你能想象，以后監(jiān)測身體信息不需要龐大的儀器和復(fù)雜的操作，只需要一個小小的貼片便能進行測試？目前，將具有生物相容性的電子設(shè)備與活生物組織相結(jié)合，正在成為實現(xiàn)生物信號實時測量的一種有希望的途徑。 對于生物界面?zhèn)鞲校?a target="_blank">半導(dǎo)體聚合物的有機電化學晶體管（OECT）是更有效的選擇之一。然而，實現(xiàn)傳感器之間穩(wěn)定的接口、傳感器與皮膚之間良好的粘附性都是有待突破的問題。

近日，來自芝加哥大學的王思泓教授及其團隊設(shè)計研發(fā)了一種有生物粘性的聚合物半導(dǎo)體（BASC）薄膜，該薄膜可以在較小的壓力下快速且牢固地與生物組織進行粘附，同時提供高電荷載流子遷移率。除此之外，該薄膜還具有高拉伸性和良好的生物相容性。相關(guān)研究成果以“Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces”為題目發(fā)表在權(quán)威期刊Science上。第一作者為Li Nan。

刷狀結(jié)構(gòu)，“刷”住生物組織

OECT的傳感功能是通過將其半導(dǎo)體通道直接附著在組織表面來實現(xiàn)，這樣生物電勢或靶向生化信號就可以靜電調(diào)節(jié)晶體管溝道的整體電導(dǎo)率。 實際上，這種生物信號傳感本質(zhì)上是由晶體管的半導(dǎo)體溝道與組織表面之間的微觀距離決定，因此無論是傳統(tǒng)的針線縫合還是使用膠水的界面粘附都無法達到最小的并且穩(wěn)定的界面微觀距離。

因此，更加理想的接口是將半導(dǎo)體溝道直接粘附到組織表面！ 基于上述問題，研究人員設(shè)計了一種刷狀結(jié)構(gòu)的有生物粘性的聚合物（BAP），用于與半導(dǎo)體聚合物形成雙網(wǎng)絡(luò)薄膜。該聚合物具有聚乙烯骨架和長線性側(cè)鏈，看起來像一柄長滿刷毛的刷子，這些“刷毛”則是兩種比例可控的功能單元——羧酸（COOH）和n-羥基琥珀酰亞胺（NHS）酯。

其中，COOH基團為暫時干燥組織表面提供吸水性，并與組織表面形成靜電相互作用；NHS酯基團則作為生物粘附的主要貢獻者，與組織表面的伯胺基團共價結(jié)合。 這些功能基團已經(jīng)解決了，那如何使它們有效地暴露在表面發(fā)揮作用呢？ 研究人員巧妙地在側(cè)鏈中插入三縮四乙二醇（TEG）結(jié)構(gòu)來延長側(cè)鏈長度。

該結(jié)構(gòu)極性適中，可以提供適當?shù)呐蛎浰剑瑤椭战M織表面的液體，從而實現(xiàn)半導(dǎo)體表面和組織的直接接觸。 半導(dǎo)體相則是一種氧化還原活性聚合物半導(dǎo)體——p(g2T-T)。為制備雙網(wǎng)絡(luò)膜，研究人員將p(g2T-T)與兩種類型的丙烯酸酯單體（分別為COOH端和NHS酯端）按控制比例在氯仿中混合。之后采用旋涂的方法形成薄膜，并用紫外線（UV）光進一步聚合和交聯(lián)薄膜中的生物粘合劑單體。

圖1 用于基于電化學晶體管的組織接口的有生物粘性的聚合物半導(dǎo)體

優(yōu)良的性能

（1）吸水率、形貌和附著力

研究人員表明，當BASC與皮膚接觸時，具有刷狀結(jié)構(gòu)的BAP相開始吸收和去除組織水分。為證明這一點，該團隊首先研究了BAP的吸水和膨脹行為。 研究結(jié)果表明，親水性較強的COOH基團與親水性較差的NHS酯基團1:1共混，使得BAP具有中等程度的吸水和膨脹，介于僅具有COOH或NHS酯端側(cè)鏈的兩種刷狀聚合物（分別為BAP-COOH和BAP-NHS）的水平之間，有利于BASC薄膜電性能的穩(wěn)定性。

除吸水性外，粘附力也是BASC使用性能中極其關(guān)鍵的一點。X射線光電子能譜（XPS）分析結(jié)果表明，在厚度方向上，BAP的含量比例從頂部到底部表面不斷增加，確保NHS酯基具有足夠的表面密度，從而獲得高粘合性能。BAP在BASC膜中的優(yōu)勢含量使得BASC膜具有與BAP相似的力學性能，這些類組織的機械性能對于實現(xiàn)與組織表面的充分物理接觸并進一步形成粘附至關(guān)重要。

力學測試結(jié)果表明，BASC膜比p(g2T-T)膜表現(xiàn)出更強更堅韌的附著力，界面韌性增加了40倍以上。其中，BAP中NHS酯的含量越高，附著力越強。

研究人員表征了BASC薄膜在濕組織表面的粘附性能。將薄膜粘附至豬肌肉表面并進行力學測試，其中BASC膜的界面韌性為24 J/m2，剪切強度為7 kPa，拉伸強度為4.4 kPa，是純p(g2T-T)膜的界面韌性的10倍左右。此外，BASC薄膜可以應(yīng)用于各種被組織液覆蓋的器官組織，包括心臟、皮膚和脾臟，具有高界面韌性、高剪切強度和高拉伸強度。



圖2 BASC薄膜的相關(guān)性能

（2）電學性能

作為半導(dǎo)體材料，BASC薄膜的電學性能在OECT器件中得到表征。OECT的傳輸曲線的開/關(guān)比為10?，這表明BASC薄膜具有理想的半導(dǎo)體性能。根據(jù)跨導(dǎo)（gm）計算，得到的BASC膜的載流子遷移率接近1 cm2/V/s，該數(shù)值與純p(g2T-T)膜相當。

此外，界面阻抗與記錄與組織表面之間的分離距離是影響記錄信號幅度的另外兩個重要界面因素。對于界面阻抗，電化學阻抗譜（EIS）測量結(jié)果表明，雙網(wǎng)絡(luò)BASC設(shè)計比在界面上使用單獨的粘合劑具有更低的阻抗和更有效的信號傳輸。

圖3 BASC薄膜的電學和結(jié)構(gòu)特征

（3）耐磨性、拉伸性和生物相容性

當聚合物半導(dǎo)體與生物組織接觸時，其耐磨性、可拉伸性和生物相容性，對界面和功能的堅固性和長期穩(wěn)定性很重要。研究人員使用一塊聚四氟乙烯（PTFE）覆蓋的玻璃在1 kPa的壓力下在BASC薄膜上來回滑動。 在這種表面滑動1000次后，光學顯微鏡下觀察到BASC膜的外觀和OECT裝置中的電學性能基本保持完整。

為了更好地模擬器械植入過程中的磨損，研究人員使用豬皮進行了比較，得出了類似的趨勢。 此外，BASC膜具有良好的拉伸性能，研究人員從光學顯微鏡和AFM圖像中觀察到該薄膜可以拉伸到100%應(yīng)變而不會形成任何裂紋。 該薄膜除具有良好的機械性能外，生物相容性也非常優(yōu)異。

眾所周知，當設(shè)備與組織連接時，異物響應(yīng)（FBR）是限制壽命的主要因素之一，這受植入物的力學模量和表面化學成分的影響。 因此，研究人員通過在SEBS底物的兩側(cè)覆膜，并將其植入小鼠皮下進行研究。研究結(jié)果表明，BASC膜比SEBS具有更好的生物相容性，這進一步提高了通過可植入裝置直接與生物組織接觸的希望。此外，體外細胞培養(yǎng)證實了該膜的最小細胞毒性。



圖4 BASC薄膜的耐磨性、拉伸性和生物相容性

研究人員制造了一個基于OECT的傳感器，使用BASC薄膜作為半導(dǎo)體通道和氧化還原活性柵極，其周圍區(qū)域覆蓋BAP薄膜。其與使用微裂紋為基礎(chǔ)的可拉伸金作為電極和薄SEBS層作為互連和電極底部的封裝。制備的這種可生物粘合并且可拉伸的OECT在潮濕的豬的肌肉表面具有強的附著力，并且在0%應(yīng)變和拉伸到50%應(yīng)變時表現(xiàn)出理想的晶體管電學行為。

之后，研究人員在離體大鼠心臟的心外膜心電圖（ECG）記錄上進一步證明了OECT傳感器的生物粘附特性的好處。通過輕輕按壓20秒，生物粘附OECT可以方便地粘附在潮濕的心臟表面。在記錄過程中，生物膠粘劑和可拉伸性共同作用，幫助OECT很好地適應(yīng)心臟跳動，從而保持心臟在空間上的穩(wěn)定和舒適接觸。

此外，研究人員還在活體大鼠腓腸肌內(nèi)側(cè)肌（GM）的皮下肌電圖（EMG）記錄上展示了可生物粘合的OECT的體內(nèi)使用。在坐骨神經(jīng)電刺激觸發(fā)腿部運動的過程中，每次刺激對應(yīng)的肌電圖信號都可以穩(wěn)定地記錄下來，而不受機械擾動（如牽拉）的影響，這與無生物粘性的OECT形成鮮明對比。

圖5 可生物粘合的OECT傳感器和用于體外和體內(nèi)電生理記錄

這一研究成果標志著電子器件和生物體結(jié)合的又一重要進展，也為生物電子材料的研究提供了新的方向。通過這一技術(shù)領(lǐng)域未來的發(fā)展，或許在將來的某一天，這種傳感器，結(jié)合人工智能，甚至可以實現(xiàn)電子和人腦的信息傳遞，缸中之腦或許成為現(xiàn)實。你覺得什么時候可以實現(xiàn)呢？

審核編輯：劉清