芝加哥大学的一种新型水凝胶半导体为生物电子学提供了突破性的解决方案，将组织样特性与高电子功能相结合，增强了医疗设备的集成和有效性。

将电子产品与活体组织连接的完美材料是柔软的、可拉伸的，并且与组织本身一样亲水，这使得水凝胶成为理想的选择。相比之下，半导体，生物电子产品的关键材料，如起搏器、生物传感器和药物输送设备，是刚性的、易碎的、疏水的，这使得它们不可能像传统的水凝胶那样溶解。

生物电子学的突破

在《科学》杂志上发表的一项新研究中，来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家们通过创新水凝胶的制造方式，克服了这一长期存在的障碍，以水凝胶的形式构建了强大的半导体。在助理教授王思宏（音译）的研究小组的领导下，研究结果是一种蓝色凝胶，它在水中像水母一样波动，但保持了在活体组织和电子设备之间传输信息所需的巨大半导体能力。

新材料的性能与应用

该材料的组织级模量为81 kPa，拉伸率为150%，载流子迁移率高达1.4 cm2 V-1 s-1。这意味着他们的材料 —— 同时是半导体和水凝胶 —— 符合理想生物电子界面的所有条件。

“当制造植入式生物电子设备时，你必须解决的一个挑战是制造一个具有组织样机械性能的设备，”这篇新论文的第一作者戴亚豪（音译）说。“这样，当它直接与组织接触时，它们可以一起变形，形成一个非常亲密的生物界面。”

尽管这篇论文主要关注植入式医疗设备所面临的挑战，如生化传感器和起搏器，作者说这种材料也有许多潜在的非手术应用，比如更好地读取皮肤或改善伤口护理。

“它具有非常柔软的机械性能和与活体组织相似的高度水化，”芝加哥大学PME助理教授王思宏说。“水凝胶也非常多孔，所以它允许不同种类的营养和化学物质的有效扩散运输。所有这些特性结合在一起，使水凝胶可能成为组织工程和药物输送中最有用的材料。”

创新生产技术

制造水凝胶的典型方法是将一种材料溶解在水中，然后加入凝胶化学物质使这种新液体膨胀成凝胶状。有些材料只是在水中溶解，有些则需要研究人员对过程进行修修补补和化学修饰，但核心机制是相同的：没有水，就没有水凝胶。

然而，半导体通常不溶于水。芝加哥大学PME团队没有寻找新的、耗时的方法来推动这一过程，而是重新审视了这个问题。

戴亚豪说：“我们开始思考，‘好吧，让我们改变我们的观点，’然后我们想出了一个溶剂交换过程。”

他们没有将半导体溶解在水中，而是将它们溶解在一种与水相混的有机溶剂中。然后他们用溶解的半导体和水凝胶前体制备了一种凝胶。他们的凝胶最初是一种有机凝胶，不是水凝胶。

戴亚豪说：“为了最终把它变成水凝胶，我们把整个材料系统浸入水中，让有机溶剂溶解出来，让水进来。”

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的聚合物半导体。

结合半导体和水凝胶的优势

该团队已经获得了水凝胶半导体的专利，并正在通过芝加哥大学的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结合在一起。它是一种同时是半导体和水凝胶的材料。

王思宏说：“这只是一块同时具有半导体特性和水凝胶设计的材料，这意味着整个材料就像任何其他的水凝胶一样。”

然而，与其他任何水凝胶不同的是，这种新材料实际上在两个方面改善了生物功能，比水凝胶或半导体本身所能实现的效果更好。

首先，将非常柔软的材料直接与组织结合，可以减少医疗设备植入时通常引发的免疫反应和炎症。

其次，由于水凝胶非常多孔，新材料能够提高生物传感响应和更强的光调制效应。由于生物分子能够扩散到膜中进行体积相互作用，被检测标记物的相互作用位点显着增加，从而产生更高的灵敏度。除了传感之外，组织表面对光的治疗功能的反应也因氧化还原活性物质的更有效运输而增加。这对光控起搏器或伤口敷料等功能有好处，可以通过轻弹更有效地加热，以帮助加速愈合。

研究人员表示：“这是一种‘一加一大于二’的组合。”

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