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水凝胶由三维交联亲水聚合物网络组成，能够保留大量水分。与刚性无机材料和干聚合物相比，水凝胶的机械性能可进行广泛调整，以适应软骨、皮肤、肌肉和大脑等各种生物组织。水凝胶的结构也多种多样，易于改性，在生物功能工程中显示出卓越的多功能性。通过修饰不同的官能团，水凝胶可以表现出刺激响应性和诱人的界面特性。因此，水凝胶被广泛应用于传感器、致动器、涂层、声学探测器、光学和电子学领域。尽管具有这些优点，但由于缺乏半导体特性，水凝胶在电子学中的应用一直受到限制，传统上只能用作绝缘体或导体。

来自北京大学的雷霆团队开发了基于水溶性 n 型半导体聚合物的单网络和多网络水凝胶，赋予传统水凝胶以半导体功能。这些水凝胶显示出良好的电子迁移率和高导通/关断比，可用于制造低功耗、高增益的互补逻辑电路和信号放大器。本研究证明，具有良好生物粘附性和生物相容性界面的水凝胶电子器件可以感应和放大电生理信号，并提高信噪比。相关工作以题为“N-type semiconducting hydrogel”的文章发表在2024年05月02日的国际顶级期刊《Science》。

1. 创新型研究内容

【单网络半导体水凝胶的设计与制备】

本研究设想，如果能开发出半导体水凝胶，它们就能用来构建与传统半导体类似的电路，同时与组织保持良好的界面（图 1A）。水凝胶通常由交联的水溶性聚合物形成。然而，大多数半导体聚合物都不溶于水。虽然共轭聚合物的亲水性可以通过引入离子或乙二醇链来改善，但它们仍然需要溶解在酒精或氯化溶剂中。在共轭聚合物骨架中加入阳离子可以提高水溶性。本研究设计了一种 n 型水溶性半导体聚合物 P(PyV)，它的阳离子骨架含有氯化物反离子，没有任何侧链（图 1B）。本研究认为，无侧链的聚合物设计可以实现较高的电子性能，而离子骨架则为静电交联提供了可能性。通过密度泛函理论（DFT）计算，发现苯磺酸离子与聚合物骨架之间的结合能大于氯离子的结合能，这使得交换过程在热力学上是有利的。之所以选择 1,3-苯二磺酸钠（DBS）作为交联剂，是因为它是一种二价离子，而且体积小，对电子特性的影响最小。当 P(PyV)和 DBS 混合时，它们可以形成不溶于水的大块亲水网络（图 1C 和 F），这表明 P(PyV)是通过双离子的静电交联形成水凝胶的。

交联法有助于制备水凝胶薄膜。将 P(PyV)溶液旋涂在基底上，然后浸入 P(PyV)的正交溶剂 DBS 的二甲基亚砜（DMSO）溶液中，就能制备出 P(PyV)水凝胶[P(PyV)-H]薄膜。X 射线光子-电子能谱（XPS）结果显示，氯信号消失，硫信号出现，表明阴离子完全交换（图 1D）。紫外-可见-近红外光谱（UV-vis-NIR）证实了交联的 P(PyV)-H 的稳定性，表明即使长时间浸泡在水中，水凝胶仍然保持稳定（图 1E）。使用原子力显微镜（AFM）检查了 P(PyV)-H 的形态，图像显示交联过程并没有明显影响薄膜的形态。掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）显示，与原始薄膜相比，水凝胶的层间距和 π-π 堆垛间距略有增大。将块状水凝胶冷冻干燥，以研究其形态。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，P(PyV)-H 具有多孔结构，与原始 P(PyV) 薄膜和其他共轭聚合物形成鲜明对比（图 1F）。这些发现证实，P(PyV)-H 形成了稳定的三维多孔网络结构，类似于传统的水凝胶，可促进储水以及离子和分子的高效运输。

图1 基于 P(PyV) 的单网络半导体水凝胶

【P(PyV)-H 的半导体特性】

为研究水凝胶的电化学特性，进行了光谱电化学研究。在电化学还原过程中，一些阴离子离开了 P(PyV)-H，从而产生了 n 掺杂水凝胶，原始聚合物的吸收带（400 至 500 纳米）减少，而极子吸收带（500 至 800 纳米）增加。极子带的形成得到了化学掺杂实验和 DFT 计算的支持。为评估 P(PyV)-H 的半导体特性，使用了有机电化学晶体管（OECTs）（图 2）。有机电化学晶体管可以在水溶液中以较低的工作电压（通常小于 1 V）工作。水凝胶基 OECTs 的基准值 μC*（其中 μ 是电子迁移率，C* 是体积电容）随着交联时间的延长先是略微增加，然后减小。因此，选择 5 分钟作为交联时间，用于进一步的器件制造和表征。P(PyV)-H 显示了 n 型 OECT 性能，其 μC* 值高达 120 F cm-1 V-1 s-1（112 ± 6 F cm-1 V-1 s-1），导通/关断比大于 107，响应时间（τon/τoff）为 1.58/0.18 ms（图 2B 至 D）。

为了评估 P(PyV)-H 的集成能力，制作了互补逆变器和逻辑电路（图 2A）。由于缺乏增强型 p 型半导体水凝胶，在本研究中使用了 p 型 OECT 材料 P(lgDPP-MeOT2)。当互补逆变器的电源电压（漏极电压；VDD）设为 0.8 V，输入电压（Vin）从 0 V 扫到 0.8 V 时，获得了 250 的高增益值（∂V0ut/∂Vin）（图 2E），超过了已报道的 OECT 和有机场效应晶体管（OFET）的值。该逆变器能效高，功耗小于 1 μW。通过引入两级反相器，增益可进一步提高到 385，功耗仍保持在 1 μW 左右。利用四个晶体管构建的 NAND 和 NOR 电路显示了正确的逻辑功能，证明了利用半导体水凝胶构建集成电路的潜力（图 2F 至 H）。与基于 OFET 和其他 OECT 的反相器相比，基于水凝胶的互补反相器显示出低工作电压和高增益（图 2I）。生物电信号的振幅通常非常小，因此必须使用复杂的采集和放大电路进行检测，这给可穿戴式监测这些信号带来了挑战。利用互补反相器，可以为低振幅生物信号构建高效的信号放大器（图 2J）。本研究的水凝胶放大器可实现 1 到 100 Hz 的信号放大功能（图 2K）。当输入 1 毫伏正弦信号时，放大率在 1 赫兹时可达到 79。

图2 P(PyV)-H 的半导体特性

【多网络半导体水凝胶的制备与性能】

P(PyV)-H 还可以与其他成熟的水凝胶混合，形成具有更强机械性能和良好生物粘性的多网水凝胶（MNH）（图 3A 和 B）。图3中展示了两种 MNH 系统。每个系统都包含三种聚合物网络：长链聚合物网络[聚丙烯酰胺（PAM）或聚丙烯酸（PAA）]、生物聚合物网络[聚乙烯醇（PVA）或明胶]和半导体聚合物网络[P(PyV)]。这两种 MNH 都是在水溶液中通过热聚合和交联合成的。MNH-1 含有 PAM 和 PVA，具有高拉伸强度和吸湿性；而 MNH-2 含有 PAA、明胶、甲基丙烯酸明胶（gelMA）和丙烯酸 N-羟基琥珀酰亚胺酯（AAc-NHS 酯），具有高拉伸性和良好的生物界面粘附性。MNHs 的含水量为 60% 至 70%，高于纯 P(PyV)-H（约 40%）。拉伸试验表明，MNHs 具有很高的拉伸性，断裂应变大于 100%。添加少量 P(PyV) 后，断裂应力急剧增加，因为 P(PyV) 比传统水凝胶更硬。随着 P(PyV) 的进一步增加，断裂应力基本保持不变，但断裂应变逐渐减小（图 3C 和 D）。先前的研究报告指出，含有 PAA、明胶、gelMA 和 AAc-NHS 的水凝胶具有优异的生物粘附性。MHN-2 在猪皮肤上表现出良好的界面韧性（约 100 J m-2）和剪切强度（25 kPa）（图 3E）。多重聚合物网络和成分的存在并未明显影响 P(PyV) 聚合物网络的半导体特性。不同比例的 MNH-1 和 MNH-2 都能表现出与纯 P(PyV)-H 相当的良好半导体特性（图 3G 和 H）。

基于 MNH-2 的装置在附着于各种小鼠组织（如脑组织和皮肤组织）时显示出更强的生物粘性（图 3F）。这些结果表明，本研究的半导体水凝胶在保持出色电子性能的同时，还能整合传统水凝胶更多吸引人的特性。在氯化钠溶液中超声处理 1 小时后，MNH-2 器件的性能基本保持不变，而 PEDOT:PSS/GOPS 和原始 P(PyV)-H 器件的性能则急剧下降。本研究还构建了基于 MNH-2（8.6 wt %）的逆变器。这些器件显示出与基于纯半导体水凝胶的逆变器相似的放大特性。最大增益为 279（图 3I），功耗小于 3 μW。信号放大功能在低频时良好，但在高频时逐渐减弱。此外，该器件还具有良好的运行稳定性，其放大特性在长时间运行时基本保持不变（图 3J）。

图3 多重网络水凝胶的制备和特性

【用于生物信号放大的半导体水凝胶】

这些半导体水凝胶出色的半导体性能促使我们对其生物电子应用进行研究。通过使用人类角质细胞（HaCaTs）进行细胞活力测试，本研究评估了水凝胶的生物相容性。与带有亲水或疏水侧链的传统共轭聚合物相比，半导体水凝胶显示出较低的细胞毒性和出色的生物相容性（图 4A），这可能是由于它们的水可加工性和高含水量特性。因此，本研究的半导体水凝胶可能适合体内应用。传统的金属电极，如金（Au），由于其离子传导能力有限，在水溶液中通常会表现出明显较大的界面阻抗。利用 P(PyV)-H 的高容积容量（485 F cm-3），能够有效降低金电极的阻抗。此外，导电电极或涂有导电聚合物的电极通常用于记录电生理信号，但由于缺乏现场信号放大，其信噪比（SNR）有限。单个晶体管已被用于放大生物信号。然而，其电流输出特性与现有的电生理测量电压记录设备不兼容，阻碍了其应用。

本研究使用基于 P(PyV)-H 和 MNH-2 的变频放大器来放大眼电图（EOG）和心电图（ECG）信号。结果表明，使用商用凝胶电极测量的眼电图信号振幅低于 1 mV。相比之下，基于 P(PyV)-H 的放大器记录的电压超过 200 mV（图 4B）。捕获心电信号时，基于 MNH-2 和 P(PyV)-H 的放大器都显示心前区导联 V2 心电信号的典型 P-QRS-T 波模式（图 4B）。与商用凝胶电极相比，水凝胶放大器产生的输出信号高出 40 倍。因此，使用半导体水凝胶构建的电路可以同时捕获和放大电生理信号。为证明基于 MNH-2 的放大器的信噪比优势，还制作了一个小尺寸放大器[通道宽度/长度 (W/L) = 10/10 μm]和一个尺寸相当的金电极（10 x 30 μm）。尽管存在噪声，放大器的原始数据仍能描绘出具有清晰 PQR 波的心电信号，信噪比为 4.23 ± 0.37 dB，而金电极采集的心电信号则被噪声淹没，信噪比接近 0 dB。对不同频率的心电信号采用不同的补偿系数，可纠正因不同频率的放大而造成的失真。

图4 半导体水凝胶放大器的应用

2. 总结与展望

本研究认为，在不同类型的电信号测量中观察到的不同放大率主要有三个因素。首先，缓慢的离子迁移率使得信号幅度高度依赖于信号频率。不同电生理信号的频率差异会影响设备的放大率。其次，不同生物体的界面阻抗不同，会影响装置上的压降，从而影响装置的放大率。最后，不同生物组织（如脑脊液和人体汗液）的离子浓度不同，也会影响装置的性能。本研究开发了基于水溶性 n 型阳离子半导体聚合物的单网络和多网络水凝胶。这种水凝胶具有优异的 n 型半导体特性，可用于构建逻辑电路和放大器。半导体水凝胶具有良好的生物相容性、机械特性、生物粘附性和半导体特性。半导体水凝胶可有效放大生物电子学中的各种电生理信号。

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