水凝胶半导体材料问世，可作为理想生物电子界面
发布时间: 2024-10-28 17:30:11
科技日报北京10月27日电（记者张梦然）在最新一期《科学》上，美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院团队展示了界面生物电子学领域的新突破：他们创造出具有强大半导体功能的新型水凝胶材料。这种新型蓝色凝胶能够在水中像海蜇一样浮动，同时还具有出色的半导体功能，可实现生物组织与机器之间的信息传输。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院研究人员开发出了一种水凝胶，具有在活体组织和机器之间传输信息所需的半导体能力，既可用于植入式医疗设备，也可用于非手术应用。图片来源：芝加哥大学普利兹克分子工程学院
理想的用于连接电子组件和活体组织的材料应当是柔软、可拉伸且亲水的，类似于水凝胶。而半导体材料通常比较硬、脆且不亲水，无法像水凝胶那样在水中溶解。如果将半导体用于起搏器、生物传感器及药物递送装置等生物电子器件，这些缺点构成巨大障碍。
此次新材料展现出了高达81千帕的组织级模量、最大可达150%的拉伸性和高达1.4平方厘米/伏秒的载流子迁移率。这表明，这种既具有半导体特性，又具备水凝胶属性的材料，满足了作为理想生物电子界面的所有要求。
由于可植入生物电子设备与组织直接接触，所以要能随组织一同变形，从而形成高度紧密的生物界面。
传统的水凝胶制备方法是将某种材料溶解于水中，再加入使溶液变为凝胶状态。然而半导体材料通常都不溶于水。为此，团队开发了一种溶剂交换工艺。不是将半导体溶解在水中，而是将其溶解在与水混溶的有机溶剂里。接着，他们利用溶解的半导体和水凝胶前体来进行制备。
最初的产物是一种有机凝胶，团队再将整个材料体系浸泡在水中，使有机溶剂溶解并允许水渗入其中。最终得到的材料可以广泛应用于多种具有不同功能的聚合物半导体。
值得注意的是，与传统的水凝胶相比，这种新材料不仅改善了生物功能，还在多个方面表现出了超越单纯水凝胶或半导体材料的能力，实现了更好的综合效果。
这一研究目前主要将解决生化传感器和心脏起搏器等植入式医疗设备所面临的挑战，但其还有许多潜在的非侵入性应用，譬如更精确地读取皮肤数据、改善伤口护理等。该材料具有极其柔软的机械性能与高含水量，这些都与活体组织相似。同时，它还具有多孔性，这意味着还可以运输各种营养和化学物质。而当所有这些特性相结合，新型水凝胶就会成为组织工程和药物递送中最有用的材料之一。
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