新型水凝胶半导体可带来更好的组织界面生物电子学

Josiah02 · 发表于 2024-10-25 20:24:28

连接电子元件和活体组织的理想材料是柔软、可拉伸的，并且和组织一样亲水——简而言之，就是水凝胶。另一方面，半导体是生物电子元件（如起搏器、生物传感器和药物输送设备）的关键材料，它坚硬、易碎且不亲水，不可能像传统的水凝胶那样溶解。
今天，芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (PME) 在《科学》杂志上发表的一篇论文解决了这一长期困扰研究人员的难题，重新构想了水凝胶的制造过程，以水凝胶形式构建出强大的半导体。在王思宏助理教授的研究小组的带领下，他们制造出一种蓝色凝胶，它像海蜇一样在水中飘动，但保留了在活体组织和机器之间传输信息所需的巨大半导体能力。
该材料表现出组织级模量高达 81 kPa 的柔软度、150% 应变的拉伸度和高达 1.4 cm 2 V -1 s -1 的电荷载流子迁移率。这意味着他们的材料（同时是半导体和水凝胶）满足了理想生物电子界面的所有条件。
“在制造可植入生物电子设备时，你必须解决的一个挑战是制造具有类似组织的机械特性的设备，”新论文的第一作者戴亚豪说。“这样，当它直接与组织接触时，它们可以一起变形，并形成非常紧密的生物界面。”
尽管该论文主要关注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，但戴表示该材料还具有许多潜在的非手术应用，例如更好地读取皮肤数据或改善伤口护理。
“它具有非常柔软的机械性能和与活体组织相似的高水合度，”芝加哥大学工程与机械工程助理教授王思宏说道。“水凝胶还非常多孔，因此可以高效地扩散运输各种营养物质和化学物质。所有这些特性结合在一起，使水凝胶成为组织工程和药物输送最有用的材料。”
“让我们改变观点”
制作水凝胶的典型方法是取一种材料，将其溶解在水中，然后添加凝胶化学品，使新液体膨胀成凝胶形式。有些材料直接溶解在水中，有些则需要研究人员对这一过程进行调整和化学修改，但核心机制是一样的：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 PME 团队没有寻找新的、耗时的方法来强制这一过程，而是重新审视了这个问题。
戴说：“我们开始想，‘好吧，让我们改变观点’，然后我们想出了一个溶剂交换流程。”
他们没有将半导体溶解在水中，而是将其溶解在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出凝胶。他们的凝胶最初是有机凝胶，而不是水凝胶。
“为了最终将其变成水凝胶，我们将整个材料系统浸入水中，让有机溶剂溶解并让水进入，”戴说。
这种基于溶剂交换的方法的一个重要优点是它广泛适用于具有不同功能的不同类型聚合物半导体。
“一加一大于二”
该团队已获得专利的水凝胶半导体，正在通过芝加哥大学波尔斯基创业与创新中心进行商业化，它并不是将半导体与水凝胶融合在一起。它是一种同时具有半导体和水凝胶特性的材料。
王说：“它只是一个既具有半导体特性又具有水凝胶设计的部件，这意味着整个部件就像任何其他水凝胶一样。”
然而，与其他水凝胶不同的是，这种新材料实际上在两个方面改善了生物功能，产生了比水凝胶或半导体单独实现的更好的效果。
首先，将非常柔软的材料直接与组织结合可减少植入医疗设备时通常引发的免疫反应和炎症。
其次，由于水凝胶多孔性好，这种新材料能够提高生物传感响应和更强的光调制效果。由于生物分子能够扩散到薄膜中发生体积相互作用，因此生物标记物检测不到的相互作用位点显著增加，从而提高了灵敏度。除了传感之外，由于氧化还原活性物质的运输效率更高，组织表面对光的治疗功能响应也得到了提高。这有利于光控起搏器或伤口敷料等功能，它们可以通过轻弹光线更有效地加热，从而帮助加速愈合。
王先生开玩笑说：“这是一种‘一加一大于二’的组合。”

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