芝加哥大学王思泓团队研发高性能半导体水凝胶！

【研究背景】

水凝胶是由水合的三维（3D）聚合物网络构成的材料，因其柔软、弹性和水分丰富的特性而广泛应用于细胞培养、组织工程、药物输送等领域。与传统的电子材料相比，水凝胶具有良好的生物相容性和可调的化学特性，能够模拟生物组织的机械和化学环境，因此在生物医学领域得到了广泛关注。然而，现有的导电水凝胶在生物电子学应用中的功能主要局限于电极刺激和被动传感，且其电荷载流子迁移率相对较低（最高仅为0.25 cm² V⁻¹ s⁻¹），限制了其在高性能生物电子器件中的应用。这使得研究者们面临着如何增强水凝胶的电气性能及其生物电子功能的挑战。

为了解决这一问题，来自美国芝加哥大学王思泓教授团队在生物电子学领域取得了新进展。该团队设计并制备了一种新型的水凝胶半导体（hydro-SC），通过将聚合物半导体与水凝胶形成交错的双网络，实现了优异的电荷传输性能。研究中，该团队采用了一种新颖的加工方法，将3D网络形成与水肿步骤分开，使得聚合物半导体能够在有机溶剂中形成凝胶，从而克服了传统水凝胶材料与聚合物半导体之间的不兼容性。利用这种新型水凝胶半导体，研究者显著提高了电荷载流子迁移率和生物相容性，成功实现了在有机电化学晶体管（OECT）中的应用。

【表征解读】

本文通过多种表征手段深入研究了水凝胶半导体（hydro-SC）的结构与性能，揭示了其在生物电子学中的重要应用。首先，作者利用扫描电子显微镜（SEM）观察了水凝胶半导体的微观形态，发现其具有高度的多孔结构。这一结构特征不仅提高了材料的比表面积，还增强了生物分子的传输效率，从而改善了生物传感的灵敏度。这些结果表明，水凝胶半导体具备良好的生物相容性和可拉伸性，适合用于与生物组织的直接接口。

针对水凝胶半导体在电学性能方面的表现，作者通过原位导电原子力显微镜（CAFM）和电流-电压特性测试，探讨了其导电机制。结果表明，水凝胶半导体的导电性主要源于其聚合物半导体的良好分散和有效的电荷传输通道。这一发现揭示了水凝胶中不同组分之间的相互作用及其对整体电性能的影响。此外，时间分辨荧光光谱（TRF）分析进一步证实了材料中电荷载流子的动力学特性，为理解其在生物传感器中的应用提供了重要的微观机理支持。

在此基础上，通过结合动态力学分析（DMA）和流变学测试，作者对水凝胶半导体的机械性能进行了全面评估。测试结果显示，水凝胶半导体具有优异的柔韧性和适应性，其模量仅为约30.9 kPa，满足生物组织的柔软性需求。通过对这些力学性能的研究，作者能够明确该材料在各种生物电子应用中的适用性，特别是在柔性传感器和生物接口中的潜力。

总之，经过SEM、CAFM、TRF、DMA等多种表征手段的综合分析，作者深入探讨了水凝胶半导体的微观结构与宏观性能之间的关系。这一系列研究不仅为新型水凝胶半导体的制备提供了理论基础和实验支持，还推动了生物电子学领域的进一步发展。随着这一新材料的应用前景不断扩大，作者相信其在生物传感、组织工程及药物传递等领域将发挥重要作用。

【图文速递】

图1. 用于生物界面多模态应用的水凝胶半导体（Hydro-SC）。

图2. 水凝胶半导体（Hydro-SC）形成过程中的形态演变。

图3. 水凝胶半导体（Hydro-SC）薄膜的电气和机械性能。

图4. 水凝胶半导体（Hydro-SC）减轻异物反应（FBR）和增强光调制效应。

图5. 使用水凝胶半导体（Hydro-SC）薄膜进行生物传感：具有更高灵敏度的体积传感和组织级模量的水凝胶基有机电化学晶体管（OECT）设备。

【结论展望】

本文的研究为生物电子学的发展提供了新的思路，特别是在半导体材料与生物组织界面的结合方面。通过创新的交错双网络设计，作者成功地将聚合物半导体的高性能特性与水凝胶的组织相似柔软性、高孔隙率和生物相容性结合起来，这一突破为未来的生物传感器和生物医学设备奠定了基础。该研究展示了利用溶剂交换处理方法，克服了聚合物半导体水溶性不足的问题，使得半导体材料能够在生物环境中应用。

此外，研究还强调了材料设计对生物电子功能的影响，例如提高了光电化学和光热效应，增强了传感灵敏度。这种多功能性不仅可以扩展生物电子学的应用范围，还可能促进组织工程、药物递送等领域的进步。未来，随着对不同氧化还原活性半导体聚合物的研究，期待能在实现更复杂和高效的生物电子设备方面取得更多成果，进一步推动生物医学技术的发展，实现电子技术与生物技术的深度融合。

文献信息：Yahao Dai et al. ,Soft hydrogel semiconductors with augmented biointeractive functions.Science386,431-439(2024).DOI:10.1126/science.adp9314