生物电子学的突破：科学家成功研发柔性半导体材料
芝加哥大学的科学家们开发出一种新型凝胶材料，既具备传输信息的半导体功能，又能在活体组织和机器之间构建稳固连接。这一创新为生物电子学领域开辟了广阔前景，或将推动起搏器和其他植入式设备的发展。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究表明，这种新材料或可用于改进脑机接口、生物传感器和心脏起搏器等设备。理想的生物电子接口材料应当柔软、可拉伸，并与人体组织一样具有亲水性，因此水凝胶被认为是最佳候选材料。然而，用于制造生物电子设备的核心材料——半导体——传统上却表现出刚硬、易碎且疏水的特性。
在《科学》期刊上发表的芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究论文解决了这一长期以来困扰研究人员的难题。研究成果是一种呈蓝色的凝胶材料，在水中如海蜇般轻盈飘动，但保留了传递信息所需的半导体功能。这种材料即是半导体，又是水凝胶，完全满足理想生物电子接口的要求。
“在制造植入式生物电子设备时，一个关键挑战是使设备具备类似组织的机械特性，”该论文的第一作者亚豪·戴指出。“这样，材料与组织直接接触时可以共同变形，从而形成更紧密的生物界面。”
虽然研究主要聚焦于植入式医疗设备（如生物化学传感器和起搏器）面临的挑战，但戴表示，该材料还具有许多潜在的非手术应用，如更精准的皮肤检测和优化伤口护理。
“这种材料具备非常柔软的机械性能，并且拥有与活体组织相似的水合作用。” 芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授王思红（Sihong Wang）说道，其实验室主导了该项研究。“水凝胶的多孔结构也有助于营养和化学物质的高效传输，这些特性使水凝胶成为组织工程和药物输送中的理想材料。”
重新思考的视角
传统的水凝胶制备方法通常是将材料溶解在水中，并添加凝胶化学物质使其形成凝胶结构。有些材料能够直接溶解于水，而其他则需要经过化学调整才能适应这一过程。但其基本原理一致：没有水就无法形成水凝胶。
然而，半导体材料通常不易溶于水。与其通过复杂方法强行改变半导体材料的属性，芝加哥大学团队另辟蹊径，采用一种溶剂交换工艺重新审视这一问题。
“我们开始转换思路，考虑通过溶剂交换来实现这一过程。”戴解释道。
团队没有试图将半导体溶解在水中，而是选择了一种可与水混溶的有机溶剂。通过这种方法，他们成功将溶解的半导体和水凝胶前体制备成凝胶。该方法不仅适用于多种不同功能的聚合物半导体，还具有广泛的适用性。
“一加一大于二”
该团队已为这种水凝胶半导体材料申请专利，并通过芝加哥大学的Polsky创业与创新中心推动其商业化。该材料并非将半导体和水凝胶简单复合，而是一个同时具有半导体和水凝胶特性的整体材料。
“这种材料既具备半导体功能，也拥有水凝胶的特性，整体结构类似于其他水凝胶材料。”王思红表示。
不过，与其他水凝胶不同的是，这种新材料在两个方面显著提升了生物功能，使得其效果超越了传统水凝胶或半导体材料。
首先，材料的柔软性与组织直接结合，减少了植入医疗设备时通常产生的免疫反应和炎症反应。
其次，由于水凝胶结构具有高度多孔性，该材料增强了生物传感和光调制响应。生物分子可以扩散进入薄膜与材料相互作用，从而增加了生物标志物检测的相互作用位点，显著提升了灵敏度。此外，由于分子传输效率的提高，该材料在组织表面进行光疗治疗时的响应更为迅速。此项特性为光控起搏器或可加热促进愈合的伤口敷料提供了更优的治疗效果。
“这就是所谓的‘一加一大于二’的效果。”王笑道。
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