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將生物相容性電子設備與活體生物組織集成可以實現生物研究和健康監測中高時空分辨率的生物信號實時測量。生物電子設備開發的首要目標是在傳感表面和組織之間實現舒適且穩定的接口。這需要設備具有柔軟和可拉伸的特性，以適應曲線組織表面，并結合電傳感表面和組織之間的穩定粘合。目前，可拉伸生物電子材料和器件的開發已取得一定進展。
關鍵問題
1、目前成功開發的生物電子設備只具有中等靈敏度的被動傳感對于需要電子材料對濕組織表面具有粘附性的界面結合，成功的例子僅限于導體，只能用于具有中等靈敏度的被動傳感。基于晶體管的有源傳感器件具有高放大、低工作電壓、與離子基生物傳感器的內在兼容性等優點，但需要與生物組織直接連接以進行有效信號轉導的半導體不能很好地與濕組織粘附，從而限制了界面處的穩定性和適形性。
新思路
有鑒于此，美國芝加哥大學王思泓教授等人報告了一種生物粘附聚合物半導體，通過由生物粘附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。所得的半導體薄膜可以與濕組織表面形成快速而強的粘附力，并且具有約1平方厘米每伏特每秒的高載流子遷移率、高拉伸性和良好的生物相容性。進一步制造完全生物粘附晶體管傳感器實現了在離體大鼠心臟和體內大鼠肌肉上產生高質量且穩定的電生理記錄。作者設計了一種刷式結構的生物粘附聚合物，用于與半導體聚合物形成雙網絡薄膜。所獲得的生物粘附半導體實現了完全生物粘附和可拉伸的OECT傳感器制造，并具有穩定粘合和內置信號放大的組織界面傳感。通過實驗表明BAP具有中等吸水率、互連的納米纖絲結構、更強、更強的附著力，界面韌性提高了40倍以上，可應用于各種濕組織。在OECT 器件中表征了BASC薄膜的電性能，表明BASC薄膜具有理想的半導體性能，高載流子遷移率、高響應速率以及更低的阻抗。4、證實了BASC薄膜的耐磨性、拉伸性和生物相容性作者通過實驗證實了BASC薄膜具有高耐磨性、高拉伸性和生物相容性，提升了通過可植入設備直接與生物組織連接的前景。5、開發了用于離體和體內電生理記錄的全生物粘附OECT傳感器作者設計并制造了一種基于OECT的傳感器，并展示了該傳感器在離體大鼠心臟心外膜心電圖(ECG)記錄、活體大鼠腓腸肌內側（GM）肌肉的皮下肌電圖（EMG）記錄中的應用。作者提出了生物粘附聚合物半導體（BASC）薄膜的設計，該薄膜可以在溫和的壓力下與生物組織形成牢固而快速的粘附，同時提供高載流子遷移率。作者進一步制造完全生物粘附晶體管傳感器實現了在離體大鼠心臟和體內大鼠肌肉上產生高質量且穩定的電生理記錄作者設計了一種刷式結構的生物粘附聚合物（BAP），用于與半導體聚合物形成雙網絡薄膜。這種生物粘附聚合物具有聚乙烯主鏈，具有長線性側鏈，并以受控比例封端有兩種類型的功能單元：羧酸(COOH)和 N-羥基琥珀酰亞胺 (NHS) 酯。為了在與半導體聚合物混合時使這些基團有效地暴露在薄膜表面上，一個關鍵創新是通過插入四乙二醇（TEG）結構來延長側鏈長度。通過原位聚合過程不僅解決了共溶性問題，而且還控制了相分離規模。所獲得的生物粘附半導體進一步實現了完全生物粘附和可拉伸的OECT傳感器制造，并實現具有穩定粘合和內置信號放大的組織界面傳感。
圖 用于基于電化學晶體管的組織界面的生物粘附聚合物半導體為了驗證當BASC 與組織表面接觸時，刷型BA 相開始吸收并去除組織表面的水分，首先研究了齊刷BAP的吸水和膨脹行為。結果表明BAP的中等吸水率有利于BASC 薄膜電性能的穩定性。原子力顯微鏡表明當BAP與p(g2T-T) 通過旋涂工藝混合形成BASC薄膜時，p(g2T-T)相自組裝成互連的納米纖絲結構。接下來，粘附行為研究表明BASC薄膜比純p(g2T-T)薄膜表現出更強、更強的附著力，界面韌性提高了40倍以上。BASC薄膜還可以應用于各種濕組織，包括心臟、皮膚和脾臟，具有高界面韌性、高剪切強度和高拉伸強度。
作者在OECT 器件中表征了BASC薄膜的電性能。開/關比為104的OECT 、傳輸曲線表明BASC薄膜具有理想的半導體性能，載流子遷移率接近1 cm2V?1s-1。對半導體薄膜的OECT響應速度的測量表明，與純p(g2T-T)薄膜相比，較高厚度的BASC薄膜不會導致對選通的響應變慢，因為離子可以在混合 BAP 中非常有效地傳輸。薄膜中p(g2T-T)相的鏈間堆積形態結果表明，與刷狀結構的 BAP共混幾乎完全抑制了長程結晶，從而降低了 p(g2T-T) 相的模量。雙網絡 BASC 設計比在界面處應用單獨的粘合劑具有更低的阻抗。
接著，作者研究了BASC薄膜的耐磨性、拉伸性和生物相容性。結果表明BASC薄膜經過1000次表面滑動循環后，在光學顯微鏡下的外觀和OECT裝置中的電氣性能基本保持完整。BASC薄膜也具有高拉伸性，這有利于曲線組織表面的順應性和組織變形下的穩定性。BASC 薄膜可以拉伸至100%應變而不會形成任何裂紋。此外，BASC 薄膜比 SEBS 具有更好的生物相容性，這進一步提升了通過可植入設備直接與生物組織連接的前景。體外細胞培養證實了薄膜的最小細胞毒性。
用于離體和體內電生理記錄的全生物粘附OECT傳感器作者設計并制造了一種基于OECT的傳感器，使用 BASC 薄膜作為半導體通道和氧化還原活性柵極。證明了OECT傳感器的生物粘附特性對離體大鼠心臟心外膜心電圖(ECG)記錄，通過按壓，生物粘附OECT可以方便地粘附到濕潤的心臟表面，并很好地適應心臟跳動，從而保持與心臟的空間穩定和舒適接觸。即使在外部機械擾動（例如拉動）下，仍然保持穩定的附著。作者還在活體大鼠腓腸肌內側（GM）肌肉的皮下肌電圖（EMG）記錄中展示了生物粘附OECT的體內使用，OECT也可以通過輕輕按壓形成穩定的粘附。在電刺激坐骨神經觸發腿部運動的過程中，可以穩定記錄每次刺激對應的肌電信號，而不受機械擾動（例如拉動）的影響。
圖 全生物粘附 OECT 傳感器及其用于體外和體內電生理記錄的用途
展望
總之，作者通過由生物粘附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，實現了生物粘附聚合物半導體。展示了完全生物粘附晶體管傳感器在離體大鼠心臟和體內大鼠肌肉上產生高質量且穩定的電生理記錄，證實了該技術的可行性。NAN LI, et al. Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces. Science, 2023, 381(6658): 686-693DOI: 10.1126/science.adg8758https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8758
