从人工器官到先进电池：突破性可拉伸PEG材料开辟新路径

2025年10月29日，弗吉尼亚大学软生物物质实验室在《先进材料》（Advanced Materials）期刊上发表的一项研究，为生物医学材料和能源技术领域带来了突破性进展。

该研究由材料科学与工程和化学工程副教授Liheng Cai领导，第一作者为博士生Baiqiang Huang，展示了一种全新的聚乙二醇（PEG）材料制造方法，成功将这种广泛使用的生物材料从脆性转变为高度可拉伸的弹性体，同时实现了3D打印能力。

（来源：Advanced Materials）

凭借其优异的可拉伸性和生物相容性，这一材料有望成为人工器官、组织工程和医疗植入物等生物医学领域的理想选择。3D打印能力不仅能实现复杂个性化结构设计，还能推动定制医疗器械和智能柔性设备的发展。同时，该材料在新能源领域也展现出作为高性能固态电解质的巨大潜力，有助于推动新一代柔性电池和储能器件的研发。

聚乙二醇是生物医学领域的明星材料，在组织工程、药物输送等应用中已有广泛使用。其生物相容性好、可降解的特性使其成为体内应用的理想选择。然而，传统PEG材料却一直受困于一个致命缺陷：脆性。

目前生产PEG网络的标准方法是在水中通过交联线性PEG聚合物形成网络结构，然后去除水分。这种方法虽然简单,但产生的结构是脆性的、易结晶化的，无法在不失去完整性的情况下进行拉伸。

这种脆性严重限制了PEG在许多关键应用中的使用——例如需要灵活性和运动的大型结构、合成人体器官所需的支架，以及需要承受一定形变的医疗设备。

“弹性方面的突破是一个重要特征，因为可拉伸性将使PEG网络能够用于更大的结构，或需要一定灵活性和运动的结构。”研究团队在论文中指出。

弗吉尼亚大学团队的解决方案并非简单地改进交联方法，而是从分子架构层面重新设计了材料。他们借鉴了制造弹性、强韧橡胶的核心理念：在分子层面的内部结构中存储长度。

图：弗吉尼亚大学工程学院博士生Baiqiang Huang（左）和副教授Liheng Cai（右）（来源：Matt Cosner, UVA Engineering）

这种创新设计被称为“可折叠瓶刷聚合物架构”。在这种结构中，聚合物分子具有从中央主链辐射出来的多个柔性侧链，整个结构就像一个瓶刷。关键之处在于，这些侧链可以像手风琴一样折叠和展开，在折叠状态下存储额外的长度,当材料受到拉伸时展开释放,从而实现高拉伸性。

“我们小组发现了这种聚合物，并使用这种结构来证明任何以这种方式制造的材料都非常具有弹性，”Liheng Cai教授解释道。这种分子架构设计使材料既非常坚固又非常具有弹性，从根本上改变了PEG材料的力学性能。

在制备方法上，Baiqiang Huang将可折叠瓶刷聚合物的概念应用于PEG，开发出了一套简洁而高效的工艺流程。首先，研究团队合成具有瓶刷架构的PEG前体分子，并添加光引发剂制成前体混合物。随后，只需将这种前体混合物暴露在紫外线下几秒钟，紫外光就会引发聚合反应，形成具有瓶刷结构的三维网络。

这一工艺的优势不仅在于简单快速，更在于它与3D打印技术的完美结合。“我们可以改变紫外光的形状来创造许多复杂的结构，”Baiqiang Huang介绍，通过控制UV光的图案和曝光参数，可以逐层固化，构建出复杂的三维结构，打印分辨率可达微米级别。

该工艺可以产生两种主要材料类型：含有水分的高度可拉伸PEG基水凝胶，适用于生物医学应用；以及完全固化的无溶剂弹性体，适用于电池等应用。更令人惊喜的是，通过调节交联密度、瓶刷侧链长度和密度等参数，可以制造出既柔软又坚硬但都保持弹性的结构，甚至可以在同一结构中实现梯度性能。

新材料在性能上实现了质的飞跃。与传统PEG网络通常小于50%的断裂伸长率相比，新材料可达到数百至数千百分比的伸长率，拉伸性能提升了10-100倍以上。材料成功从脆性转变为韧性，在拉伸过程中能够吸收大量能量而不破裂，拉伸后还能恢复或部分恢复原始形状。

在保持高拉伸性的同时，材料仍保持足够的强度（可达数MPa至数十MPa），杨氏模量可通过设计调节，范围从软质（<1 MPa）到硬质（>100 MPa）。这种可调性为材料的广泛应用奠定了基础。

生物相容性方面，研究团队进行了严格的细胞培养实验验证。

“研究人员在材料旁边培养细胞，以确保它们可以共存，它们是兼容的，”Baiqiang Huang说。实验结果显示，细胞存活率与对照组相当(通常>90%)，细胞能够正常增殖并保持正常形态，没有出现毒性反应。这种生物友好性使其适合用于进入体内的材料，如器官支架。

新材料的应用前景横跨多个领域。

在生物医学方面，其高拉伸性、生物相容性和3D打印能力的结合，为人工器官制造带来了新的可能性。材料可以作为合成人体器官的支架，提供必要的结构支撑和灵活性，同时与人体免疫系统兼容。3D打印技术还能实现个性化定制，根据患者的具体需求设计器官结构。

在药物输送系统方面，可定制的3D结构可用于精确控制药物释放速率，实现靶向药物输送，提高治疗效果的同时减少副作用。在组织工程领域，材料优异的机械性能和生物相容性可以支持多种细胞类型的生长，促进组织功能的恢复。

令人惊喜的是，该材料在能源领域同样展现出巨大潜力。论文表明，与现有的固态聚合物电解质材料相比，新材料在室温下显示出更高的电导率和更高的拉伸性。“这一特性突出了新材料作为先进电池技术的有前景的高性能固态电解质，”Liheng Cai说。

图：该新材料可以产生各种具有不同性能的结构，有望应用于从器官移植到电池技术等领域（来源：UVA Engineering）

材料的高电导率（可达10^-4至10^-3 S/cm量级）可以提高电池的功率密度，而高拉伸性则能适应电池充放电过程中的体积变化，提供更好的界面接触，从而提高电池的安全性和循环寿命。更重要的是，材料在拉伸至数倍长度时仍能保持导电性，这种机械-电化学耦合性能为柔性电池和高性能固态电池开辟了新路径。

Liheng Cai团队还在探索将PEG与其他材料结合的可能性，“创造出具有不同化学成分的3D打印材料，为许多可能的用途打开大门”。

从实验室到产业化，这种材料还需要优化合成和打印工艺以实现规模化生产，并通过更多长期实验验证其稳定性。但毫无疑问，这项突破为从人工器官到先进电池的多个领域带来了新的希望，也为材料科学的发展开辟了新的方向。

“我们的团队继续探索在固态电池技术中研究的潜在扩展，”Liheng Cai表示。随着研究的深入，这种突破性材料有望在不久的将来走出实验室，为医疗健康和清洁能源技术带来实质性的变革。