科学家研发具有生物粘性的半导体材料，电学性能可媲美传统材料，兼具高拉伸性和生物相容性
南京大学校友、美国芝加哥大学博士李楠，在读博尾声即博士五年级的时候，终于迎来一篇重要论文的发表，并且还是发在 Science 上。
图 | 李楠（来源：李楠）
研究中，他和所在团队造出一款生物粘性半导体材料，这是一款面向微创生物电子医学领域的有机生物电子材料。
该材料兼具快速稳定的粘附性能、以及较高的半导体性能，它能赋予半导体材料以生物粘附特性，从而可以极大促进以晶体管为代表的先进电子技术与生物组织的连接，进而能够释放诸多功能比如简单而快速的附着、舒适且长期稳定的接触、较低的界面阻抗、实现空间分辨甚至高分辨率记录。
毫无疑问，该材料十分有助于生物电子器件的发展和应用，在生物器官或与水下生物的结合上预计可以实现更多应用。
（来源：Science）
新型高分子半导体材料，难在哪里？
相比传统基于硅的硬质电子器件，柔性电子具有模量更低、以及可弯折的优势，故被认为能与软体生物组织实现更好的贴合，并能提供更好的舒适性。
柔性电子的目标之一在于：需要在每一个组分上采用柔性材料比如高分子材料。从功能材料角度来看，共轭高分子在化学结构上具有丰富的可设计性，故能带来出色的光电性质。同时，其还具有溶液的加工性。
目前，该类材料已能实现与多晶硅相匹配的良好载流子迁移率，并且在高于 30% 甚至 100% 的机械拉伸情况之下，依然表现出损耗较少的电学性能，因此在力学性质上可以更好地匹配生物组织。
共轭高分子分为导电材料和半导体材料。其中，高分子半导体主要用于制造晶体管，晶体管是一种三电极体系的电子元器件，可被用于复杂电路的设计。
出于溶液加工性的要求，除了共轭高分子骨架之外，这类材料通常需要比较长的侧链结构例如碳链。在相关化学工具的帮助之下，该类材料能够实现丰富的可修饰空间。
最近，学界通过在侧链结构引入偏极性的寡聚乙二醇，让上述材料可以同时实现电荷传输和离子传输。借助这类材料制造的晶体管，可以在电解质溶液之下进行工作，因此这类晶体管也被称之为有机电化学晶体管（OECT，Organic electrochemical transistor）。
该类晶体管依赖于从电解质溶液注入有机薄膜的离子，通过改变其掺杂状态，从而改变其电导率。在这个过程之中，离子注入通道由栅极电压所控制。
凭借较小的工作电压、较大的体相电容、混合电荷-离子传导的特点、以及晶体管本身带来的放大效应，当有机电化学晶体管与生物组织整合之后，可被用于检测生理电信号和化学信号。
然而，考虑到生物体系的复杂性例如动态收缩伸张、柔软脆弱、以及粗糙湿润表面，要想让电子器件和生物界面进行紧密结合，从而实现稳定的生理信号检测依旧不是一件易事。
仅仅依靠范德华力或毛细力，无法给湿润的组织表面提供稳定的接触。而针对薄膜电子器件采用手术缝线的传统方式，依然无法满足检测界面的良好贴合。利用胶水粘结的方式固然可以提供一些可能性，但是依然存在增加界面电阻、以及削弱生理信号强度的问题。
因此，最理想的方式是发展一种新型高分子半导体材料，既能实现和生物组织的稳定粘合，又能保持高的半导体性能。然而，要想实现这一目标至少有两座“大山”需要跨越。
一方面，实现生物粘附性需要足够的柔软度、以及一定的吸水性，以便达到较好的物理贴合。同时，也需要和组织表面实现足够的共价化学键以便达到稳定的化学贴合。对于目前的高分子半导体材料来说，它们根本无法做到。
另一方面，已被发展出来的生物粘性材料基本都是水溶性的，并且具有较高的溶胀，这对于半导体材料的加工、以及维持稳定的电学性质都是不小的挑战。
（来源：Science）
电学性能媲美原始半导体材料
为了解决柔性生物电子领域面临的上述挑战，即实现紧密稳定的电子器件-组织界面。李楠围绕高分子半导体材料，从材料设计的角度出发力图寻求解决办法。期间，涉及到化学、材料、电学、生物等多方面的实验。
在材料设计的策略上，他曾经历反复探索、重新认识、再次探索的循环过程。一开始，他发现无论是从半导体材料本身开展设计，还是采用材料表面处理的方式，都无法实现在生物组织上的粘合。
而当利用传统的具有粘合性质的材料，依然实现不了足够的粘附性，并且会面临严重的溶胀问题。
（来源：Science）
后来，他和同事意识到必须设计新的粘合材料，只有这样才能适应高分子半导体独特的化学结构。而后，通过在官能团之间引入适当链长的聚乙二醇结构，他们发展出一种新策略：即利用刷状粘性高分子，来增强半导体生物粘性的策略。
实验结果证明这一策略可以有效解决上述挑战：既能增加化学粘性官能团的表面暴露，又能在引入吸水性的同时对体积溶胀率进行抑制。
另据悉，对半导体粘附性开展一系列的测试，是本次课题的重要部分。期间，他们使用不同的合成材料和生物组织材料，详细探索了半导体材料的粘附性。
实验结果显示：相比原始的半导体材料，此次开发的粘性半导体材料，在界面韧性、剪切强度、拉伸强度等方面均实现了显著提升。
（来源：Science）
进一步地，他们对材料结构和材料性能之间的关系加以研究，结果发现该材料可以有效保持电荷传输的方式。同时，其还还表现出良好的耐磨损性、高达 100% 可拉伸性以及优异的生物相容性，这证明其具备用于生物组织的潜力。
为了展示本次半导体材料的应用前景，课题组进行了一系列活体实验。他们先是设计并制造了一种电化学晶体管，结果表明该半导体材料能够实现和原始半导体材料相似的电学性能，同时兼具生物粘附性和可拉伸性。
后又通过与其他科研团队的合作，在离体心脏和活体肌肉组织上开展了针对电生理信号的测试、以及对照测试。
测试结果显示基于生物粘性半导体的电化学晶体管，可以实现紧密稳定的组织表面有效粘合，在外界机械干扰的情况下依然可以稳定地采集信号。与之对照的是，普通的电化学晶体管则表现出极大的噪音，并且会出现信号消失的情况。至此，研究正式宣告完成。
前不久，相关论文以《用于紧密生物界面的生物粘附聚合物半导体和晶体管》（）为题发在 Science[1]，李楠是第一作者，芝加哥大学教授担任通讯作者。
（来源：Science）
如前所述，李楠是南大校友，其本科毕业于该校的化学化工学院。其表示：“我从大二开始进入实验导师课题组的接受科研训练。导师以及师兄对于本科生负责且信任的态度，让我感受了做科研的动力和乐趣，我也逐渐喜欢上动手解决问题的过程。在院系老师的关爱以及自己的努力下，最终以专业第一名的成绩毕业，也因此产生了留学深造的想法。”
后来，李楠加入芝加哥大学化学系学习，师从教授。过去几年该团队曾多次在顶刊发论文，本人也是《麻省理工科技评论》2020 年度全球“35 岁以下科技创新 35 人”榜单的上榜人物，在材料领域有着多年的积累。
在留学读博期间，李楠开始领会到交叉学科的魅力。这几年，他主要围绕电子器件与生物界面的问题开展研究，包括设计具有代谢物检测、生物粘性以及生物相容性的新型半导体材料。
基于本次 Science 论文，他和同事打算研究具有生物粘附的半导体材料，以期针对粘附过程产生更详细的理解，同时也将开展更广泛的生物应用。