用于实时监测身体数据的聚合物半导体薄膜

你能想象，以后监测身体信息不需要庞大的仪器和复杂的操作，只需要一个小小的贴片便能进行测试？目前，将具有生物相容性的电子设备与活生物组织相结合，正在成为实现生物信号实时测量的一种有希望的途径。 对于生物界面传感，基于半导体聚合物的有机电化学晶体管（OECT）是更有效的选择之一。然而，实现传感器之间稳定的接口、传感器与皮肤之间良好的粘附性都是有待突破的问题。

近日，来自芝加哥大学的王思泓教授及其团队设计研发了一种有生物粘性的聚合物半导体（BASC）薄膜，该薄膜可以在较小的压力下快速且牢固地与生物组织进行粘附，同时提供高电荷载流子迁移率。除此之外，该薄膜还具有高拉伸性和良好的生物相容性。相关研究成果以“Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces”为题目发表在权威期刊Science上。第一作者为Li Nan。

刷状结构，“刷”住生物组织

OECT的传感功能是通过将其半导体通道直接附着在组织表面来实现，这样生物电势或靶向生化信号就可以静电调节晶体管沟道的整体电导率。 实际上，这种生物信号传感本质上是由晶体管的半导体沟道与组织表面之间的微观距离决定，因此无论是传统的针线缝合还是使用胶水的界面粘附都无法达到最小的并且稳定的界面微观距离。

因此，更加理想的接口是将半导体沟道直接粘附到组织表面！ 基于上述问题，研究人员设计了一种刷状结构的有生物粘性的聚合物（BAP），用于与半导体聚合物形成双网络薄膜。该聚合物具有聚乙烯骨架和长线性侧链，看起来像一柄长满刷毛的刷子，这些“刷毛”则是两种比例可控的功能单元——羧酸（COOH）和n-羟基琥珀酰亚胺（NHS）酯。

其中，COOH基团为暂时干燥组织表面提供吸水性，并与组织表面形成静电相互作用；NHS酯基团则作为生物粘附的主要贡献者，与组织表面的伯胺基团共价结合。 这些功能基团已经解决了，那如何使它们有效地暴露在表面发挥作用呢？ 研究人员巧妙地在侧链中插入三缩四乙二醇（TEG）结构来延长侧链长度。

该结构极性适中，可以提供适当的膨胀水平，帮助吸收组织表面的液体，从而实现半导体表面和组织的直接接触。 半导体相则是一种氧化还原活性聚合物半导体——p(g2T-T)。为制备双网络膜，研究人员将p(g2T-T)与两种类型的丙烯酸酯单体（分别为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，并用紫外线（UV）光进一步聚合和交联薄膜中的生物粘合剂单体。

图1 用于基于电化学晶体管的组织接口的有生物粘性的聚合物半导体

优良的性能

（1）吸水率、形貌和附着力

研究人员表明，当BASC与皮肤接触时，具有刷状结构的BAP相开始吸收和去除组织水分。为证明这一点，该团队首先研究了BAP的吸水和膨胀行为。 研究结果表明，亲水性较强的COOH基团与亲水性较差的NHS酯基团1:1共混，使得BAP具有中等程度的吸水和膨胀，介于仅具有COOH或NHS酯端侧链的两种刷状聚合物（分别为BAP-COOH和BAP-NHS）的水平之间，有利于BASC薄膜电性能的稳定性。

除吸水性外，粘附力也是BASC使用性能中极其关键的一点。X射线光电子能谱（XPS）分析结果表明，在厚度方向上，BAP的含量比例从顶部到底部表面不断增加，确保NHS酯基具有足够的表面密度，从而获得高粘合性能。BAP在BASC膜中的优势含量使得BASC膜具有与BAP相似的力学性能，这些类组织的机械性能对于实现与组织表面的充分物理接触并进一步形成粘附至关重要。

力学测试结果表明，BASC膜比p(g2T-T)膜表现出更强更坚韧的附着力，界面韧性增加了40倍以上。其中，BAP中NHS酯的含量越高，附着力越强。

研究人员表征了BASC薄膜在湿组织表面的粘附性能。将薄膜粘附至猪肌肉表面并进行力学测试，其中BASC膜的界面韧性为24 J/m²，剪切强度为7 kPa，拉伸强度为4.4 kPa，是纯p(g2T-T)膜的界面韧性的10倍左右。此外，BASC薄膜可以应用于各种被组织液覆盖的器官组织，包括心脏、皮肤和脾脏，具有高界面韧性、高剪切强度和高拉伸强度。



图2 BASC薄膜的相关性能

（2）电学性能

作为半导体材料，BASC薄膜的电学性能在OECT器件中得到表征。OECT的传输曲线的开/关比为10⁴，这表明BASC薄膜具有理想的半导体性能。根据跨导（gm）计算，得到的BASC膜的载流子迁移率接近1 cm²/V/s，该数值与纯p(g2T-T)膜相当。

此外，界面阻抗与记录与组织表面之间的分离距离是影响记录信号幅度的另外两个重要界面因素。对于界面阻抗，电化学阻抗谱（EIS）测量结果表明，双网络BASC设计比在界面上使用单独的粘合剂具有更低的阻抗和更有效的信号传输。

图3 BASC薄膜的电学和结构特征

（3）耐磨性、拉伸性和生物相容性

当聚合物半导体与生物组织接触时，其耐磨性、可拉伸性和生物相容性，对界面和功能的坚固性和长期稳定性很重要。研究人员使用一块聚四氟乙烯（PTFE）覆盖的玻璃在1 kPa的压力下在BASC薄膜上来回滑动。 在这种表面滑动1000次后，光学显微镜下观察到BASC膜的外观和OECT装置中的电学性能基本保持完整。

为了更好地模拟器械植入过程中的磨损，研究人员使用猪皮进行了比较，得出了类似的趋势。 此外，BASC膜具有良好的拉伸性能，研究人员从光学显微镜和AFM图像中观察到该薄膜可以拉伸到100%应变而不会形成任何裂纹。 该薄膜除具有良好的机械性能外，生物相容性也非常优异。

众所周知，当设备与组织连接时，异物响应（FBR）是限制寿命的主要因素之一，这受植入物的力学模量和表面化学成分的影响。 因此，研究人员通过在SEBS底物的两侧覆膜，并将其植入小鼠皮下进行研究。研究结果表明，BASC膜比SEBS具有更好的生物相容性，这进一步提高了通过可植入装置直接与生物组织接触的希望。此外，体外细胞培养证实了该膜的最小细胞毒性。



图4 BASC薄膜的耐磨性、拉伸性和生物相容性

研究人员制造了一个基于OECT的传感器，使用BASC薄膜作为半导体通道和氧化还原活性栅极，其周围区域覆盖BAP薄膜。其与使用微裂纹为基础的可拉伸金作为电极和薄SEBS层作为互连和电极底部的封装。制备的这种可生物粘合并且可拉伸的OECT在潮湿的猪的肌肉表面具有强的附着力，并且在0%应变和拉伸到50%应变时表现出理想的晶体管电学行为。

之后，研究人员在离体大鼠心脏的心外膜心电图（ECG）记录上进一步证明了OECT传感器的生物粘附特性的好处。通过轻轻按压20秒，生物粘附OECT可以方便地粘附在潮湿的心脏表面。在记录过程中，生物胶粘剂和可拉伸性共同作用，帮助OECT很好地适应心脏跳动，从而保持心脏在空间上的稳定和舒适接触。

此外，研究人员还在活体大鼠腓肠肌内侧肌（GM）的皮下肌电图（EMG）记录上展示了可生物粘合的OECT的体内使用。在坐骨神经电刺激触发腿部运动的过程中，每次刺激对应的肌电图信号都可以稳定地记录下来，而不受机械扰动（如牵拉）的影响，这与无生物粘性的OECT形成鲜明对比。

图5 可生物粘合的OECT传感器和用于体外和体内电生理记录

这一研究成果标志着电子器件和生物体结合的又一重要进展，也为生物电子材料的研究提供了新的方向。通过这一技术领域未来的发展，或许在将来的某一天，这种传感器，结合人工智能，甚至可以实现电子和人脑的信息传递，缸中之脑或许成为现实。你觉得什么时候可以实现呢？

审核编辑：刘清