王思泓教授团队，今日重磅Science！

8月11日，美国芝加哥大学王思泓教授团队以“Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces”为题在Science报道了一种报生物粘附聚合物半导体，它通过由生物粘合刷聚合物和氧化还原活性半导体聚合物形成的双网络结构。

所得半导体薄膜可以与湿组织表面形成快速而强的粘附，同时具有1平方厘米/伏每秒的高电荷载流子迁移率，高拉伸性和良好的生物相容性。

同时，美国麻省理工学院赵选贺教授以“Tissue adhesive semiconductors”发表了重要的评论性文章，指出生物粘附半导体是改善生物电子设备的信号灵敏度、空间分辨率和手术工作流程的有前途的途径。除半导体外，开发具有定制化学、机械、光学、声学或热性能的下一代生物粘合剂可以在广泛的生物集成设备中取得重大进展，改变人类健康的监测和管理方式。

世界每年有超过1万个生物电子设备被植入人体，用于监测和调节生理过程，例如用于调节心跳的心脏起搏器。同时，生物电子学的潜在应用已经扩展到众多器官系统和病理学，有望提供精确的诊断和无药物疗法。然而，在生物电子设备和生物组织之间建立强大且高效的界面是一项关键挑战。

传统的生物电子设备固定方法，经常会造成组织损伤，并可能导致各种并发症，包括出血、感染和异物反应（FBR）（涉及炎症和纤维化）。

尽管已经证明薄膜生物电子学与组织能够无缝合连接，但较弱的物理粘附和与其超薄几何形状相关的限制对其性能施加了限制。因此，生物粘附材料具有相当大的吸引力，它们能够建立无创伤、保形和稳定的界面，从而促进安全、长期的传感和刺激 。

值得注意的是，为了确保跨界面的有效信号传输，实现良好的电性能以及强大的粘合性能成为一项核心挑战。以前开发用于生物电子设备的生物粘合剂的努力主要集中在将导电聚合物或填料掺入生物粘合剂聚合物网络中，其已用作钝化电极。然而，支撑电路中有源元件（例如晶体管）的半导体的集成在生物粘合剂中仍然相对未得到探索。

成果简介

在此，美国芝加哥大学王思泓教授报道了一种生物粘附聚合物半导体（BASC），实现了器件组织整合的新策略。通过在双网络架构中结合半导体聚合物和生物粘合刷聚合物，BASC为制造柔软的组织键合晶体管提供了一种有前途的工具，其即使在潮湿和不断移动的组织上也能进行稳定和敏感的生物电记录。

所得半导体薄膜可以与湿组织表面形成快速而强的粘附，同时具有1平方厘米/伏每秒的高电荷载流子迁移率，高拉伸性和良好的生物相容性。此外，进一步制造完全生物粘附的晶体管传感器，能够在分离的大鼠心脏和体内大鼠肌肉上产生高质量和稳定的电生理记录。

相关文章以“Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces”为题发表在Science上。

4月6日，王思泓教授以题为“High-efficiency stretchable light-emitting polymers from thermally activated delayed fluorescence”在Nature Materials上发表了通过在聚合物主链的TADF单元之间嵌入软的烷基链的策略，成功设计和合成了具有高发光效率的可拉伸聚合物的文章，其器件具有60%的拉伸性，这在其他文献中几乎没有更好的性能了。

内容详解

具体而言，氧化还原活性半导体聚合物用生物粘合剂刷聚合物旋涂，该聚合物包含聚乙烯主链，该主链装饰有羧酸（COOH）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）酯基团官能化的长侧链，这些官能团通过促进界面处的快速除水并实现聚合物与组织之间的静电和共价相互作用，赋予湿组织快速而强大的粘附力。在长侧链末端掺入这些官能团是确保充分暴露于组织表面的关键，从而克服了由半导体聚合物的长链引起的潜在障碍。

图1. 电化学晶体管基组织界面的生物粘接剂聚合物半导体

所得的BASC薄膜与湿组织具有快速粘附（小于1分钟）（界面韧性>20 J m^-2、剪切强度>7 kPa和拉伸强度>4 kPa），以及高电荷载流子迁移率（1 cm²V^-1s^-1）。

同时，BASC薄膜还具有高拉伸性（高达100%的应变，无开裂），这使它们能够符合非平面组织表面并适应变形。实现植入设备长期功能的主要挑战之一是FBR，它会产生干扰信号传输的纤维组织。

部分由于其柔软的组织样机械性能，BASC薄膜在皮下植入大鼠时会引起低水平的纤维化和FBR相关生物标志物，显示出创伤缝合线和订书钉的有希望的替代方案。

图2. BASC薄膜的粘附相关的性能

在考虑将生物电子设备与潮湿的动态组织集成时，BASC材料的优势变得尤为明显。在组织运动的情况下，缝合尤其具有挑战性，并且需要长时间接触才能形成粘附的粘合剂是不切实际的。

BASC可以通过施加不到一分钟的轻压来直接连接，这种高效的连接过程规避了与组织动力学相关的困难，并提高了信号读出稳定性。

为了证明这一点，作者制造了基于BASC的有机电化学晶体管（OECT）器件，以记录来自分离的大鼠心脏的离体外膜心电图（ECG），以及来自大鼠腿部肌肉的体内肌电图（EMG）。与使用缝合线或单独的（非导电）粘合剂层连接的OECT设备相比，基于BASC的OECT表现出更高的记录信号幅度和稳定性。

此外，与由导电聚合物组成的无源记录设备相比，OECT提供的内置生物信号放大功能使其具有更高的记录信号幅度。

图3. BASC薄膜的电学和结构表征

图4. BASC薄膜的耐磨性、拉伸性和生物相容性

图5. 全生物粘附的OECT传感器及其用于体外和体内的电生理记录

此外，有几个方面需要进一步研究，以充分发挥BASC材料的潜力。与最先进的生物粘合材料相比，BASC的粘合性能相对较弱，这可能对其在更苛刻的长期体内应用中的稳定性构成挑战，例如体内ECG。

此外，检查BASC的长期耐久性，电气性能和生物相容性的综合研究对于全面评估植入设备随时间推移的性能及其临床效用至关重要。尽管如此，生物粘附半导体是改善生物电子设备的信号灵敏度、空间分辨率和手术工作流程的有前途的途径。

除半导体外，开发具有定制化学、机械、光学、声学或热性能的下一代生物粘合剂可以在广泛的生物集成设备中取得重大进展，改变人类健康的监测和管理方式。

人物介绍

王思泓，芝加哥大学分子工程学院担任助理教授，2009年本科毕业于清华大学，2014年于佐治亚理工学院获得博士学位，师从王中林（Zhong Lin Wang）院士，并在2015-2018期间在斯坦福大学从事博士后研究，师从鲍哲南（Zhenan Bao）院士。截至目前，王思泓已经在Nature, Science, Nature Electronics, Matter, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials等高档次期刊上发表超过70篇学术论文，被引用超过21000次，H-因子59。

1.Nan Li, Yang Li, Zhe Cheng, Youdi Liu, Yahao Dai, Seounghun Kang, Songsong Li, Naisong Shan, Shinya Wai, Aidan Ziaja, Yunfei Wang, Joseph Strzalka, Wei Liu, Cheng Zhang, Xiaodan Gu, Jeffrey A. Hubbell, Bozhi Tian, Sihong Wang*, Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces, Science, 2023, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8758

2.Sarah J. Wu, Xuanhe Zhao, Tissue adhesive semiconductors, Science, 2023, https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adj3284

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王思泓教授团队，今日重磅Science！

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