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高性能水凝胶半导体成功制备！兼具高迁移率与高柔软度，开启生物信息传输新时代

文章来源：贤集网更新时间：2024-11-11 15:47:09

在当今科技飞速发展的时代，生物电子界面的研究正以前所未有的速度推进，为医疗健康、神经科学、人机交互等诸多领域带来了革命性的变革。在此背景下，水凝胶半导体这一新型材料的出现，犹如一颗璀璨的新星，闪耀在生物电子学的天空，为相关领域的发展注入了新的活力。浙江大学本科校友戴雅浩及其团队开发出一种新型水凝胶半导体，通过溶剂交换策略制备，既保持高迁移率又具备高度柔软性，可用于生物电子器件等领域，解决半导体与生物体模量不匹配问题，提高生物相容性和应用性能。

一、水凝胶半导体的研究背景及研发历程

水凝胶，作为一种能够在水中溶胀并保持大量水分而不溶解的交联聚合物网络，因其良好的吸水性、保水性和生物相容性，早已在生物医学领域奠定了广泛的应用基础。它就像是一位贴心的助手，在生物组织支撑、治疗及通讯等方面展现出了巨大的潜力。

而半导体材料，在实现电子器件的诸多功能，如生理信号检测、光热/光电治疗、光催化等方面，扮演着核心角色。然而，传统半导体材料存在一些局限性，其杨氏模量一般在100MPa - 10GPa之间，与生物体软组织的杨氏模量（往往小于100kPa）相比，高出了好几个数量级。这种模量上的不匹配，会在器件的长期应用中导致严重的免疫反应，最终使得器件失效。

于是，将水凝胶与半导体材料相结合的设想应运而生，由此诞生了水凝胶半导体这一创新材料。

美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究团队，以及浙江大学本科校友、美国芝加哥大学博士毕业生戴雅浩所在团队等，都在水凝胶半导体的研发道路上付出了诸多努力，取得了显著成果。

戴雅浩在其导师王思泓教授（长期从事生物电子器件研究）的指导下，致力于解决如何制备高性能水凝胶半导体这一难题。从建组以来，开发一种通用型方法用以高效地制备高性能水凝胶半导体，就成为了戴雅浩与其导师共同的心愿。

研究伊始，戴雅浩尝试了多种方法。他先是提出基于高分子半导体在电化学掺杂时的溶胀效应来制备水凝胶，即给高分子半导体施加一个恒定的电压使其溶胀，让水凝胶单体能够自由扩散到半导体内并聚合形成水凝胶。但由于高分子半导体非常有限的溶胀率，这个方法并未成功。

随后，他又提出使用低沸点的溶剂作为媒介将高分子半导体分散在液态的水凝胶单体中，在除去低沸点溶剂之后聚合并溶胀水凝胶。然而，这个方法也因液态水凝胶单体的大量挥发而宣告失败。

这些失败让戴雅浩意识到实现水凝胶单体和半导体的充分混合对制备水凝胶半导体至关重要，哪怕这一步骤不在水中进行。在回忆起本科毕业设计时组里师兄们进行的有机凝胶研究后，他萌生了使用溶剂交换法的念头。但一开始，这个方法也并未顺利开展，他花费了大量时间来筛选合适的溶剂体系、材料组分和制备环境。

不过，功夫不负有心人，在经历了重重困难后，戴雅浩终于迎来了转机。他清楚地记得在第一次成功制备出水凝胶半导体的时候，由于还没有办法测试它的模量，他迫不及待地用手指贴到材料上去观察皮肤和水凝胶的形变，当看到材料表现出了更明显的形变时，他确信这次终于成功了。

此后，他和同事开始对水凝胶的电学性能和机械性能进行测试。其中，机械性能的测试颇具挑战性，因为目前几乎所有的机械测试手段都只适用于较厚（＞100μm）的样品，而被用于电子器件的水凝胶半导体都是薄膜形式（＜5μm）。他们尝试了几乎所有主流的测试手段，并最终通过悬浮水凝胶薄膜在水里的方式，和合作者一起完成了水凝胶薄膜样品的机械性能测试。之后，戴雅浩还尝试了大量的形貌表征，最终找到了直接的证据来证明溶剂交换引导的自组装过程。

与此同时，他还和同事共同完成了生物化学传感测试、生物相容性测试、光热/光电效应测试、以及水凝胶晶体管制造等，从而验证了水凝胶半导体材料在实际应用中的诸多好处。

二、水凝胶半导体的独特性能与创新点

水凝胶半导体材料具备诸多独特的性能与创新之处。

从制备方法来看，戴雅浩所在团队发展出一种基于溶剂交换的策略用以制备水凝胶半导体。具体而言，就是使用有机溶剂同时溶解高分子半导体和水凝胶单体，借此制备出一种有机凝胶，之后再将有机凝胶通过溶剂交换转变为水凝胶。在溶剂交换的过程中，受到疏水作用的影响，高分子半导体会自发地在多孔水凝胶骨架中组装成三维的半导体网络。通过此方法，不仅能将一系列高分子半导体在不改变化学结构和能带结构的前提下转化成水凝胶，所得到的水凝胶半导体还表现出极低的杨氏模量（81kPa）以及较高的迁移率（最高可达1.4cm²V?¹s?¹）。

从结构设计上讲，有的研究团队通过构建互穿网络形态，将带有亲水性侧链的聚合物半导体与形成水凝胶的聚合物相结合，形成了独特的水凝胶半导体结构。这种独特的设计使得水凝胶半导体在实现模量降低两个至三个数量级的同时，保持了相似的电荷迁移率，为高密度光电图案化提供了可能。

与传统的水凝胶或半导体材料相比，水凝胶半导体材料实现了更好的综合效果。它不仅继承了传统水凝胶的优异生物特性，如高生物相容性、高孔隙率、高含水率等，还具备了半导体材料的导电与信号转换能力，其高达81千帕的组织级模量、最大可达150%的拉伸性，以及高达1.4平方厘米/伏秒的载流子迁移率，使得该材料在生物电子学领域具有巨大的应用潜力。

三、水凝胶半导体的广泛应用前景

水凝胶半导体材料在多个领域展现出了广阔的应用前景。

生物医学工程领域：

在生物医学工程方面，这种新型材料可以作为植入式医疗设备的理想选择。起搏器、生物传感器和药物递送装置等植入式设备需要与生物组织长时间接触，因此材料的生物相容性和稳定性至关重要。水凝胶半导体材料不仅具有良好的生物相容性，还能与生物组织形成良好的界面，从而提高设备的稳定性和性能。

例如，通过将药物封装在水凝胶中，可以实现药物的持续释放和精准递送，从而提高治疗效果并减少副作用。而且，基于水凝胶的多孔性，可以运输各种营养和化学物质，在组织工程方面也展现出巨大的潜力。

可穿戴技术和人机交互界面领域：

随着智能穿戴设备的普及和发展，人们对设备的舒适度和生物相容性要求越来越高。水凝胶半导体材料可以作为智能穿戴设备的传感器和电极材料，与人体皮肤形成良好的接触，从而实现更加精准和舒适的数据采集和传输。

神经科学和再生医学领域：

在神经科学领域，可以利用这种材料制作神经接口，实现大脑与电子设备的直接连接和通信；在再生医学领域，可以利用这种材料制作人工组织和器官，为医疗领域带来革命性的突破。

生物监测等其他领域：

水凝胶半导体材料还可用于非侵入性应用，如皮肤数据读取和伤口护理等。其在生物电子学、组织工程及生物监测等领域具有潜在应用，特别是在伤口敷料、生物刺激及生物监测方面，展现了巨大的应用前景。

例如，基于水凝胶的多孔性，可以提高半导体上修生物受体的修饰密度，从而用于高灵敏度的生物化学监测。再如，基于水凝胶的高生物相容性和半导体的光热转换性能，可以制备与生物体更加相容的光热治疗贴片。又比如，基于半导体的开关效应调控水凝胶的扩散率，从而用于制备可控的药物递送体系等。

四、水凝胶半导体的发展展望

日前，相关论文以《具有增强生物交互功能的软性水凝胶半导体》（Soft hydrogel semiconductors with augmented biointeractive functions）为题发表在Science上，戴雅浩是第一作者，美国芝加哥大学王思泓教授担任通讯作者。目前，相关研究团队正在推动水凝胶半导体的应用，探索潜在的体相修饰的方法以及基于此的新的生物传感机理。

同时，他们也在尝试利用水凝胶半导体的光热和光电效应来开发用于伤口愈合和无线心脏起搏的新型器件。

然而，要实现水凝胶半导体材料的大规模应用，还面临着一些挑战。例如，为了实现材料的量产和商业化，需要进一步优化制备工艺，提高材料的产量和质量。此外，还需要开展长期稳定性和耐久性的研究，以确保该材料在实际应用中的可靠性和安全性。

但毋庸置疑的是，水凝胶半导体材料的问世为生物电子学领域带来了新的机遇和挑战。随着研究的深入和技术的不断发展，相信这种新型材料将在未来发挥更加重要的作用，为生物医学工程、可穿戴技术和人机交互界面等领域带来更加广泛和深入的应用，推动相关领域向着更高水平发展，为人类的健康和生活带来更多的福祉。

总之，水凝胶半导体作为一种创新的材料，融合了水凝胶和半导体的优势，在性能、应用等方面都展现出了巨大的潜力。它的出现是生物电子学领域的一次重要突破，未来的发展值得我们拭目以待。

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