生物電子學(xué)的突破：科學(xué)家成功研發(fā)柔性半導(dǎo)體材料

芝加哥大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)出一種新型凝膠材料，既具備傳輸信息的半導(dǎo)體功能，又能在活體組織和機(jī)器之間構(gòu)建穩(wěn)固連接。這一創(chuàng)新為生物電子學(xué)領(lǐng)域開辟了廣闊前景，或?qū)⑼苿?dòng)起搏器和其他植入式設(shè)備的發(fā)展。

芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的研究表明，這種新材料或可用于改進(jìn)腦機(jī)接口、生物傳感器和心臟起搏器等設(shè)備。理想的生物電子接口材料應(yīng)當(dāng)柔軟、可拉伸，并與人體組織一樣具有親水性，因此水凝膠被認(rèn)為是最佳候選材料。然而，用于制造生物電子設(shè)備的核心材料——半導(dǎo)體——傳統(tǒng)上卻表現(xiàn)出剛硬、易碎且疏水的特性。

在《科學(xué)》期刊上發(fā)表的芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的研究論文解決了這一長(zhǎng)期以來困擾研究人員的難題。研究成果是一種呈藍(lán)色的凝膠材料，在水中如海蜇般輕盈飄動(dòng)，但保留了傳遞信息所需的半導(dǎo)體功能。這種材料即是半導(dǎo)體，又是水凝膠，完全滿足理想生物電子接口的要求。

“在制造植入式生物電子設(shè)備時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是使設(shè)備具備類似組織的機(jī)械特性，”該論文的第一作者亞豪·戴指出?！斑@樣，材料與組織直接接觸時(shí)可以共同變形，從而形成更緊密的生物界面?！?/p>

雖然研究主要聚焦于植入式醫(yī)療設(shè)備（如生物化學(xué)傳感器和起搏器）面臨的挑戰(zhàn)，但戴表示，該材料還具有許多潛在的非手術(shù)應(yīng)用，如更精準(zhǔn)的皮膚檢測(cè)和優(yōu)化傷口護(hù)理。

“這種材料具備非常柔軟的機(jī)械性能，并且擁有與活體組織相似的水合作用?！?芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院助理教授王思紅（Sihong Wang）說道，其實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)了該項(xiàng)研究?！八z的多孔結(jié)構(gòu)也有助于營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)物質(zhì)的高效傳輸，這些特性使水凝膠成為組織工程和藥物輸送中的理想材料?！?/p>

重新思考的視角

傳統(tǒng)的水凝膠制備方法通常是將材料溶解在水中，并添加凝膠化學(xué)物質(zhì)使其形成凝膠結(jié)構(gòu)。有些材料能夠直接溶解于水，而其他則需要經(jīng)過化學(xué)調(diào)整才能適應(yīng)這一過程。但其基本原理一致：沒有水就無法形成水凝膠。

然而，半導(dǎo)體材料通常不易溶于水。與其通過復(fù)雜方法強(qiáng)行改變半導(dǎo)體材料的屬性，芝加哥大學(xué)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，采用一種溶劑交換工藝重新審視這一問題。

“我們開始轉(zhuǎn)換思路，考慮通過溶劑交換來實(shí)現(xiàn)這一過程?！贝鹘忉尩?。

團(tuán)隊(duì)沒有試圖將半導(dǎo)體溶解在水中，而是選擇了一種可與水混溶的有機(jī)溶劑。通過這種方法，他們成功將溶解的半導(dǎo)體和水凝膠前體制備成凝膠。該方法不僅適用于多種不同功能的聚合物半導(dǎo)體，還具有廣泛的適用性。

“一加一大于二”

該團(tuán)隊(duì)已為這種水凝膠半導(dǎo)體材料申請(qǐng)專利，并通過芝加哥大學(xué)的Polsky創(chuàng)業(yè)與創(chuàng)新中心推動(dòng)其商業(yè)化。該材料并非將半導(dǎo)體和水凝膠簡(jiǎn)單復(fù)合，而是一個(gè)同時(shí)具有半導(dǎo)體和水凝膠特性的整體材料。

“這種材料既具備半導(dǎo)體功能，也擁有水凝膠的特性，整體結(jié)構(gòu)類似于其他水凝膠材料?！蓖跛技t表示。

不過，與其他水凝膠不同的是，這種新材料在兩個(gè)方面顯著提升了生物功能，使得其效果超越了傳統(tǒng)水凝膠或半導(dǎo)體材料。

首先，材料的柔軟性與組織直接結(jié)合，減少了植入醫(yī)療設(shè)備時(shí)通常產(chǎn)生的免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)。

其次，由于水凝膠結(jié)構(gòu)具有高度多孔性，該材料增強(qiáng)了生物傳感和光調(diào)制響應(yīng)。生物分子可以擴(kuò)散進(jìn)入薄膜與材料相互作用，從而增加了生物標(biāo)志物檢測(cè)的相互作用位點(diǎn)，顯著提升了靈敏度。此外，由于分子傳輸效率的提高，該材料在組織表面進(jìn)行光療治療時(shí)的響應(yīng)更為迅速。此項(xiàng)特性為光控起搏器或可加熱促進(jìn)愈合的傷口敷料提供了更優(yōu)的治療效果。

“這就是所謂的‘一加一大于二’的效果?！蓖跣Φ?。