芝加哥大学王思泓教授团队 Science: 用于紧密生物界面的生物粘附聚合物半导体和晶体管

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. 用于基于电化学晶体管的组织界面的生物粘附性聚合物半导体。

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 cm ² V ^-1 s ^-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. 生物粘附性聚合物半导体（BASC）薄膜的粘附相关性质。

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。  

当聚合物半导体与生物组织接触时，其耐磨性、可拉伸性和生物相容性，对界面和功能的坚固性和长期稳定性很重要。研究人员使用一块聚四氟乙烯(PTFE)覆盖的玻璃在1kPa的压力下在BASC薄膜上来回滑动。 在这种表面滑动1000次后，光学显微镜下观察到BASC膜的外观和OECT装置中的电学性能基本保持完整。 为了更好地模拟器械植入过程中的磨损，研究人员使用猪皮进行了比较，得出了类似的趋势。 此外，BASC膜具有良好的拉伸性能，研究人员从光学显微镜和AFM图像中观察到该薄膜可以拉伸到100%应变而不会形成任何裂纹。 该薄膜除具有良好的机械性能外，生物相容性也非常优异。 众所周知，当设备与组织连接时，异物响应(FBR)是限制寿命的主要因素之一，这受植入物的力学模量和表面化学成分的影响。 因此，研究人员通过在SEBS底物 的两侧覆膜，并将其植入小鼠皮下进行研究。 研究结果表明，BASC膜比SEBS具有更好的生物相容性，这进一步提高了通过可植入装置直接与生物组织接触的希望。 此外，体外细胞培养证实了该膜的最小细胞毒性。

图4. BASC薄膜的耐磨性、可伸缩性和生物相容性。

图5. 完全生物粘附的OECT传感器及其在离体和体内电生理记录中的应用。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8758

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