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水凝膠具有和生物組織相似的機(jī)械性能、含水量高和離子通透性好等特性，在組織工程、醫(yī)用敷料、生物傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。水凝膠與導(dǎo)電材料復(fù)合后，可以實(shí)現(xiàn)電子導(dǎo)電，展現(xiàn)出優(yōu)異的生物組織-電子器件界面特性，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種檢測(cè)、診斷和治療功能。但是和硅基電子器件相比，水凝膠電子器件因?yàn)槿鄙侔雽?dǎo)體水凝膠材料，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)豐富的集成電路功能，例如開關(guān)、整流、運(yùn)算、放大等。傳統(tǒng)的有機(jī)半導(dǎo)體材料難以實(shí)現(xiàn)水溶液加工，尚無(wú)法和傳統(tǒng)水凝膠復(fù)合，且無(wú)法在水溶液中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的半導(dǎo)體性能。

針對(duì)這些挑戰(zhàn)，北京大學(xué)雷霆課題組提出了半導(dǎo)體水凝膠設(shè)計(jì)策略，填補(bǔ)了傳統(tǒng)水凝膠材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)高性能電子電路的空白。他們通過(guò)將水溶性陽(yáng)離子共軛高分子用抗離子交聯(lián)或與其他水凝膠共混形成多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了兼具優(yōu)異機(jī)械性能、半導(dǎo)體性能、界面性能和生物相容性的半導(dǎo)體水凝膠（圖1）。他們基于半導(dǎo)體水凝膠首次實(shí)現(xiàn)了具有優(yōu)異開關(guān)特性的半導(dǎo)體水凝膠器件和邏輯電路，并實(shí)現(xiàn)了生物電信號(hào)的原位高信噪比放大。相關(guān)工作以“N-type Semiconducting Hydrogel”為題發(fā)表在Science上。

圖1半導(dǎo)體水凝膠的結(jié)構(gòu)、摻雜機(jī)理與器件性能：A）半導(dǎo)體水凝膠兼具傳統(tǒng)水凝膠和有機(jī)半導(dǎo)體的多種特點(diǎn)；B）高分子P(PyV)的抗離子交聯(lián)機(jī)理和電化學(xué)摻雜機(jī)理；C-E）由半導(dǎo)體水凝膠構(gòu)成的互補(bǔ)型邏輯電路及性能

P(PyV)高分子也可以與多種傳統(tǒng)水凝膠結(jié)合，構(gòu)筑多網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料（圖2A）。多網(wǎng)絡(luò)半導(dǎo)體水凝膠展現(xiàn)出良好的機(jī)械可拉伸性和生物粘附性。多網(wǎng)絡(luò)水凝膠也表現(xiàn)出和單網(wǎng)絡(luò)水凝膠可比擬的半導(dǎo)體性能，也可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)、邏輯門和信號(hào)放大等多種電路功能。

這些半導(dǎo)體水凝膠具有良好的生物相容性，因此可以直接用作生物電子器件與生物組織的界面。由半導(dǎo)體水凝膠構(gòu)成的反相器放大增益優(yōu)于傳統(tǒng)有機(jī)半導(dǎo)體邏輯器件，可實(shí)現(xiàn)小信號(hào)的放大，對(duì)于1-100 Hz交流小信號(hào)的輸入，最高增益值可達(dá)79倍。基于半導(dǎo)體水凝膠互補(bǔ)型信號(hào)放大器，作者實(shí)現(xiàn)了多種電生理信號(hào)，包括眼電、心電、腦電和小鼠大腦皮層信號(hào)的高信噪比放大（圖2B-D）。

圖2基于半導(dǎo)體水凝膠的生物電子應(yīng)用：A）多網(wǎng)絡(luò)水凝膠示意圖；B）心電、眼電測(cè)試示意圖及信號(hào)放大性能；C-D）小鼠原位腦電信號(hào)采集示意圖及結(jié)果

本研究首次實(shí)現(xiàn)高電學(xué)性能的半導(dǎo)體水凝膠的制備和電子器件應(yīng)用，其兼具有機(jī)半導(dǎo)體優(yōu)異的電學(xué)特性以及水凝膠獨(dú)特的機(jī)械和生物界面特性，擴(kuò)展了有機(jī)半導(dǎo)體和水凝膠材料的應(yīng)用范圍。利用半導(dǎo)體水凝膠可以構(gòu)筑豐富的邏輯電路。通過(guò)半導(dǎo)體水凝膠放大器的原位放大，使得微弱生物信號(hào)在引入噪聲之前被放大，顯著提高了信號(hào)的信噪比，為高效的生物信號(hào)采集提供了新的思路。

博士研究生李佩雲(yún)和孫文熙是該論文的共同第一作者，雷霆研究員是通訊作者。合作者包括清華大學(xué)的戴小川課題組、北京大學(xué)呂世賢課題組和國(guó)家納米中心朱嘉課題組。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市杰出青年基金、北京大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)，北京大學(xué)材料加工與測(cè)試中心，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院分子材料與納米加工實(shí)驗(yàn)室（MMNL）儀器平臺(tái)和上海光源等的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adj4397