水凝膠半導體材料問世 可作為理想生物電子界面

科技日報記者 張夢然

在最新一期《科學》上，美國芝加哥大學普利茲克分子工程學院團隊展示了界面生物電子學領域的新突破：他們創造出具有強大半導體功能的新型水凝膠材料。這種新型藍色凝膠能夠在水中像海蜇一樣浮動，同時還具有出色的半導體功能，可實現生物組織與機器之間的信息傳輸。

芝加哥大學普利茲克分子工程學院研究人員開發出了一種水凝膠，具有在活體組織和機器之間傳輸信息所需的半導體能力，既可用于植入式醫療設備，也可用于非手術應用。圖片來源：芝加哥大學普利茲克分子工程學院

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

此次新材料展現出了高達81千帕的組織級模量、最大可達150%的拉伸性和高達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，再加入使溶液變為凝膠狀態。然而半導體材料通常都不溶于水。為此，團隊開發了一種溶劑交換工藝。不是將半導體溶解在水中，而是將其溶解在與水混溶的有機溶劑里。接著，他們利用溶解的半導體和水凝膠前體來進行制備。

最初的產物是一種有機凝膠，團隊再將整個材料體系浸泡在水中，使有機溶劑溶解并允許水滲入其中。最終得到的材料可以廣泛應用于多種具有不同功能的聚合物半導體。

值得注意的是，與傳統的水凝膠相比，這種新材料不僅改善了生物功能，還在多個方面表現出了超越單純水凝膠或半導體材料的能力，實現了更好的綜合效果。

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療設備所面臨的挑戰，但其還有許多潛在的非侵入性應用，譬如更精確地讀取皮膚數據、改善傷口護理等。該材料具有極其柔軟的機械性能與高含水量，這些都與活體組織相似。同時，它還具有多孔性，這意味著還可以運輸各種營養和化學物質。而當所有這些特性相結合，新型水凝膠就會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：

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療設備所面臨的挑戰，但其還有許多潛在的非侵入性應用，譬如更精確地讀取皮膚數據、改善傷口護理等。該材料具有極其柔軟的機械性能與高含水量，這些都與活體組織相似。同時，它還具有多孔性，這意味著還可以運輸各種營養和化學物質。而當所有這些特性相結合，新型水凝膠就會成為組織工程和藥物遞送中最有用的材料之一。