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8月11日，美國(guó)芝加哥大學(xué)王思泓教授團(tuán)隊(duì)以“Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces”為題在Science報(bào)道了一種報(bào)生物粘附聚合物半導(dǎo)體，它通過由生物粘合刷聚合物和氧化還原活性半導(dǎo)體聚合物形成的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

所得半導(dǎo)體薄膜可以與濕組織表面形成快速而強(qiáng)的粘附，同時(shí)具有1平方厘米/伏每秒的高電荷載流子遷移率，高拉伸性和良好的生物相容性。

同時(shí)，美國(guó)麻省理工學(xué)院趙選賀教授以“Tissue adhesive semiconductors”發(fā)表了重要的評(píng)論性文章，指出生物粘附半導(dǎo)體是改善生物電子設(shè)備的信號(hào)靈敏度、空間分辨率和手術(shù)工作流程的有前途的途徑。除半導(dǎo)體外，開發(fā)具有定制化學(xué)、機(jī)械、光學(xué)、聲學(xué)或熱性能的下一代生物粘合劑可以在廣泛的生物集成設(shè)備中取得重大進(jìn)展，改變?nèi)祟惤】档谋O(jiān)測(cè)和管理方式。

世界每年有超過1萬個(gè)生物電子設(shè)備被植入人體，用于監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)生理過程，例如用于調(diào)節(jié)心跳的心臟起搏器。同時(shí)，生物電子學(xué)的潛在應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到眾多器官系統(tǒng)和病理學(xué)，有望提供精確的診斷和無藥物療法。然而，在生物電子設(shè)備和生物組織之間建立強(qiáng)大且高效的界面是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的生物電子設(shè)備固定方法，經(jīng)常會(huì)造成組織損傷，并可能導(dǎo)致各種并發(fā)癥，包括出血、感染和異物反應(yīng)（FBR）（涉及炎癥和纖維化）。

盡管已經(jīng)證明薄膜生物電子學(xué)與組織能夠無縫合連接，但較弱的物理粘附和與其超薄幾何形狀相關(guān)的限制對(duì)其性能施加了限制。因此，生物粘附材料具有相當(dāng)大的吸引力，它們能夠建立無創(chuàng)傷、保形和穩(wěn)定的界面，從而促進(jìn)安全、長(zhǎng)期的傳感和刺激 。

值得注意的是，為了確?？缃缑娴挠行盘?hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)良好的電性能以及強(qiáng)大的粘合性能成為一項(xiàng)核心挑戰(zhàn)。以前開發(fā)用于生物電子設(shè)備的生物粘合劑的努力主要集中在將導(dǎo)電聚合物或填料摻入生物粘合劑聚合物網(wǎng)絡(luò)中，其已用作鈍化電極。然而，支撐電路中有源元件（例如晶體管）的半導(dǎo)體的集成在生物粘合劑中仍然相對(duì)未得到探索。

成果簡(jiǎn)介

在此，美國(guó)芝加哥大學(xué)王思泓教授報(bào)道了一種生物粘附聚合物半導(dǎo)體（BASC），實(shí)現(xiàn)了器件組織整合的新策略。通過在雙網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中結(jié)合半導(dǎo)體聚合物和生物粘合刷聚合物，BASC為制造柔軟的組織鍵合晶體管提供了一種有前途的工具，其即使在潮濕和不斷移動(dòng)的組織上也能進(jìn)行穩(wěn)定和敏感的生物電記錄。

所得半導(dǎo)體薄膜可以與濕組織表面形成快速而強(qiáng)的粘附，同時(shí)具有1平方厘米/伏每秒的高電荷載流子遷移率，高拉伸性和良好的生物相容性。此外，進(jìn)一步制造完全生物粘附的晶體管傳感器，能夠在分離的大鼠心臟和體內(nèi)大鼠肌肉上產(chǎn)生高質(zhì)量和穩(wěn)定的電生理記錄。

相關(guān)文章以“Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces”為題發(fā)表在Science上。

4月6日，王思泓教授以題為“High-efficiency stretchable light-emitting polymers from thermally activated delayed fluorescence”在Nature Materials上發(fā)表了通過在聚合物主鏈的TADF單元之間嵌入軟的烷基鏈的策略，成功設(shè)計(jì)和合成了具有高發(fā)光效率的可拉伸聚合物的文章，其器件具有60%的拉伸性，這在其他文獻(xiàn)中幾乎沒有更好的性能了。

內(nèi)容詳解

具體而言，氧化還原活性半導(dǎo)體聚合物用生物粘合劑刷聚合物旋涂，該聚合物包含聚乙烯主鏈，該主鏈裝飾有羧酸（COOH）和N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）酯基團(tuán)官能化的長(zhǎng)側(cè)鏈，這些官能團(tuán)通過促進(jìn)界面處的快速除水并實(shí)現(xiàn)聚合物與組織之間的靜電和共價(jià)相互作用，賦予濕組織快速而強(qiáng)大的粘附力。在長(zhǎng)側(cè)鏈末端摻入這些官能團(tuán)是確保充分暴露于組織表面的關(guān)鍵，從而克服了由半導(dǎo)體聚合物的長(zhǎng)鏈引起的潛在障礙。

圖1.?電化學(xué)晶體管基組織界面的生物粘接劑聚合物半導(dǎo)體

所得的BASC薄膜與濕組織具有快速粘附（小于1分鐘）（界面韌性>20 J m^-2、剪切強(qiáng)度>7 kPa和拉伸強(qiáng)度>4 kPa），以及高電荷載流子遷移率（1 cm²V^-1s^-1）。

同時(shí)，BASC薄膜還具有高拉伸性（高達(dá)100%的應(yīng)變，無開裂），這使它們能夠符合非平面組織表面并適應(yīng)變形。實(shí)現(xiàn)植入設(shè)備長(zhǎng)期功能的主要挑戰(zhàn)之一是FBR，它會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)傳輸?shù)睦w維組織。

部分由于其柔軟的組織樣機(jī)械性能，BASC薄膜在皮下植入大鼠時(shí)會(huì)引起低水平的纖維化和FBR相關(guān)生物標(biāo)志物，顯示出創(chuàng)傷縫合線和訂書釘?shù)挠邢Ｍ奶娲桨浮?/span>

圖2.?BASC薄膜的粘附相關(guān)的性能

在考慮將生物電子設(shè)備與潮濕的動(dòng)態(tài)組織集成時(shí)，BASC材料的優(yōu)勢(shì)變得尤為明顯。在組織運(yùn)動(dòng)的情況下，縫合尤其具有挑戰(zhàn)性，并且需要長(zhǎng)時(shí)間接觸才能形成粘附的粘合劑是不切實(shí)際的。

BASC可以通過施加不到一分鐘的輕壓來直接連接，這種高效的連接過程規(guī)避了與組織動(dòng)力學(xué)相關(guān)的困難，并提高了信號(hào)讀出穩(wěn)定性。

為了證明這一點(diǎn)，作者制造了基于BASC的有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）器件，以記錄來自分離的大鼠心臟的離體外膜心電圖（ECG），以及來自大鼠腿部肌肉的體內(nèi)肌電圖（EMG）。與使用縫合線或單獨(dú)的（非導(dǎo)電）粘合劑層連接的OECT設(shè)備相比，基于BASC的OECT表現(xiàn)出更高的記錄信號(hào)幅度和穩(wěn)定性。

此外，與由導(dǎo)電聚合物組成的無源記錄設(shè)備相比，OECT提供的內(nèi)置生物信號(hào)放大功能使其具有更高的記錄信號(hào)幅度。

圖3.?BASC薄膜的電學(xué)和結(jié)構(gòu)表征

圖4.?BASC薄膜的耐磨性、拉伸性和生物相容性

圖5.?全生物粘附的OECT傳感器及其用于體外和體內(nèi)的電生理記錄

此外，有幾個(gè)方面需要進(jìn)一步研究，以充分發(fā)揮BASC材料的潛力。與最先進(jìn)的生物粘合材料相比，BASC的粘合性能相對(duì)較弱，這可能對(duì)其在更苛刻的長(zhǎng)期體內(nèi)應(yīng)用中的穩(wěn)定性構(gòu)成挑戰(zhàn)，例如體內(nèi)ECG。

此外，檢查BASC的長(zhǎng)期耐久性，電氣性能和生物相容性的綜合研究對(duì)于全面評(píng)估植入設(shè)備隨時(shí)間推移的性能及其臨床效用至關(guān)重要。盡管如此，生物粘附半導(dǎo)體是改善生物電子設(shè)備的信號(hào)靈敏度、空間分辨率和手術(shù)工作流程的有前途的途徑。

除半導(dǎo)體外，開發(fā)具有定制化學(xué)、機(jī)械、光學(xué)、聲學(xué)或熱性能的下一代生物粘合劑可以在廣泛的生物集成設(shè)備中取得重大進(jìn)展，改變?nèi)祟惤】档谋O(jiān)測(cè)和管理方式。

人物介紹

王思泓，芝加哥大學(xué)分子工程學(xué)院擔(dān)任助理教授，2009年本科畢業(yè)于清華大學(xué)，2014年于佐治亞理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，師從王中林（Zhong Lin Wang）院士，并在2015-2018期間在斯坦福大學(xué)從事博士后研究，師從鮑哲南（Zhenan Bao）院士。截至目前，王思泓已經(jīng)在Nature, Science, Nature Electronics, Matter, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials等高檔次期刊上發(fā)表超過70篇學(xué)術(shù)論文，被引用超過21000次，H-因子59。

1.Nan Li, Yang Li, Zhe Cheng, Youdi Liu, Yahao Dai, Seounghun Kang, Songsong Li, Naisong Shan, Shinya Wai, Aidan Ziaja, Yunfei Wang, Joseph Strzalka, Wei Liu, Cheng Zhang, Xiaodan Gu, Jeffrey A. Hubbell, Bozhi Tian, Sihong Wang*, Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces,?Science,?2023, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8758

2.Sarah J. Wu, Xuanhe Zhao, Tissue adhesive semiconductors, Science, 2023, https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adj3284

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