神经环路读写能力。该文章于2025年11月27日以《Integrated Hydrogel Optical Fiber Electronics with Mechanically Robust Interfaces Enable Simultaneous Electrophysiological Recording and Optogenetic Modulation》为题发表于《Advanced Materials》(DOI: 10.1002/adma.202517771)。

（1）具有机械坚固界面的 iHOFE

本研究构建的iHOFE由PHEMA-PFA光纤结构、PEDOT:PSS导电水凝胶层和PU绝缘层组成（图1c）。PHEMA核心与低折射率PFA包覆层通过折射率匹配实现全内反射，显著降低光损耗（图2a,b）。实验表明，加入PFA层后光损耗由裸纤维的82%降至28%，并在473 nm条件下实现0.45 dB·cm⁻¹的低衰减（图2c–e）。与其他水凝胶光纤相比，PHEMA/PFA光纤在300 µm直径下表现出更高的光导效率，10 cm光传输在180°弯折情况下仍保持>90%相对透射率（图2f,g）。PHEMA-PFA界面通过共价键增强，界面韧性达到140 ± 40 J·m⁻²，并在10 000次弯折后维持>90%透射率，60天PBS浸泡后仍保持良好光学稳定性。PHEMA核心的体积膨胀仅为1.3倍，含水量约34%，保证光纤长期尺寸与性能稳定。导电层通过PEDOT:PSS/PVA-AA水凝胶构建，厚度约30 µm，呈现90 ± 35 kΩ（1 kHz）的低阻抗，面积比阻抗约23 Ω·cm²（图2h,i）。在60天浸泡、10 000次电化学循环及10 000次弯折后仍维持80–100 kΩ阻抗，界面稳定性来源于PEDOT:PSS与PFA之间的共价结合（图2j,k）。PU外层显著提升整体阻抗至约8 400 kΩ（1 kHz），在24 h PBS浸泡后降至约8.4 MΩ，并在60天浸泡过程中保持长期稳定。iHOFE整体在长期浸泡后结构完整、尺寸变化极小，适用于长期植入环境（图2）。

图2 iHOFE的制备及光学与电化学性能。（a）含或不含PFA层的水凝胶光纤在473 nm下的FDTD波导模拟；（b）光纤在150 µm长度范围内的模拟光传播及截面光强分布；（c）iHOFE在有无PFA层条件下的光传播光学图像；（d）3 cm光纤在不同结构条件下的透射光强对比；（e）PHEMA/PFA光纤在PEDOT:PSS涂覆前后的光损耗；（f）iHOFE光损耗与其他报道水凝胶光纤的比较；（g）iHOFE在不同弯折角度下的相对光透射率；（h,i）iHOFE在PU层保护下经10 000次充放电前后的电化学阻抗；（j）PFA/PEDOT:PSS界面在弯折下的结构稳定性；（k）不同界面处理条件下PFA/PEDOT:PSS界面韧性的比较

（2）iHOFE 的机械顺应性

研究结果显示，iHOFE在机械性能上与脑组织高度匹配。其在平衡膨胀状态下的直径为440 µm，含水量40%，外层PU绝缘层含水量约60%，整体杨氏模量为0.86 MPa，远低于硅光纤（≈50 GPa）（图3b）。有限元分析（图3c）表明，在50 µm位移下，iHOFE的弯曲刚度为29 N·m⁻¹，分别比硅光纤（16 393 N·m⁻¹）和钢纤维（62 500 N·m⁻¹）低565倍和2155倍，最大应力集中于PFA层且小于15 MPa。动态频率测试（10⁻¹–10¹ Hz）下，其弯曲应力约350 kPa，显著低于硅光纤（12.7 MPa）与钢纤维（33.2 MPa）。此外，iHOFE在干燥状态具备足够刚度，可实现无导管插入脑仿体（图3d），在水化后（<2 h）迅速恢复至组织级柔软性。三维FEA模拟（图3e）用于评估植入后与脑组织的相互作用。在脑微运动（100 µm侧向位移）条件下，iHOFE产生的应力/应变明显低于钢和硅光纤（图3f），且与周围组织保持同步位移，无明显界面脱离（图3g）。总体结果表明，iHOFE的组织匹配力学性能与高含水量有效减轻牵拉力，支持长期稳定植入及可靠的神经电–光接口。

图3 iHOFE的力学顺应性。（a）纤维植入脑组织的示意图；（b）iHOFE各层（PHEMA、PFA、PEDOT:PSS、PU）在平衡膨胀状态下的含水量与杨氏模量对比；（c）钢、硅及水凝胶纤维在弯曲下的FEA应力分布；（d）iHOFE插入脑仿体的示意图及过程图；（e）脑微运动条件下的植入纤维FEA模型示意图；（f）不同纤维植入物在100 µm脑侧向位移下的组织应力分布；（g）钢、硅与iHOFE在侧向位移0–100 µm下的位移曲线

（3）在体癫痫样活动记录和光遗传学调控

长期生物相容性评价显示，iHOFE 植入 C57BL/6J 小鼠 dHPC 2 个月后，GFAP 阳性星形胶质细胞密度显著低于 silica 纤维组及 silica@PU 纤维组。Silica@PU 相比未包覆的 silica 纤维亦呈现较低的 GFAP 表达，提示 PU 包覆与 iHOFE 均具更高生物相容性和稳定性。神经接口性能测试中，将 PBS 平衡后的 iHOFE 植入 Vgat-ChR2-EYFP 小鼠 dHPC，并在吡咯卡品诱导癫痫模型中记录局部场电位（LFP）（图4a,b）。癫痫发作后 LFP 的功率谱密度（PSD）升高（图4c）。在癫痫放电出现后给予 130 Hz 蓝光光遗传刺激（5 ms 脉冲，1 min ON/2 min OFF），可抑制癫痫活动并使 LFP 恢复至基线水平（图4d,f）。PSD 定量结果显示癫痫频段功率在刺激期间显著下降（图4g–j），表明 iHOFE 同时具备稳定的神经记录与有效光遗传调控能力。

图4 急性癫痫小鼠模型的电生理记录与光遗传调控。（a）癫痫建模、LFP 记录及体内光遗传刺激示意图；（b）植入 iHOFE 后自由活动小鼠的实物图；（c）癫痫模型小鼠背侧海马 LFP 频谱图，蓝色条为蓝光脉冲输入；（d）对应（c）虚线区域的放大 LFP 图；（e）正常、癫痫及光刺激状态下的原始 LFP 数据；（f）对应（d）的功率谱；（g–j）癫痫状态与光刺激状态下全频段、theta、beta 与 gamma 波段平均功率比较

（4）慢性行为测试和体内神经调控

在慢性行为调控实验中，将AAV9-CaMKIIα-ChR2-EGFP注入小鼠背侧海马（dHPC）并植入iHOFE（图5a）。在高架十字迷宫（EPM）中，光刺激（20 Hz, 5 ms, 10 mW）显著提高小鼠开放臂停留时间，由20.5 ± 8.9 s 增至159.5 ± 21.0 s（图5b–d）。在开放场测试（OFT）中，光刺激（20 Hz, 10 mW）显著增加移动距离，由39.5 ± 7.3 m 增至76.5 ± 14.5 m（图5e–g），轨迹显示运动增强（图5f）。光刺激期间LFP功率谱密度显示显著的20 Hz 成分增强（图5h），而未转染对照组无该成分。光刺激同时导致theta波段功率下降（图5i）。这些结果表明iHOFE在长期植入条件下可实现稳定的神经记录与行为调控。

图5 iHOFE植入2个月后的行为学研究。（a）行为测试结合电生理记录与光遗传调控示意图；（b,e）高架十字迷宫（EPM）和开放场测试（OFT）示意图；（c,f）EPM与OFT中光刺激前（off）后（on）的代表性运动轨迹；（d）EPM开放臂停留时间对比；（g）OFT总移动距离对比；（h）背侧海马LFP光刺激前后频谱图及原始信号；（i）theta波段平均功率对比