将电子器件与活体组织连接起来的完美材料是柔软、可伸展的，而且与组织本身一样亲水，因此水凝胶是理想的选择。 与此相反，半导体是心脏起搏器、生物传感器和给药装置等生物电子器件的关键材料，具有刚性、脆性和疏水性，因此无法按照传统的水凝胶制造方式溶解。芝加哥大学的新型水凝胶半导体为生物电子学提供了一种突破性的解决方案，它将类似组织的特性与高电子功能融为一体，提高了医疗设备的集成度和有效性。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago Pritzker School of Molecular Engineering）助理教授王思宏（Sihong Wang）实验室的研究人员开发出一种水凝胶，它能保持在活体组织和机器之间传输信息所需的半导体能力，可用于植入式医疗设备和非手术应用。 图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/John Zich
芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家们在《科学》杂志上发表的一项新研究中，通过创新水凝胶的制造方法，以水凝胶形式制造出了一种功能强大的半导体，从而克服了这一长期存在的障碍。 在王思宏副教授研究小组的领导下，他们研制出了一种淡蓝色凝胶，这种凝胶能像水母一样在水中起伏，但仍能保持在活体组织和电子设备之间传输信息所需的巨大半导体能力。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授王思宏（右）和博士生戴亚浩（新论文的第一作者）与新开发的水凝胶半导体。 图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/John Zich
新材料的特性和应用
这种材料的组织级模量软至 81 kPa，拉伸应变为 150%，电荷载流子迁移率高达 1.4 cm2 V-1 s-1。 这意味着他们的材料--既是半导体又是水凝胶--满足了理想生物电子界面的所有要求。
新论文的第一作者戴亚浩说："在制造植入式生物电子设备时，你必须应对的一个挑战是制造一种具有类似组织机械特性的设备。这样，当它与组织直接对接时，它们就能一起变形，还能形成一个非常亲密的生物界面。"
芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago Pritzker School of Molecular Engineering）助理教授王思宏（Sihong Wang）实验室的研究人员开发出了一种水凝胶，它能保持在活体组织和机器之间传输信息所需的半导体能力，可用于植入式医疗设备和非手术应用。 图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/John Zich
虽然论文主要关注的是生化传感器和心脏起搏器等植入式医疗设备所面临的挑战，但戴亚浩说，这种材料也有许多潜在的非手术应用，比如更好地读取皮肤信息或改善伤口护理。
芝加哥大学 PME 助理教授王思宏说："水凝胶具有非常柔软的机械性能和很大程度的水合作用，类似于活组织。水凝胶还具有多孔性质，因此可以有效地扩散输送各种营养和化学物质。 所有这些特性使水凝胶成为组织工程和药物输送领域最有用的材料。"
创新的生产技术
制造水凝胶的典型方法是取一种材料，将其溶于水，然后加入凝胶化化学品，将新液体膨化成凝胶状。 有些材料只是简单地溶解于水，有些材料则需要研究人员在制作过程中进行化学修饰，但核心机制都是一样的：没有水，就没有水凝胶。
然而，半导体通常不会溶于水。 芝加哥大学的 PME 团队没有寻找新的、耗时的方法来强制这一过程，而是重新研究了这个问题。
"我们开始思考，'好吧，让我们换个角度'，于是我们想到了溶剂交换工艺。为了最终把它变成水凝胶，我们把整个材料系统浸入水中，让有机溶剂溶出，让水进入，"戴亚浩说。
他们没有将半导体溶解在水中，而是将其溶解在一种能与水混溶的有机溶剂中。 然后，他们用溶解的半导体和水凝胶前体制备凝胶。 他们的凝胶最初是一种有机凝胶，而不是水凝胶。
这种基于溶剂交换的方法的一个重要优点是，它可广泛适用于具有不同功能的不同类型的聚合物半导体。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院研究小组成员。 图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院/John Zich
结合半导体和水凝胶的优势
该团队已经申请了水凝胶半导体的专利，并通过芝加哥大学的波尔斯基创业与创新中心将其商业化。 它是一种既是半导体又是水凝胶的材料。
王说："这只是一块同时具有半导体特性和水凝胶设计的材料，也就是说，这一整块材料就像其他水凝胶一样。"
然而，与其他任何水凝胶不同的是，这种新材料实际上在两个方面改善了生物功能，创造了比水凝胶或半导体本身所能达到的更好效果。
首先，让非常柔软的材料直接与组织结合，可以减少植入医疗设备时通常会引发的免疫反应和炎症。
其次，由于水凝胶的多孔性，这种新材料可以提高生物传感反应和光调节效应。 由于生物分子能够扩散到薄膜中进行体积相互作用，被检测生物标志物的相互作用位点大大增加，从而提高了灵敏度。 除传感外，组织表面对治疗功能的光反应也因氧化还原活性物种的更有效传输而增加。 这对诸如光控心脏起搏器或伤口敷料等功能大有裨益。
编译自/ScitechDaily