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8月11日，美國芝加哥大學王思泓教授團隊以“Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces”為題在Science報道了一種報生物粘附聚合物半導體，它通過由生物粘合刷聚合物和氧化還原活性半導體聚合物形成的雙網絡結構。

所得半導體薄膜可以與濕組織表面形成快速而強的粘附，同時具有1平方厘米/伏每秒的高電荷載流子遷移率，高拉伸性和良好的生物相容性。

同時，美國麻省理工學院趙選賀教授以“Tissue adhesive semiconductors”發表了重要的評論性文章，指出生物粘附半導體是改善生物電子設備的信號靈敏度、空間分辨率和手術工作流程的有前途的途徑。除半導體外，開發具有定制化學、機械、光學、聲學或熱性能的下一代生物粘合劑可以在廣泛的生物集成設備中取得重大進展，改變人類健康的監測和管理方式。

世界每年有超過1萬個生物電子設備被植入人體，用于監測和調節生理過程，例如用于調節心跳的心臟起搏器。同時，生物電子學的潛在應用已經擴展到眾多器官系統和病理學，有望提供精確的診斷和無藥物療法。然而，在生物電子設備和生物組織之間建立強大且高效的界面是一項關鍵挑戰。

傳統的生物電子設備固定方法，經常會造成組織損傷，并可能導致各種并發癥，包括出血、感染和異物反應（FBR）（涉及炎癥和纖維化）。

盡管已經證明薄膜生物電子學與組織能夠無縫合連接，但較弱的物理粘附和與其超薄幾何形狀相關的限制對其性能施加了限制。因此，生物粘附材料具有相當大的吸引力，它們能夠建立無創傷、保形和穩定的界面，從而促進安全、長期的傳感和刺激 。

值得注意的是，為了確保跨界面的有效信號傳輸，實現良好的電性能以及強大的粘合性能成為一項核心挑戰。以前開發用于生物電子設備的生物粘合劑的努力主要集中在將導電聚合物或填料摻入生物粘合劑聚合物網絡中，其已用作鈍化電極。然而，支撐電路中有源元件（例如晶體管）的半導體的集成在生物粘合劑中仍然相對未得到探索。

成果簡介

在此，美國芝加哥大學王思泓教授報道了一種生物粘附聚合物半導體（BASC），實現了器件組織整合的新策略。通過在雙網絡架構中結合半導體聚合物和生物粘合刷聚合物，BASC為制造柔軟的組織鍵合晶體管提供了一種有前途的工具，其即使在潮濕和不斷移動的組織上也能進行穩定和敏感的生物電記錄。

所得半導體薄膜可以與濕組織表面形成快速而強的粘附，同時具有1平方厘米/伏每秒的高電荷載流子遷移率，高拉伸性和良好的生物相容性。此外，進一步制造完全生物粘附的晶體管傳感器，能夠在分離的大鼠心臟和體內大鼠肌肉上產生高質量和穩定的電生理記錄。

相關文章以“Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces”為題發表在Science上。

4月6日，王思泓教授以題為“High-efficiency stretchable light-emitting polymers from thermally activated delayed fluorescence”在Nature Materials上發表了通過在聚合物主鏈的TADF單元之間嵌入軟的烷基鏈的策略，成功設計和合成了具有高發光效率的可拉伸聚合物的文章，其器件具有60%的拉伸性，這在其他文獻中幾乎沒有更好的性能了。

內容詳解

具體而言，氧化還原活性半導體聚合物用生物粘合劑刷聚合物旋涂，該聚合物包含聚乙烯主鏈，該主鏈裝飾有羧酸（COOH）和N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）酯基團官能化的長側鏈，這些官能團通過促進界面處的快速除水并實現聚合物與組織之間的靜電和共價相互作用，賦予濕組織快速而強大的粘附力。在長側鏈末端摻入這些官能團是確保充分暴露于組織表面的關鍵，從而克服了由半導體聚合物的長鏈引起的潛在障礙。

圖1.?電化學晶體管基組織界面的生物粘接劑聚合物半導體

所得的BASC薄膜與濕組織具有快速粘附（小于1分鐘）（界面韌性>20 J m^-2、剪切強度>7 kPa和拉伸強度>4 kPa），以及高電荷載流子遷移率（1 cm²V^-1s^-1）。

同時，BASC薄膜還具有高拉伸性（高達100%的應變，無開裂），這使它們能夠符合非平面組織表面并適應變形。實現植入設備長期功能的主要挑戰之一是FBR，它會產生干擾信號傳輸的纖維組織。

部分由于其柔軟的組織樣機械性能，BASC薄膜在皮下植入大鼠時會引起低水平的纖維化和FBR相關生物標志物，顯示出創傷縫合線和訂書釘的有希望的替代方案。

圖2.?BASC薄膜的粘附相關的性能

在考慮將生物電子設備與潮濕的動態組織集成時，BASC材料的優勢變得尤為明顯。在組織運動的情況下，縫合尤其具有挑戰性，并且需要長時間接觸才能形成粘附的粘合劑是不切實際的。

BASC可以通過施加不到一分鐘的輕壓來直接連接，這種高效的連接過程規避了與組織動力學相關的困難，并提高了信號讀出穩定性。

為了證明這一點，作者制造了基于BASC的有機電化學晶體管（OECT）器件，以記錄來自分離的大鼠心臟的離體外膜心電圖（ECG），以及來自大鼠腿部肌肉的體內肌電圖（EMG）。與使用縫合線或單獨的（非導電）粘合劑層連接的OECT設備相比，基于BASC的OECT表現出更高的記錄信號幅度和穩定性。

此外，與由導電聚合物組成的無源記錄設備相比，OECT提供的內置生物信號放大功能使其具有更高的記錄信號幅度。

圖3.?BASC薄膜的電學和結構表征

圖4.?BASC薄膜的耐磨性、拉伸性和生物相容性

圖5.?全生物粘附的OECT傳感器及其用于體外和體內的電生理記錄

此外，有幾個方面需要進一步研究，以充分發揮BASC材料的潛力。與最先進的生物粘合材料相比，BASC的粘合性能相對較弱，這可能對其在更苛刻的長期體內應用中的穩定性構成挑戰，例如體內ECG。

此外，檢查BASC的長期耐久性，電氣性能和生物相容性的綜合研究對于全面評估植入設備隨時間推移的性能及其臨床效用至關重要。盡管如此，生物粘附半導體是改善生物電子設備的信號靈敏度、空間分辨率和手術工作流程的有前途的途徑。

除半導體外，開發具有定制化學、機械、光學、聲學或熱性能的下一代生物粘合劑可以在廣泛的生物集成設備中取得重大進展，改變人類健康的監測和管理方式。

人物介紹

王思泓，芝加哥大學分子工程學院擔任助理教授，2009年本科畢業于清華大學，2014年于佐治亞理工學院獲得博士學位，師從王中林（Zhong Lin Wang）院士，并在2015-2018期間在斯坦福大學從事博士后研究，師從鮑哲南（Zhenan Bao）院士。截至目前，王思泓已經在Nature, Science, Nature Electronics, Matter, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials等高檔次期刊上發表超過70篇學術論文，被引用超過21000次，H-因子59。

1.Nan Li, Yang Li, Zhe Cheng, Youdi Liu, Yahao Dai, Seounghun Kang, Songsong Li, Naisong Shan, Shinya Wai, Aidan Ziaja, Yunfei Wang, Joseph Strzalka, Wei Liu, Cheng Zhang, Xiaodan Gu, Jeffrey A. Hubbell, Bozhi Tian, Sihong Wang*, Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces,?Science,?2023, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8758

2.Sarah J. Wu, Xuanhe Zhao, Tissue adhesive semiconductors, Science, 2023, https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adj3284

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/01/4937b8b7dd/

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