生物電子學的突破：科學家成功研發柔性半導體材料

芝加哥大學的科學家們開發出一種新型凝膠材料，既具備傳輸信息的半導體功能，又能在活體組織和機器之間構建穩固連接。這一創新為生物電子學領域開辟了廣闊前景，或將推動起搏器和其他植入式設備的發展。

芝加哥大學普利茲克分子工程學院的研究表明，這種新材料或可用于改進腦機接口、生物傳感器和心臟起搏器等設備。理想的生物電子接口材料應當柔軟、可拉伸，并與人體組織一樣具有親水性，因此水凝膠被認為是最佳候選材料。然而，用于制造生物電子設備的核心材料——半導體——傳統上卻表現出剛硬、易碎且疏水的特性。

在《科學》期刊上發表的芝加哥大學普利茲克分子工程學院的研究論文解決了這一長期以來困擾研究人員的難題。研究成果是一種呈藍色的凝膠材料，在水中如海蜇般輕盈飄動，但保留了傳遞信息所需的半導體功能。這種材料即是半導體，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備時，一個關鍵挑戰是使設備具備類似組織的機械特性，”該論文的第一作者亞豪·戴指出。“這樣，材料與組織直接接觸時可以共同變形，從而形成更緊密的生物界面。”

雖然研究主要聚焦于植入式醫療設備（如生物化學傳感器和起搏器）面臨的挑戰，但戴表示，該材料還具有許多潛在的非手術應用，如更精準的皮膚檢測和優化傷口護理。

“這種材料具備非常柔軟的機械性能，并且擁有與活體組織相似的水合作用。” 芝加哥大學普利茲克分子工程學院助理教授王思紅（Sihong Wang）說道，其實驗室主導了該項研究。“水凝膠的多孔結構也有助于營養和化學物質的高效傳輸，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。”

重新思考的視角

傳統的水凝膠制備方法通常是將材料溶解在水中，并添加凝膠化學物質使其形成凝膠結構。有些材料能夠直接溶解于水，而其他則需要經過化學調整才能適應這一過程。但其基本原理一致：沒有水就無法形成水凝膠。

然而，半導體材料通常不易溶于水。與其通過復雜方法強行改變半導體材料的屬性，芝加哥大學團隊另辟蹊徑，采用一種溶劑交換工藝重新審視這一問題。

“我們開始轉換思路，考慮通過溶劑交換來實現這一過程。”戴解釋道。

團隊沒有試圖將半導體溶解在水中，而是選擇了一種可與水混溶的有機溶劑。通過這種方法，他們成功將溶解的半導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體，還具有廣泛的適用性。

“一加一大于二”

該團隊已為這種水凝膠半導體材料申請專利，并通過芝加哥大學的Polsky創業與創新中心推動其商業化。該材料并非將半導體和水凝膠簡單復合，而是一個同時具有半導體和水凝膠特性的整體材料。

“這種材料既具備半導體功能，也擁有水凝膠的特性，整體結構類似于其他水凝膠材料。”王思紅表示。

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

首先，材料的柔軟性與組織直接結合，減少了植入醫療設備時通常產生的免疫反應和炎癥反應。

其次，由于水凝膠結構具有高度多孔性，該材料增強了生物傳感和光調制響應。生物分子可以擴散進入薄膜與材料相互作用，從而增加了生物標志物檢測的相互作用位點，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行光療治療時的響應更為迅速。此項特性為光控起搏器或可加熱促進愈合的傷口敷料提供了更優的治療效果。

“這就是所謂的‘一加一大于二’的效果。”王笑道。