将电子设备与活体组织连接起来的理想材料是柔软的、可拉伸的，就像组织本身一样亲水——简而言之，水凝胶。另一方面，作为起搏器、生物传感器和药物输送装置等生物电子产品的关键材料，半导体是刚性的、易碎的、憎水的，不可能像传统的水凝胶那样溶解。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）今天发表在《科学》杂志上的一篇论文解决了这个长期困扰研究人员的挑战，重新构想了创造水凝胶的过程，以水凝胶的形式构建强大的半导体。在助理教授王思宏的研究小组的领导下，研究结果是一种蓝色的凝胶，它像水母一样在水中飘动，但保留了在活组织和机器之间传输信息所需的巨大半导体能力。
该材料的组织级模量为81 kPa，拉伸率为150%，载流子迁移率高达1.4 cm2 V-1 s-1。这意味着他们的材料——同时是半导体和水凝胶——符合理想生物电子界面的所有条件。
“当制造植入式生物电子设备时，你必须解决的一个挑战是制造一个具有组织样机械性能的设备，”这篇新论文的第一作者戴亚豪说。“这样，当它直接与组织接触时，它们可以一起变形，形成一个非常亲密的生物界面。”
虽然这篇论文主要关注植入式医疗设备所面临的挑战，如生化传感器和起搏器，戴说这种材料也有许多潜在的非手术应用，比如更好的皮肤读数或改善伤口护理。
“它具有非常柔软的机械性能和与活体组织相似的高度水化，”芝加哥大学PME助理教授王思宏说。“水凝胶也非常多孔，所以它允许不同种类的营养和化学物质的有效扩散运输。所有这些特性结合在一起，使水凝胶可能成为组织工程和药物输送中最有用的材料。”
“让我们改变我们的视角吧”
制造水凝胶的典型方法是将一种材料溶解在水中，然后加入凝胶化学物质使这种新液体膨胀成凝胶状。有些材料可以直接溶于水，有些则需要研究人员对过程进行修修补补和化学修饰，但核心机制是相同的：没有水，就没有水凝胶。
然而，半导体通常不溶于水。芝加哥大学PME团队没有寻找新的、耗时的方法来推动这一过程，而是重新审视了这个问题。
戴说：“我们开始思考，‘好吧，让我们改变我们的观点，’然后我们想出了一个溶剂交换过程。”
他们没有将半导体溶解在水中，而是将它们溶解在一种与水相混的有机溶剂中。然后他们用溶解的半导体和水凝胶前体制备了一种凝胶。他们的凝胶最初是一种有机凝胶，不是水凝胶。
戴说：“为了最终把它变成水凝胶，我们把整个材料系统浸入水中，让有机溶剂溶解出来，让水进来。”
这种基于溶剂交换的方法的一个重要优点是它广泛适用于具有不同功能的不同类型的聚合物半导体。
“一加一大于二”
该团队已经获得了水凝胶半导体的专利，并正在通过芝加哥大学的波尔斯基创业与创新中心进行商业化，它并不是将半导体与水凝胶结合在一起。它是一种同时是半导体和水凝胶的材料。
王说：“这只是一块同时具有半导体特性和水凝胶设计的材料，这意味着整个材料就像任何其他的水凝胶一样。”
然而，与其他任何水凝胶不同的是，这种新材料实际上在两个方面改善了生物功能，比水凝胶或半导体本身所能实现的效果更好。
首先，将非常柔软的材料直接与组织结合，可以减少医疗设备植入时通常引发的免疫反应和炎症。
其次，由于水凝胶是如此多孔，新材料可以提高生物传感响应和更强的光调制效应。随着生物分子能够扩散到膜中进行体积相互作用，生物标志物被检测的相互作用位点显著增加，从而提高了灵敏度。除了传感外，组织表面对光的治疗功能的响应也因氧化还原活性物质的更有效运输而增加。这有利于光操作起搏器或伤口敷料等功能，这些功能可以更有效地通过轻弹加热来帮助加速愈合。
“这是一个‘一加一大于二’的组合，”王开玩笑说。
引文：“具有增强生物相互作用功能的软水凝胶半导体”，Dai等人，Science， 2024年10月24日。DOI: 10.1126 / science.adp9314
资助：这项工作得到了美国国立卫生研究院主任新创新者奖（1DP2EB034563）和美国海军研究办公室（N00014-21-1-2266）的支持。这项工作得到了芝加哥大学启动基金的部分支持。
