你能想象，以后監(jiān)測(cè)身體信息不需要龐大的儀器和復(fù)雜的操作，只需要一個(gè)小小的貼片便能進(jìn)行測(cè)試？目前，將具有生物相容性的電子設(shè)備與活生物組織相結(jié)合，正在成為實(shí)現(xiàn)生物信號(hào)實(shí)時(shí)測(cè)量的一種有希望的途徑。 對(duì)于生物界面?zhèn)鞲校?a target="_blank">半導(dǎo)體聚合物的有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）是更有效的選擇之一。然而，實(shí)現(xiàn)傳感器之間穩(wěn)定的接口、傳感器與皮膚之間良好的粘附性都是有待突破的問題。

近日，來自芝加哥大學(xué)的王思泓教授及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)了一種有生物粘性的聚合物半導(dǎo)體（BASC）薄膜，該薄膜可以在較小的壓力下快速且牢固地與生物組織進(jìn)行粘附，同時(shí)提供高電荷載流子遷移率。除此之外，該薄膜還具有高拉伸性和良好的生物相容性。相關(guān)研究成果以“Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces”為題目發(fā)表在權(quán)威期刊Science上。第一作者為Li Nan。

刷狀結(jié)構(gòu)，“刷”住生物組織

OECT的傳感功能是通過將其半導(dǎo)體通道直接附著在組織表面來實(shí)現(xiàn)，這樣生物電勢(shì)或靶向生化信號(hào)就可以靜電調(diào)節(jié)晶體管溝道的整體電導(dǎo)率。 實(shí)際上，這種生物信號(hào)傳感本質(zhì)上是由晶體管的半導(dǎo)體溝道與組織表面之間的微觀距離決定，因此無論是傳統(tǒng)的針線縫合還是使用膠水的界面粘附都無法達(dá)到最小的并且穩(wěn)定的界面微觀距離。

因此，更加理想的接口是將半導(dǎo)體溝道直接粘附到組織表面！ 基于上述問題，研究人員設(shè)計(jì)了一種刷狀結(jié)構(gòu)的有生物粘性的聚合物（BAP），用于與半導(dǎo)體聚合物形成雙網(wǎng)絡(luò)薄膜。該聚合物具有聚乙烯骨架和長線性側(cè)鏈，看起來像一柄長滿刷毛的刷子，這些“刷毛”則是兩種比例可控的功能單元——羧酸（COOH）和n-羥基琥珀酰亞胺（NHS）酯。

其中，COOH基團(tuán)為暫時(shí)干燥組織表面提供吸水性，并與組織表面形成靜電相互作用；NHS酯基團(tuán)則作為生物粘附的主要貢獻(xiàn)者，與組織表面的伯胺基團(tuán)共價(jià)結(jié)合。 這些功能基團(tuán)已經(jīng)解決了，那如何使它們有效地暴露在表面發(fā)揮作用呢？ 研究人員巧妙地在側(cè)鏈中插入三縮四乙二醇（TEG）結(jié)構(gòu)來延長側(cè)鏈長度。

該結(jié)構(gòu)極性適中，可以提供適當(dāng)?shù)呐蛎浰?，幫助吸收組織表面的液體，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體表面和組織的直接接觸。 半導(dǎo)體相則是一種氧化還原活性聚合物半導(dǎo)體——p(g2T-T)。為制備雙網(wǎng)絡(luò)膜，研究人員將p(g2T-T)與兩種類型的丙烯酸酯單體（分別為COOH端和NHS酯端）按控制比例在氯仿中混合。之后采用旋涂的方法形成薄膜，并用紫外線（UV）光進(jìn)一步聚合和交聯(lián)薄膜中的生物粘合劑單體。

圖1 用于基于電化學(xué)晶體管的組織接口的有生物粘性的聚合物半導(dǎo)體

優(yōu)良的性能

（1）吸水率、形貌和附著力

研究人員表明，當(dāng)BASC與皮膚接觸時(shí)，具有刷狀結(jié)構(gòu)的BAP相開始吸收和去除組織水分。為證明這一點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)首先研究了BAP的吸水和膨脹行為。 研究結(jié)果表明，親水性較強(qiáng)的COOH基團(tuán)與親水性較差的NHS酯基團(tuán)1:1共混，使得BAP具有中等程度的吸水和膨脹，介于僅具有COOH或NHS酯端側(cè)鏈的兩種刷狀聚合物（分別為BAP-COOH和BAP-NHS）的水平之間，有利于BASC薄膜電性能的穩(wěn)定性。

除吸水性外，粘附力也是BASC使用性能中極其關(guān)鍵的一點(diǎn)。X射線光電子能譜（XPS）分析結(jié)果表明，在厚度方向上，BAP的含量比例從頂部到底部表面不斷增加，確保NHS酯基具有足夠的表面密度，從而獲得高粘合性能。BAP在BASC膜中的優(yōu)勢(shì)含量使得BASC膜具有與BAP相似的力學(xué)性能，這些類組織的機(jī)械性能對(duì)于實(shí)現(xiàn)與組織表面的充分物理接觸并進(jìn)一步形成粘附至關(guān)重要。

力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，BASC膜比p(g2T-T)膜表現(xiàn)出更強(qiáng)更堅(jiān)韌的附著力，界面韌性增加了40倍以上。其中，BAP中NHS酯的含量越高，附著力越強(qiáng)。

研究人員表征了BASC薄膜在濕組織表面的粘附性能。將薄膜粘附至豬肌肉表面并進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，其中BASC膜的界面韌性為24 J/m2，剪切強(qiáng)度為7 kPa，拉伸強(qiáng)度為4.4 kPa，是純p(g2T-T)膜的界面韌性的10倍左右。此外，BASC薄膜可以應(yīng)用于各種被組織液覆蓋的器官組織，包括心臟、皮膚和脾臟，具有高界面韌性、高剪切強(qiáng)度和高拉伸強(qiáng)度。



圖2 BASC薄膜的相關(guān)性能

（2）電學(xué)性能

作為半導(dǎo)體材料，BASC薄膜的電學(xué)性能在OECT器件中得到表征。OECT的傳輸曲線的開/關(guān)比為10?，這表明BASC薄膜具有理想的半導(dǎo)體性能。根據(jù)跨導(dǎo)（gm）計(jì)算，得到的BASC膜的載流子遷移率接近1 cm2/V/s，該數(shù)值與純p(g2T-T)膜相當(dāng)。

此外，界面阻抗與記錄與組織表面之間的分離距離是影響記錄信號(hào)幅度的另外兩個(gè)重要界面因素。對(duì)于界面阻抗，電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)量結(jié)果表明，雙網(wǎng)絡(luò)BASC設(shè)計(jì)比在界面上使用單獨(dú)的粘合劑具有更低的阻抗和更有效的信號(hào)傳輸。

圖3 BASC薄膜的電學(xué)和結(jié)構(gòu)特征

（3）耐磨性、拉伸性和生物相容性

當(dāng)聚合物半導(dǎo)體與生物組織接觸時(shí)，其耐磨性、可拉伸性和生物相容性，對(duì)界面和功能的堅(jiān)固性和長期穩(wěn)定性很重要。研究人員使用一塊聚四氟乙烯（PTFE）覆蓋的玻璃在1 kPa的壓力下在BASC薄膜上來回滑動(dòng)。 在這種表面滑動(dòng)1000次后，光學(xué)顯微鏡下觀察到BASC膜的外觀和OECT裝置中的電學(xué)性能基本保持完整。

為了更好地模擬器械植入過程中的磨損，研究人員使用豬皮進(jìn)行了比較，得出了類似的趨勢(shì)。 此外，BASC膜具有良好的拉伸性能，研究人員從光學(xué)顯微鏡和AFM圖像中觀察到該薄膜可以拉伸到100%應(yīng)變而不會(huì)形成任何裂紋。 該薄膜除具有良好的機(jī)械性能外，生物相容性也非常優(yōu)異。

眾所周知，當(dāng)設(shè)備與組織連接時(shí)，異物響應(yīng)（FBR）是限制壽命的主要因素之一，這受植入物的力學(xué)模量和表面化學(xué)成分的影響。 因此，研究人員通過在SEBS底物的兩側(cè)覆膜，并將其植入小鼠皮下進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，BASC膜比SEBS具有更好的生物相容性，這進(jìn)一步提高了通過可植入裝置直接與生物組織接觸的希望。此外，體外細(xì)胞培養(yǎng)證實(shí)了該膜的最小細(xì)胞毒性。



圖4 BASC薄膜的耐磨性、拉伸性和生物相容性

研究人員制造了一個(gè)基于OECT的傳感器，使用BASC薄膜作為半導(dǎo)體通道和氧化還原活性柵極，其周圍區(qū)域覆蓋BAP薄膜。其與使用微裂紋為基礎(chǔ)的可拉伸金作為電極和薄SEBS層作為互連和電極底部的封裝。制備的這種可生物粘合并且可拉伸的OECT在潮濕的豬的肌肉表面具有強(qiáng)的附著力，并且在0%應(yīng)變和拉伸到50%應(yīng)變時(shí)表現(xiàn)出理想的晶體管電學(xué)行為。

之后，研究人員在離體大鼠心臟的心外膜心電圖（ECG）記錄上進(jìn)一步證明了OECT傳感器的生物粘附特性的好處。通過輕輕按壓20秒，生物粘附OECT可以方便地粘附在潮濕的心臟表面。在記錄過程中，生物膠粘劑和可拉伸性共同作用，幫助OECT很好地適應(yīng)心臟跳動(dòng)，從而保持心臟在空間上的穩(wěn)定和舒適接觸。

此外，研究人員還在活體大鼠腓腸肌內(nèi)側(cè)肌（GM）的皮下肌電圖（EMG）記錄上展示了可生物粘合的OECT的體內(nèi)使用。在坐骨神經(jīng)電刺激觸發(fā)腿部運(yùn)動(dòng)的過程中，每次刺激對(duì)應(yīng)的肌電圖信號(hào)都可以穩(wěn)定地記錄下來，而不受機(jī)械擾動(dòng)（如牽拉）的影響，這與無生物粘性的OECT形成鮮明對(duì)比。

圖5 可生物粘合的OECT傳感器和用于體外和體內(nèi)電生理記錄

這一研究成果標(biāo)志著電子器件和生物體結(jié)合的又一重要進(jìn)展，也為生物電子材料的研究提供了新的方向。通過這一技術(shù)領(lǐng)域未來的發(fā)展，或許在將來的某一天，這種傳感器，結(jié)合人工智能，甚至可以實(shí)現(xiàn)電子和人腦的信息傳遞，缸中之腦或許成為現(xiàn)實(shí)。你覺得什么時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)呢？

審核編輯：劉清