王思泓，Science！
学研汇 技术中心
2023-08-17
特别说明：本文由学研汇技术 中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。研究背景
将生物相容性电子设备与活体生物组织集成可以实现生物研究和健康监测中高时空分辨率的生物信号实时测量。生物电子设备开发的首要目标是在传感表面和组织之间实现舒适且稳定的接口。这需要设备具有柔软和可拉伸的特性，以适应曲线组织表面，并结合电传感表面和组织之间的稳定粘合。目前，可拉伸生物电子材料和器件的开发已取得一定进展。
关键问题
1、目前成功开发的生物电子设备只具有中等灵敏度的被动传感对于需要电子材料对湿组织表面具有粘附性的界面结合，成功的例子仅限于导体，只能用于具有中等灵敏度的被动传感。基于晶体管的有源传感器件具有高放大、低工作电压、与离子基生物传感器的内在兼容性等优点，但需要与生物组织直接连接以进行有效信号转导的半导体不能很好地与湿组织粘附，从而限制了界面处的稳定性和适形性。
新思路
有鉴于此，美国芝加哥大学王思泓教授等人报告了一种生物粘附聚合物半导体，通过由生物粘附刷聚合物和氧化还原活性半导体聚合物形成的双网络结构。所得的半导体薄膜可以与湿组织表面形成快速而强的粘附力，并且具有约1平方厘米每伏特每秒的高载流子迁移率、高拉伸性和良好的生物相容性。进一步制造完全生物粘附晶体管传感器实现了在离体大鼠心脏和体内大鼠肌肉上产生高质量且稳定的电生理记录。作者设计了一种刷式结构的生物粘附聚合物，用于与半导体聚合物形成双网络薄膜。所获得的生物粘附半导体实现了完全生物粘附和可拉伸的OECT传感器制造，并具有稳定粘合和内置信号放大的组织界面传感。通过实验表明BAP具有中等吸水率、互连的纳米纤丝结构、更强、更强的附着力，界面韧性提高了40倍以上，可应用于各种湿组织。在OECT 器件中表征了BASC薄膜的电性能，表明BASC薄膜具有理想的半导体性能，高载流子迁移率、高响应速率以及更低的阻抗。4、证实了BASC薄膜的耐磨性、拉伸性和生物相容性作者通过实验证实了BASC薄膜具有高耐磨性、高拉伸性和生物相容性，提升了通过可植入设备直接与生物组织连接的前景。5、开发了用于离体和体内电生理记录的全生物粘附OECT传感器作者设计并制造了一种基于OECT的传感器，并展示了该传感器在离体大鼠心脏心外膜心电图(ECG)记录、活体大鼠腓肠肌内侧（GM）肌肉的皮下肌电图（EMG）记录中的应用。作者提出了生物粘附聚合物半导体（BASC）薄膜的设计，该薄膜可以在温和的压力下与生物组织形成牢固而快速的粘附，同时提供高载流子迁移率。作者进一步制造完全生物粘附晶体管传感器实现了在离体大鼠心脏和体内大鼠肌肉上产生高质量且稳定的电生理记录作者设计了一种刷式结构的生物粘附聚合物（BAP），用于与半导体聚合物形成双网络薄膜。这种生物粘附聚合物具有聚乙烯主链，具有长线性侧链，并以受控比例封端有两种类型的功能单元：羧酸(COOH)和 N-羟基琥珀酰亚胺 (NHS) 酯。为了在与半导体聚合物混合时使这些基团有效地暴露在薄膜表面上，一个关键创新是通过插入四乙二醇（TEG）结构来延长侧链长度。通过原位聚合过程不仅解决了共溶性问题，而且还控制了相分离规模。所获得的生物粘附半导体进一步实现了完全生物粘附和可拉伸的OECT传感器制造，并实现具有稳定粘合和内置信号放大的组织界面传感。
图 用于基于电化学晶体管的组织界面的生物粘附聚合物半导体为了验证当BASC 与组织表面接触时，刷型BA 相开始吸收并去除组织表面的水分，首先研究了齐刷BAP的吸水和膨胀行为。结果表明BAP的中等吸水率有利于BASC 薄膜电性能的稳定性。原子力显微镜表明当BAP与p(g2T-T) 通过旋涂工艺混合形成BASC薄膜时，p(g2T-T)相自组装成互连的纳米纤丝结构。接下来，粘附行为研究表明BASC薄膜比纯p(g2T-T)薄膜表现出更强、更强的附着力，界面韧性提高了40倍以上。BASC薄膜还可以应用于各种湿组织，包括心脏、皮肤和脾脏，具有高界面韧性、高剪切强度和高拉伸强度。
作者在OECT 器件中表征了BASC薄膜的电性能。开/关比为104的OECT 、传输曲线表明BASC薄膜具有理想的半导体性能，载流子迁移率接近1 cm2V−1s-1。对半导体薄膜的OECT响应速度的测量表明，与纯p(g2T-T)薄膜相比，较高厚度的BASC薄膜不会导致对选通的响应变慢，因为离子可以在混合 BAP 中非常有效地传输。薄膜中p(g2T-T)相的链间堆积形态结果表明，与刷状结构的 BAP共混几乎完全抑制了长程结晶，从而降低了 p(g2T-T) 相的模量。双网络 BASC 设计比在界面处应用单独的粘合剂具有更低的阻抗。
接着，作者研究了BASC薄膜的耐磨性、拉伸性和生物相容性。结果表明BASC薄膜经过1000次表面滑动循环后，在光学显微镜下的外观和OECT装置中的电气性能基本保持完整。BASC薄膜也具有高拉伸性，这有利于曲线组织表面的顺应性和组织变形下的稳定性。BASC 薄膜可以拉伸至100%应变而不会形成任何裂纹。此外，BASC 薄膜比 SEBS 具有更好的生物相容性，这进一步提升了通过可植入设备直接与生物组织连接的前景。体外细胞培养证实了薄膜的最小细胞毒性。
用于离体和体内电生理记录的全生物粘附OECT传感器作者设计并制造了一种基于OECT的传感器，使用 BASC 薄膜作为半导体通道和氧化还原活性栅极。证明了OECT传感器的生物粘附特性对离体大鼠心脏心外膜心电图(ECG)记录，通过按压，生物粘附OECT可以方便地粘附到湿润的心脏表面，并很好地适应心脏跳动，从而保持与心脏的空间稳定和舒适接触。即使在外部机械扰动（例如拉动）下，仍然保持稳定的附着。作者还在活体大鼠腓肠肌内侧（GM）肌肉的皮下肌电图（EMG）记录中展示了生物粘附OECT的体内使用，OECT也可以通过轻轻按压形成稳定的粘附。在电刺激坐骨神经触发腿部运动的过程中，可以稳定记录每次刺激对应的肌电信号，而不受机械扰动（例如拉动）的影响。
图 全生物粘附 OECT 传感器及其用于体外和体内电生理记录的用途
展望
总之，作者通过由生物粘附刷聚合物和氧化还原活性半导体聚合物形成的双网络结构，实现了生物粘附聚合物半导体。展示了完全生物粘附晶体管传感器在离体大鼠心脏和体内大鼠肌肉上产生高质量且稳定的电生理记录，证实了该技术的可行性。NAN LI, et al. Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces. Science, 2023, 381(6658): 686-693DOI: 10.1126/science.adg8758https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8758
