导读 连接电子元件和活体组织的理想材料是柔软、可拉伸的,并且和组织一样亲水——简而言之,就是水凝胶。另一方面,半导体是生物电子元件(如起...
连接电子元件和活体组织的理想材料是柔软、可拉伸的,并且和组织一样亲水——简而言之,就是水凝胶。另一方面,半导体是生物电子元件(如起搏器、生物传感器和药物输送设备)的关键材料,它坚硬、易碎且不亲水,不可能像传统的水凝胶那样溶解。
今天,芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (PME) 在《科学》杂志上发表的一篇论文解决了这一长期困扰研究人员的难题,重新构想了水凝胶的制造过程,以水凝胶形式构建出强大的半导体。在王思宏助理教授的研究小组的带领下,他们制造出一种蓝色凝胶,它像海蜇一样在水中飘动,但保留了在活体组织和机器之间传输信息所需的巨大半导体能力。
该材料表现出组织级模量高达 81 kPa 的柔软度、150% 应变的拉伸度和高达 1.4 cm2V-1s-1 的电荷载流子迁移率。这意味着他们的材料(同时是半导体和水凝胶)满足了理想生物电子界面的所有条件。
“在制造可植入生物电子设备时,你必须解决的一个挑战是制造具有类似组织的机械特性的设备,”新论文的第一作者戴亚豪说。“这样,当它直接与组织接触时,它们可以一起变形,并形成非常紧密的生物界面。”
尽管该论文主要关注生化传感器和心脏起搏器等植入式医疗设备所面临的挑战,但戴表示该材料还具有许多潜在的非手术应用,例如更好地读取皮肤数据或改善伤口护理。
“它具有非常柔软的机械性能和与活体组织相似的高水合度,”芝加哥大学工程与机械工程助理教授王思宏说道。“水凝胶还非常多孔,因此可以高效地扩散运输各种营养物质和化学物质。所有这些特性结合在一起,使水凝胶成为组织工程和药物输送最有用的材料。”