芝加哥大学王思泓团队最新Science: 水凝胶半导体

水凝胶，以其水膨胀的三维（3D）聚合物网络为特征，具有柔软、富有弹性且水分充裕的特质，模拟了生物组织的机械和化学环境，使其成为与生物组织相互作用的最佳材料类型之一。凭借其出色的化学可调性和可控的多孔框架，水凝胶成为支持、治疗和与生物组织交流的多功能平台，能够实现广泛的生物界面应用，包括细胞培养、组织工程、药物输送、伤口敷料、生物刺激和生物监测。生物电子学这一新兴技术，借助电子学复杂多样的功能，以高精度和高分辨率来探测和编程生物学。生物电子学的发展核心在于实现组织与电子器件之间无缝、动态且持久的界面，为此，水凝胶可作为传统电子材料（例如导体、半导体）的替代品，用于形成与组织贴合的连接，抑制免疫反应，并促进物质传输。

为充分发挥水凝胶的这些能力，需要在水凝胶设计中融入电子和光电子功能。已有导电水凝胶的相关报道基于两种设计策略：一是导电聚合物 [主要是聚（3,4 - 乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐，即 PEDOT:PSS]的膨胀网络；二是含导电填料（如金属纳米填料或二维材料）的水凝胶复合材料。然而，此类导电水凝胶的生物电子功能仅限于基于电极的刺激和中等灵敏度的被动传感。相比之下，具有能带隙的半导体，能够实现更为丰富的电子和光电子功能，包括电荷传输调制、放大、光激发、光致和电致发光以及光催化。因此，赋予水凝胶半导体特性是实现无缝生物界面以获取更广泛的高级传感、刺激和成像功能的迫切需求。为实现具有高电子性能的半导体水凝胶，聚合物半导体无疑是形成高效电荷传输的连通三维网络的最可行选择。然而，现有聚合物半导体与水凝胶制备方法的不兼容性是目前的主要挑战。通常，水凝胶（包括导电水凝胶）是通过在水中对水凝胶前体（即单体或聚合物）进行化学或物理交联而形成，并保持高度水合状态。这样的过程要求水凝胶前体具有水溶性。但对于聚合物半导体而言，绝大多数现有设计仅能溶于有机溶剂。尽管已采用某些物理处理和化学修饰方法来实现水溶性，但它们通常要么牺牲电性能，要么限制了不同电子结构的可及性，以实现各种光电功能。因此，已报道的水凝胶半导体的电荷载流子迁移率不高于 0.25 cm²V⁻¹s⁻¹，其功能主要局限于晶体管。

近日，芝加哥大学王思泓研究团队在Science上发表了题为“Soft hydrogel semiconductors with augmented biointeractive functions”的论文，他们通过溶剂交换过程报道了水凝胶-半导体聚合物复合材料的设计、合成、表征及应用。他们将聚合物半导体 p(g2T - T)与用于形成水凝胶的单体丙烯酸在二甲亚砜中混合，经紫外光交联形成双网络结构。经水溶剂交换后，这种半导体水凝胶模量较低，同时保持了高电荷载流子传输性能，还具有器官顺应性和较低的异物反应。这些半导体的组织级模量软至81 kPa，拉伸率达150%，载流子迁移率高达1.4 cm² V⁻¹ s⁻¹。当它们与生物组织界面接触时，与组织相近的模量可以减轻免疫反应。水凝胶的高孔隙率增强了半导体-生物流体界面上的分子相互作用，从而实现了更高响应的光调节和更高灵敏度的体积生物传感。

图 1. 用于生物界面多模态应用的 Hydro-SC© 2024 AAAS

图 2. Hydro-SC 形成过程中的形态演变© 2024 AAAS

图 3. Hydro-SC 薄膜的电学和力学性能© 2024 AAAS

图 4. 用于减轻 FBR 和增强光调制效果的 Hydro-SCs© 2024 AAAS

图 5. 使用 Hydro-SC 薄膜的生物传感：具有更高灵敏度的体积传感和具有组织相似模量的水凝胶基 OECT 器件© 2024 AAAS

总之，该项工作针对水凝胶半导体的互穿双网络设计，将高性能半导体特性与类似组织的柔软度、高孔隙率和生物分子的高效传输相结合。水凝胶的特性提升了半导体在组织表面使用时的贴合性和免疫相容性。高孔隙率的形态，具有高的表面纵横比，也增强了生物电子功能，例如更强的光电化学和光热效应以实现光调制，以及更高灵敏度的生物传感。这些都是通过该项工作的溶剂交换处理方法实现的，该方法绕过了聚合物半导体的水处理需求。该方法适用于不同设计类型的氧化还原活性半导性聚合物，因此可以在需要不同能带结构和光电性能的不同基于半导体的功能上实现水凝胶设计。设想，能够模糊半导体与生物组织机械和化学界面的水凝胶半导体可以在将电子技术与基于水凝胶的生物医学技术相结合方面发挥核心作用。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp9314