水凝膠半導(dǎo)體材料問(wèn)世 可作為理想生物電子界面

科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

在最新一期《科學(xué)》上，美國(guó)芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院團(tuán)隊(duì)展示了界面生物電子學(xué)領(lǐng)域的新突破：他們創(chuàng)造出具有強(qiáng)大半導(dǎo)體功能的新型水凝膠材料。這種新型藍(lán)色凝膠能夠在水中像海蜇一樣浮動(dòng)，同時(shí)還具有出色的半導(dǎo)體功能，可實(shí)現(xiàn)生物組織與機(jī)器之間的信息傳輸。

芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院研究人員開(kāi)發(fā)出了一種水凝膠，具有在活體組織和機(jī)器之間傳輸信息所需的半導(dǎo)體能力，既可用于植入式醫(yī)療設(shè)備，也可用于非手術(shù)應(yīng)用。圖片來(lái)源：芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院

理想的用于連接電子組件和活體組織的材料應(yīng)當(dāng)是柔軟、可拉伸且親水的，類(lèi)似于水凝膠。而半導(dǎo)體材料通常比較硬、脆且不親水，無(wú)法像水凝膠那樣在水中溶解。如果將半導(dǎo)體用于起搏器、生物傳感器及藥物遞送裝置等生物電子器件，這些缺點(diǎn)構(gòu)成巨大障礙。

此次新材料展現(xiàn)出了高達(dá)81千帕的組織級(jí)模量、最大可達(dá)150%的拉伸性和高達(dá)1.4平方厘米/伏秒的載流子遷移率。這表明，這種既具有半導(dǎo)體特性，又具備水凝膠屬性的材料，滿足了作為理想生物電子界面的所有要求。

由于可植入生物電子設(shè)備與組織直接接觸，所以要能隨組織一同變形，從而形成高度緊密的生物界面。

傳統(tǒng)的水凝膠制備方法是將某種材料溶解于水中，再加入使溶液變?yōu)槟z狀態(tài)。然而半導(dǎo)體材料通常都不溶于水。為此，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種溶劑交換工藝。不是將半導(dǎo)體溶解在水中，而是將其溶解在與水混溶的有機(jī)溶劑里。接著，他們利用溶解的半導(dǎo)體和水凝膠前體來(lái)進(jìn)行制備。

最初的產(chǎn)物是一種有機(jī)凝膠，團(tuán)隊(duì)再將整個(gè)材料體系浸泡在水中，使有機(jī)溶劑溶解并允許水滲入其中。最終得到的材料可以廣泛應(yīng)用于多種具有不同功能的聚合物半導(dǎo)體。

值得注意的是，與傳統(tǒng)的水凝膠相比，這種新材料不僅改善了生物功能，還在多個(gè)方面表現(xiàn)出了超越單純水凝膠或半導(dǎo)體材料的能力，實(shí)現(xiàn)了更好的綜合效果。

這一研究目前主要將解決生化傳感器和心臟起搏器等植入式醫(yī)療設(shè)備所面臨的挑戰(zhàn)，但其還有許多潛在的非侵入性應(yīng)用，譬如更精確地讀取皮膚數(shù)據(jù)、改善傷口護(hù)理等。該材料具有極其柔軟的機(jī)械性能與高含水量，這些都與活體組織相似。同時(shí)，它還具有多孔性，這意味著還可以運(yùn)輸各種營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)物質(zhì)。而當(dāng)所有這些特性相結(jié)合，新型水凝膠就會(huì)成為組織工程和藥物遞送中最有用的材料之一。

總編輯圈點(diǎn)：

這一研究目前主要將解決生化傳感器和心臟起搏器等植入式醫(yī)療設(shè)備所面臨的挑戰(zhàn)，但其還有許多潛在的非侵入性應(yīng)用，譬如更精確地讀取皮膚數(shù)據(jù)、改善傷口護(hù)理等。該材料具有極其柔軟的機(jī)械性能與高含水量，這些都與活體組織相似。同時(shí)，它還具有多孔性，這意味著還可以運(yùn)輸各種營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)物質(zhì)。而當(dāng)所有這些特性相結(jié)合，新型水凝膠就會(huì)成為組織工程和藥物遞送中最有用的材料之一。