Science:开发出双网络结构半导体,实现高质稳定电生理记录
一、导读
将生物相容性电子设备与活体生物组织相结合，是实现生物信号实时测量的有前途途径，对生物研究和健康监测具有重要意义。生物电子设备的关键目标是实现感测表面与组织之间的稳定符合性界面。这需要设备具备柔软、可伸缩的特性，以适应组织的曲线表面，并实现电感测表面与组织的稳定结合。尽管在可伸缩生物电子材料和设备的发展方面取得了进展，但对于需要电子材料与湿润组织表面结合的界面，成功仅限于导体，而这只能用于具有中等灵敏度的被动感测。
为了实现更高的灵敏度，基于晶体管的主动感测设备是更先进的选择，可以提供内置放大功能。在生物界面感测领域，基于半导体聚合物的有机电化学晶体管（OECTs）是一种更有前途的选择，具有高放大倍数、低操作电压、与基于离子的生物事件的内在兼容性，以及实现组织类似可伸缩性的可能性。OECT的感测功能通过将其半导体通道直接连接到组织表面来实现，使生物电位或靶向生化信号可以静电地调制通道的整体电导率。因为这种生物信号转导本质上是由半导体通道与组织表面之间的微观距离决定的，传统的固定方法如缝合或装订边缘，以及使用单独粘合剂的方式，都不能提供最符合性和稳定性的半导体聚合物与组织表面之间的接触。因此，更理想的界面是直接将半导体通道粘附到组织表面。这种技术在实现更高灵敏度的生物信号检测方面具有潜力和前景。
二、成果掠影
美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院王思泓团队报道了一种生物粘附性聚合物半导体，通过生物粘附性刷状聚合物和氧化还原活性的半导体聚合物形成的双网络结构。由此产生的半导体薄膜能够与湿润组织表面迅速而牢固地粘附，同时具有约每秒1平方厘米每伏特的高载流子迁移率、高可伸缩性和良好的生物相容性。进一步制备完全生物粘附的晶体管传感器使研究者能够在孤立的大鼠心脏和体内大鼠肌肉上产生高质量稳定的电生理记录。相关成果以“Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces”为题发表在Science上。
三、核心创新点
本研究创新性地开发了一种双网络结构的生物粘附性聚合物半导体，实现了与湿润组织表面的迅速强大粘附、高载流子迁移率、可伸缩性和生物相容性，并在生物领域实现了高质量稳定的电生理记录。
四、数据概览
图1. 用于基于电化学晶体管的组织界面的生物粘附性聚合物半导体
图2. 生物粘附性聚合物半导体（BASC）薄膜的粘附相关性质
图3. BASC薄膜的电学和结构表征
图4. BASC薄膜的耐磨性、可伸缩性和生物相容性
图5. 完全生物粘附的OECT传感器及其在离体和体内电生理记录中的应用
五、成果启示
总言之，本研究设计了一种BASC薄膜，能够在轻压下与生物组织迅速稳固地粘附，并具有高载流子迁移率。这是通过将半导体聚合物和独立的组织粘附性聚合物形成的双网络结构实现的。与现有的组织粘附性材料和水凝胶不同，该BASC薄膜在实现生物粘附的同时保持了高电性能，克服了半导体聚合物侧链长的限制，确保了表面生物粘附基团的可访问性，同时还能与溶于有机溶剂的半导体聚合物共加工，实现了连续的电荷传输路径和适度的水肿胀性。
原文详情：Nan Li et al., Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces. Science 381,686-693(2023). DOI:10.1126/science.adg8758
