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高性能水凝膠半導(dǎo)體成功制備！兼具高遷移率與高柔軟度，開(kāi)啟生物信息傳輸新時(shí)代
文章來(lái)源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-11-11 15:47:09
在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，生物電子界面的研究正以前所未有的速度推進(jìn)，為醫(yī)療健康、神經(jīng)科學(xué)、人機(jī)交互等諸多領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變革。在此背景下，水凝膠半導(dǎo)體這一新型材料的出現(xiàn)，猶如一顆璀璨的新星，閃耀在生物電子學(xué)的天空，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的活力。浙江大學(xué)本科校友戴雅浩及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種新型水凝膠半導(dǎo)體，通過(guò)溶劑交換策略制備，既保持高遷移率又具備高度柔軟性，可用于生物電子器件等領(lǐng)域，解決半導(dǎo)體與生物體模量不匹配問(wèn)題，提高生物相容性和應(yīng)用性能。



一、水凝膠半導(dǎo)體的研究背景及研發(fā)歷程



水凝膠，作為一種能夠在水中溶脹并保持大量水分而不溶解的交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)，因其良好的吸水性、保水性和生物相容性，早已在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域奠定了廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。它就像是一位貼心的助手，在生物組織支撐、治療及通訊等方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。



而半導(dǎo)體材料，在實(shí)現(xiàn)電子器件的諸多功能，如生理信號(hào)檢測(cè)、光熱/光電治療、光催化等方面，扮演著核心角色。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料存在一些局限性，其楊氏模量一般在100MPa - 10GPa之間，與生物體軟組織的楊氏模量（往往小于100kPa）相比，高出了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這種模量上的不匹配，會(huì)在器件的長(zhǎng)期應(yīng)用中導(dǎo)致嚴(yán)重的免疫反應(yīng)，最終使得器件失效。



于是，將水凝膠與半導(dǎo)體材料相結(jié)合的設(shè)想應(yīng)運(yùn)而生，由此誕生了水凝膠半導(dǎo)體這一創(chuàng)新材料。



美國(guó)芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，以及浙江大學(xué)本科校友、美國(guó)芝加哥大學(xué)博士畢業(yè)生戴雅浩所在團(tuán)隊(duì)等，都在水凝膠半導(dǎo)體的研發(fā)道路上付出了諸多努力，取得了顯著成果。



戴雅浩在其導(dǎo)師王思泓教授（長(zhǎng)期從事生物電子器件研究）的指導(dǎo)下，致力于解決如何制備高性能水凝膠半導(dǎo)體這一難題。從建組以來(lái)，開(kāi)發(fā)一種通用型方法用以高效地制備高性能水凝膠半導(dǎo)體，就成為了戴雅浩與其導(dǎo)師共同的心愿。



研究伊始，戴雅浩嘗試了多種方法。他先是提出基于高分子半導(dǎo)體在電化學(xué)摻雜時(shí)的溶脹效應(yīng)來(lái)制備水凝膠，即給高分子半導(dǎo)體施加一個(gè)恒定的電壓使其溶脹，讓水凝膠單體能夠自由擴(kuò)散到半導(dǎo)體內(nèi)并聚合形成水凝膠。但由于高分子半導(dǎo)體非常有限的溶脹率，這個(gè)方法并未成功。



隨后，他又提出使用低沸點(diǎn)的溶劑作為媒介將高分子半導(dǎo)體分散在液態(tài)的水凝膠單體中，在除去低沸點(diǎn)溶劑之后聚合并溶脹水凝膠。然而，這個(gè)方法也因液態(tài)水凝膠單體的大量揮發(fā)而宣告失敗。



這些失敗讓戴雅浩意識(shí)到實(shí)現(xiàn)水凝膠單體和半導(dǎo)體的充分混合對(duì)制備水凝膠半導(dǎo)體至關(guān)重要，哪怕這一步驟不在水中進(jìn)行。在回憶起本科畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)組里師兄們進(jìn)行的有機(jī)凝膠研究后，他萌生了使用溶劑交換法的念頭。但一開(kāi)始，這個(gè)方法也并未順利開(kāi)展，他花費(fèi)了大量時(shí)間來(lái)篩選合適的溶劑體系、材料組分和制備環(huán)境。



不過(guò)，功夫不負(fù)有心人，在經(jīng)歷了重重困難后，戴雅浩終于迎來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。他清楚地記得在第一次成功制備出水凝膠半導(dǎo)體的時(shí)候，由于還沒(méi)有辦法測(cè)試它的模量，他迫不及待地用手指貼到材料上去觀察皮膚和水凝膠的形變，當(dāng)看到材料表現(xiàn)出了更明顯的形變時(shí)，他確信這次終于成功了。



此后，他和同事開(kāi)始對(duì)水凝膠的電學(xué)性能和機(jī)械性能進(jìn)行測(cè)試。其中，機(jī)械性能的測(cè)試頗具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槟壳皫缀跛械臋C(jī)械測(cè)試手段都只適用于較厚（＞100μm）的樣品，而被用于電子器件的水凝膠半導(dǎo)體都是薄膜形式（＜5μm）。他們嘗試了幾乎所有主流的測(cè)試手段，并最終通過(guò)懸浮水凝膠薄膜在水里的方式，和合作者一起完成了水凝膠薄膜樣品的機(jī)械性能測(cè)試。之后，戴雅浩還嘗試了大量的形貌表征，最終找到了直接的證據(jù)來(lái)證明溶劑交換引導(dǎo)的自組裝過(guò)程。



與此同時(shí)，他還和同事共同完成了生物化學(xué)傳感測(cè)試、生物相容性測(cè)試、光熱/光電效應(yīng)測(cè)試、以及水凝膠晶體管制造等，從而驗(yàn)證了水凝膠半導(dǎo)體材料在實(shí)際應(yīng)用中的諸多好處。



二、水凝膠半導(dǎo)體的獨(dú)特性能與創(chuàng)新點(diǎn)



水凝膠半導(dǎo)體材料具備諸多獨(dú)特的性能與創(chuàng)新之處。



從制備方法來(lái)看，戴雅浩所在團(tuán)隊(duì)發(fā)展出一種基于溶劑交換的策略用以制備水凝膠半導(dǎo)體。具體而言，就是使用有機(jī)溶劑同時(shí)溶解高分子半導(dǎo)體和水凝膠單體，借此制備出一種有機(jī)凝膠，之后再將有機(jī)凝膠通過(guò)溶劑交換轉(zhuǎn)變?yōu)樗z。在溶劑交換的過(guò)程中，受到疏水作用的影響，高分子半導(dǎo)體會(huì)自發(fā)地在多孔水凝膠骨架中組裝成三維的半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)此方法，不僅能將一系列高分子半導(dǎo)體在不改變化學(xué)結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)的前提下轉(zhuǎn)化成水凝膠，所得到的水凝膠半導(dǎo)體還表現(xiàn)出極低的楊氏模量（81kPa）以及較高的遷移率（最高可達(dá)1.4cm²V?¹s?¹）。



從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上講，有的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建互穿網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，將帶有親水性側(cè)鏈的聚合物半導(dǎo)體與形成水凝膠的聚合物相結(jié)合，形成了獨(dú)特的水凝膠半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)使得水凝膠半導(dǎo)體在實(shí)現(xiàn)模量降低兩個(gè)至三個(gè)數(shù)量級(jí)的同時(shí)，保持了相似的電荷遷移率，為高密度光電圖案化提供了可能。



與傳統(tǒng)的水凝膠或半導(dǎo)體材料相比，水凝膠半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)了更好的綜合效果。它不僅繼承了傳統(tǒng)水凝膠的優(yōu)異生物特性，如高生物相容性、高孔隙率、高含水率等，還具備了半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電與信號(hào)轉(zhuǎn)換能力，其高達(dá)81千帕的組織級(jí)模量、最大可達(dá)150%的拉伸性，以及高達(dá)1.4平方厘米/伏秒的載流子遷移率，使得該材料在生物電子學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。



三、水凝膠半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用前景



水凝膠半導(dǎo)體材料在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。



生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域：



在生物醫(yī)學(xué)工程方面，這種新型材料可以作為植入式醫(yī)療設(shè)備的理想選擇。起搏器、生物傳感器和藥物遞送裝置等植入式設(shè)備需要與生物組織長(zhǎng)時(shí)間接觸，因此材料的生物相容性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。水凝膠半導(dǎo)體材料不僅具有良好的生物相容性，還能與生物組織形成良好的界面，從而提高設(shè)備的穩(wěn)定性和性能。



例如，通過(guò)將藥物封裝在水凝膠中，可以實(shí)現(xiàn)藥物的持續(xù)釋放和精準(zhǔn)遞送，從而提高治療效果并減少副作用。而且，基于水凝膠的多孔性，可以運(yùn)輸各種營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)物質(zhì)，在組織工程方面也展現(xiàn)出巨大的潛力。



可穿戴技術(shù)和人機(jī)交互界面領(lǐng)域：



隨著智能穿戴設(shè)備的普及和發(fā)展，人們對(duì)設(shè)備的舒適度和生物相容性要求越來(lái)越高。水凝膠半導(dǎo)體材料可以作為智能穿戴設(shè)備的傳感器和電極材料，與人體皮膚形成良好的接觸，從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)和舒適的數(shù)據(jù)采集和傳輸。



神經(jīng)科學(xué)和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：



在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，可以利用這種材料制作神經(jīng)接口，實(shí)現(xiàn)大腦與電子設(shè)備的直接連接和通信；在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以利用這種材料制作人工組織和器官，為醫(yī)療領(lǐng)域帶來(lái)革命性的突破。



生物監(jiān)測(cè)等其他領(lǐng)域：



水凝膠半導(dǎo)體材料還可用于非侵入性應(yīng)用，如皮膚數(shù)據(jù)讀取和傷口護(hù)理等。其在生物電子學(xué)、組織工程及生物監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，特別是在傷口敷料、生物刺激及生物監(jiān)測(cè)方面，展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。



例如，基于水凝膠的多孔性，可以提高半導(dǎo)體上修生物受體的修飾密度，從而用于高靈敏度的生物化學(xué)監(jiān)測(cè)。再如，基于水凝膠的高生物相容性和半導(dǎo)體的光熱轉(zhuǎn)換性能，可以制備與生物體更加相容的光熱治療貼片。又比如，基于半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)效應(yīng)調(diào)控水凝膠的擴(kuò)散率，從而用于制備可控的藥物遞送體系等。



四、水凝膠半導(dǎo)體的發(fā)展展望



日前，相關(guān)論文以《具有增強(qiáng)生物交互功能的軟性水凝膠半導(dǎo)體》（Soft hydrogel semiconductors with augmented biointeractive functions）為題發(fā)表在Science上，戴雅浩是第一作者，美國(guó)芝加哥大學(xué)王思泓教授擔(dān)任通訊作者。目前，相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)正在推動(dòng)水凝膠半導(dǎo)體的應(yīng)用，探索潛在的體相修飾的方法以及基于此的新的生物傳感機(jī)理。



同時(shí)，他們也在嘗試?yán)盟z半導(dǎo)體的光熱和光電效應(yīng)來(lái)開(kāi)發(fā)用于傷口愈合和無(wú)線心臟起搏的新型器件。



然而，要實(shí)現(xiàn)水凝膠半導(dǎo)體材料的大規(guī)模應(yīng)用，還面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，為了實(shí)現(xiàn)材料的量產(chǎn)和商業(yè)化，需要進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝，提高材料的產(chǎn)量和質(zhì)量。此外，還需要開(kāi)展長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性的研究，以確保該材料在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和安全性。



但毋庸置疑的是，水凝膠半導(dǎo)體材料的問(wèn)世為生物電子學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著研究的深入和技術(shù)的不斷發(fā)展，相信這種新型材料將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用，為生物醫(yī)學(xué)工程、可穿戴技術(shù)和人機(jī)交互界面等領(lǐng)域帶來(lái)更加廣泛和深入的應(yīng)用，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域向著更高水平發(fā)展，為人類的健康和生活帶來(lái)更多的福祉。



總之，水凝膠半導(dǎo)體作為一種創(chuàng)新的材料，融合了水凝膠和半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)，在性能、應(yīng)用等方面都展現(xiàn)出了巨大的潛力。它的出現(xiàn)是生物電子學(xué)領(lǐng)域的一次重要突破，未來(lái)的發(fā)展值得我們拭目以待。

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