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高性能水凝膠半導體成功制備！兼具高遷移率與高柔軟度，開啟生物信息傳輸新時代

文章來源：賢集網更新時間：2024-11-11 15:47:09

在當今科技飛速發展的時代，生物電子界面的研究正以前所未有的速度推進，為醫療健康、神經科學、人機交互等諸多領域帶來了革命性的變革。在此背景下，水凝膠半導體這一新型材料的出現，猶如一顆璀璨的新星，閃耀在生物電子學的天空，為相關領域的發展注入了新的活力。浙江大學本科校友戴雅浩及其團隊開發出一種新型水凝膠半導體，通過溶劑交換策略制備，既保持高遷移率又具備高度柔軟性，可用于生物電子器件等領域，解決半導體與生物體模量不匹配問題，提高生物相容性和應用性能。

一、水凝膠半導體的研究背景及研發歷程

水凝膠，作為一種能夠在水中溶脹并保持大量水分而不溶解的交聯聚合物網絡，因其良好的吸水性、保水性和生物相容性，早已在生物醫學領域奠定了廣泛的應用基礎。它就像是一位貼心的助手，在生物組織支撐、治療及通訊等方面展現出了巨大的潛力。

而半導體材料，在實現電子器件的諸多功能，如生理信號檢測、光熱/光電治療、光催化等方面，扮演著核心角色。然而，傳統半導體材料存在一些局限性，其楊氏模量一般在100MPa - 10GPa之間，與生物體軟組織的楊氏模量（往往小于100kPa）相比，高出了好幾個數量級。這種模量上的不匹配，會在器件的長期應用中導致嚴重的免疫反應，最終使得器件失效。

于是，將水凝膠與半導體材料相結合的設想應運而生，由此誕生了水凝膠半導體這一創新材料。

美國芝加哥大學普利茲克分子工程學院的研究團隊，以及浙江大學本科校友、美國芝加哥大學博士畢業生戴雅浩所在團隊等，都在水凝膠半導體的研發道路上付出了諸多努力，取得了顯著成果。

戴雅浩在其導師王思泓教授（長期從事生物電子器件研究）的指導下，致力于解決如何制備高性能水凝膠半導體這一難題。從建組以來，開發一種通用型方法用以高效地制備高性能水凝膠半導體，就成為了戴雅浩與其導師共同的心愿。

研究伊始，戴雅浩嘗試了多種方法。他先是提出基于高分子半導體在電化學摻雜時的溶脹效應來制備水凝膠，即給高分子半導體施加一個恒定的電壓使其溶脹，讓水凝膠單體能夠自由擴散到半導體內并聚合形成水凝膠。但由于高分子半導體非常有限的溶脹率，這個方法并未成功。

隨后，他又提出使用低沸點的溶劑作為媒介將高分子半導體分散在液態的水凝膠單體中，在除去低沸點溶劑之后聚合并溶脹水凝膠。然而，這個方法也因液態水凝膠單體的大量揮發而宣告失敗。

這些失敗讓戴雅浩意識到實現水凝膠單體和半導體的充分混合對制備水凝膠半導體至關重要，哪怕這一步驟不在水中進行。在回憶起本科畢業設計時組里師兄們進行的有機凝膠研究后，他萌生了使用溶劑交換法的念頭。但一開始，這個方法也并未順利開展，他花費了大量時間來篩選合適的溶劑體系、材料組分和制備環境。

不過，功夫不負有心人，在經歷了重重困難后，戴雅浩終于迎來了轉機。他清楚地記得在第一次成功制備出水凝膠半導體的時候，由于還沒有辦法測試它的模量，他迫不及待地用手指貼到材料上去觀察皮膚和水凝膠的形變，當看到材料表現出了更明顯的形變時，他確信這次終于成功了。

此后，他和同事開始對水凝膠的電學性能和機械性能進行測試。其中，機械性能的測試頗具挑戰性，因為目前幾乎所有的機械測試手段都只適用于較厚（＞100μm）的樣品，而被用于電子器件的水凝膠半導體都是薄膜形式（＜5μm）。他們嘗試了幾乎所有主流的測試手段，并最終通過懸浮水凝膠薄膜在水里的方式，和合作者一起完成了水凝膠薄膜樣品的機械性能測試。之后，戴雅浩還嘗試了大量的形貌表征，最終找到了直接的證據來證明溶劑交換引導的自組裝過程。

與此同時，他還和同事共同完成了生物化學傳感測試、生物相容性測試、光熱/光電效應測試、以及水凝膠晶體管制造等，從而驗證了水凝膠半導體材料在實際應用中的諸多好處。

二、水凝膠半導體的獨特性能與創新點

水凝膠半導體材料具備諸多獨特的性能與創新之處。

從制備方法來看，戴雅浩所在團隊發展出一種基于溶劑交換的策略用以制備水凝膠半導體。具體而言，就是使用有機溶劑同時溶解高分子半導體和水凝膠單體，借此制備出一種有機凝膠，之后再將有機凝膠通過溶劑交換轉變為水凝膠。在溶劑交換的過程中，受到疏水作用的影響，高分子半導體會自發地在多孔水凝膠骨架中組裝成三維的半導體網絡。通過此方法，不僅能將一系列高分子半導體在不改變化學結構和能帶結構的前提下轉化成水凝膠，所得到的水凝膠半導體還表現出極低的楊氏模量（81kPa）以及較高的遷移率（最高可達1.4cm²V?¹s?¹）。

從結構設計上講，有的研究團隊通過構建互穿網絡形態，將帶有親水性側鏈的聚合物半導體與形成水凝膠的聚合物相結合，形成了獨特的水凝膠半導體結構。這種獨特的設計使得水凝膠半導體在實現模量降低兩個至三個數量級的同時，保持了相似的電荷遷移率，為高密度光電圖案化提供了可能。

與傳統的水凝膠或半導體材料相比，水凝膠半導體材料實現了更好的綜合效果。它不僅繼承了傳統水凝膠的優異生物特性，如高生物相容性、高孔隙率、高含水率等，還具備了半導體材料的導電與信號轉換能力，其高達81千帕的組織級模量、最大可達150%的拉伸性，以及高達1.4平方厘米/伏秒的載流子遷移率，使得該材料在生物電子學領域具有巨大的應用潛力。

三、水凝膠半導體的廣泛應用前景

水凝膠半導體材料在多個領域展現出了廣闊的應用前景。

生物醫學工程領域：

在生物醫學工程方面，這種新型材料可以作為植入式醫療設備的理想選擇。起搏器、生物傳感器和藥物遞送裝置等植入式設備需要與生物組織長時間接觸，因此材料的生物相容性和穩定性至關重要。水凝膠半導體材料不僅具有良好的生物相容性，還能與生物組織形成良好的界面，從而提高設備的穩定性和性能。

例如，通過將藥物封裝在水凝膠中，可以實現藥物的持續釋放和精準遞送，從而提高治療效果并減少副作用。而且，基于水凝膠的多孔性，可以運輸各種營養和化學物質，在組織工程方面也展現出巨大的潛力。

可穿戴技術和人機交互界面領域：

隨著智能穿戴設備的普及和發展，人們對設備的舒適度和生物相容性要求越來越高。水凝膠半導體材料可以作為智能穿戴設備的傳感器和電極材料，與人體皮膚形成良好的接觸，從而實現更加精準和舒適的數據采集和傳輸。

神經科學和再生醫學領域：

在神經科學領域，可以利用這種材料制作神經接口，實現大腦與電子設備的直接連接和通信；在再生醫學領域，可以利用這種材料制作人工組織和器官，為醫療領域帶來革命性的突破。

生物監測等其他領域：

水凝膠半導體材料還可用于非侵入性應用，如皮膚數據讀取和傷口護理等。其在生物電子學、組織工程及生物監測等領域具有潛在應用，特別是在傷口敷料、生物刺激及生物監測方面，展現了巨大的應用前景。

例如，基于水凝膠的多孔性，可以提高半導體上修生物受體的修飾密度，從而用于高靈敏度的生物化學監測。再如，基于水凝膠的高生物相容性和半導體的光熱轉換性能，可以制備與生物體更加相容的光熱治療貼片。又比如，基于半導體的開關效應調控水凝膠的擴散率，從而用于制備可控的藥物遞送體系等。

四、水凝膠半導體的發展展望

日前，相關論文以《具有增強生物交互功能的軟性水凝膠半導體》（Soft hydrogel semiconductors with augmented biointeractive functions）為題發表在Science上，戴雅浩是第一作者，美國芝加哥大學王思泓教授擔任通訊作者。目前，相關研究團隊正在推動水凝膠半導體的應用，探索潛在的體相修飾的方法以及基于此的新的生物傳感機理。

同時，他們也在嘗試利用水凝膠半導體的光熱和光電效應來開發用于傷口愈合和無線心臟起搏的新型器件。

然而，要實現水凝膠半導體材料的大規模應用，還面臨著一些挑戰。例如，為了實現材料的量產和商業化，需要進一步優化制備工藝，提高材料的產量和質量。此外，還需要開展長期穩定性和耐久性的研究，以確保該材料在實際應用中的可靠性和安全性。

但毋庸置疑的是，水凝膠半導體材料的問世為生物電子學領域帶來了新的機遇和挑戰。隨著研究的深入和技術的不斷發展，相信這種新型材料將在未來發揮更加重要的作用，為生物醫學工程、可穿戴技術和人機交互界面等領域帶來更加廣泛和深入的應用，推動相關領域向著更高水平發展，為人類的健康和生活帶來更多的福祉。

總之，水凝膠半導體作為一種創新的材料，融合了水凝膠和半導體的優勢，在性能、應用等方面都展現出了巨大的潛力。它的出現是生物電子學領域的一次重要突破，未來的發展值得我們拭目以待。

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