Science：用于親密生物界面的生物粘合劑聚合物半導體和晶體管

一、 【導讀】?

? ? ? ? ?將生物相容性電子設備與活體生物組織相結合，是實現生物信號實時測量的有前途途徑，對生物研究和健康監測具有重要意義。生物電子設備的關鍵目標是實現感測表面與組織之間的穩定符合性界面。這需要設備具備柔軟、可伸縮的特性，以適應組織的曲線表面，并實現電感測表面與組織的穩定結合。盡管在可伸縮生物電子材料和設備的發展方面取得了進展，但對于需要電子材料與濕潤組織表面結合的界面，成功僅限于導體，而這只能用于具有中等靈敏度的被動感測。

? ? ? ? ? 為了實現更高的靈敏度，基于晶體管的主動感測設備是更先進的選擇，可以提供內置放大功能。在生物界面感測領域，基于半導體聚合物的有機電化學晶體管（OECTs）是一種更有前途的選擇，具有高放大倍數、低操作電壓、與基于離子的生物事件的內在兼容性，以及實現組織類似可伸縮性的可能性。OECT的感測功能通過將其半導體通道直接連接到組織表面來實現，使生物電位或靶向生化信號可以靜電地調制通道的整體電導率。因為這種生物信號轉導本質上是由半導體通道與組織表面之間的微觀距離決定的，傳統的固定方法如縫合或裝訂邊緣，以及使用單獨粘合劑的方式，都不能提供最符合性和穩定性的半導體聚合物與組織表面之間的接觸。因此，更理想的界面是直接將半導體通道粘附到組織表面。這種技術在實現更高靈敏度的生物信號檢測方面具有潛力和前景。

二、【成果掠影】

? ? ? ? ?美國芝加哥大學普利茲克分子工程學院Sihong Wang團隊報道了一種生物粘附性聚合物半導體，通過生物粘附性刷狀聚合物和氧化還原活性的半導體聚合物形成的雙網絡結構。由此產生的半導體薄膜能夠與濕潤組織表面迅速而牢固地粘附，同時具有約每秒1平方厘米每伏特的高載流子遷移率、高可伸縮性和良好的生物相容性。進一步制備完全生物粘附的晶體管傳感器使研究者能夠在孤立的大鼠心臟和體內大鼠肌肉上產生高質量穩定的電生理記錄。相關成果以“Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces”為題發表在Science上。

?三、【核心創新點】

? ? ? ? ?本研究創新性地開發了一種雙網絡結構的生物粘附性聚合物半導體，實現了與濕潤組織表面的迅速強大粘附、高載流子遷移率、可伸縮性和生物相容性，并在生物領域實現了高質量穩定的電生理記錄。

四、【數據概覽】

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圖1. 用于基于電化學晶體管的組織界面的生物粘附性聚合物半導體。 ? 2023 AAAS

圖2. 生物粘附性聚合物半導體（BASC）薄膜的粘附相關性質。 ? 2023 AAAS

圖3. BASC薄膜的電學和結構表征。 ? 2023 AAAS

圖4. BASC薄膜的耐磨性、可伸縮性和生物相容性。? 2023 AAAS

圖5. 完全生物粘附的OECT傳感器及其在離體和體內電生理記錄中的應用。? 2023 AAAS

五、【成果啟示】

? ? ? ? ?總言之，本研究設計了一種BASC薄膜，能夠在輕壓下與生物組織迅速穩固地粘附，并具有高載流子遷移率。這是通過將半導體聚合物和獨立的組織粘附性聚合物形成的雙網絡結構實現的。與現有的組織粘附性材料和水凝膠不同，該BASC薄膜在實現生物粘附的同時保持了高電性能，克服了半導體聚合物側鏈長的限制，確保了表面生物粘附基團的可訪問性，同時還能與溶于有機溶劑的半導體聚合物共加工，實現了連續的電荷傳輸路徑和適度的水腫脹性。

原文詳情：Nan Li et al., Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces. Science 381,686-693(2023). DOI:10.1126/science.adg8758