芝加哥大學的科學家們開發(fā)出一種新型凝膠材料，既具備傳輸信息的半導(dǎo)體功能，又能在活體組織和機器之間構(gòu)建穩(wěn)固連接。這一創(chuàng)新為生物電子學領(lǐng)域開辟了廣闊前景，或?qū)⑼苿悠鸩骱推渌踩胧皆O(shè)備的發(fā)展。

芝加哥大學普利茲克分子工程學院的研究表明，這種新材料或可用于改進腦機接口、生物傳感器和心臟起搏器等設(shè)備。理想的生物電子接口材料應(yīng)當柔軟、可拉伸，并與人體組織一樣具有親水性，因此水凝膠被認為是最佳候選材料。然而，用于制造生物電子設(shè)備的核心材料——半導(dǎo)體——傳統(tǒng)上卻表現(xiàn)出剛硬、易碎且疏水的特性。

在《科學》期刊上發(fā)表的芝加哥大學普利茲克分子工程學院的研究論文解決了這一長期以來困擾研究人員的難題。研究成果是一種呈藍色的凝膠材料，在水中如海蜇般輕盈飄動，但保留了傳遞信息所需的半導(dǎo)體功能。這種材料即是半導(dǎo)體，又是水凝膠，完全滿足理想生物電子接口的要求。

“在制造植入式生物電子設(shè)備時，一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是使設(shè)備具備類似組織的機械特性，”該論文的第一作者亞豪·戴指出。“這樣，材料與組織直接接觸時可以共同變形，從而形成更緊密的生物界面?！?/p>

雖然研究主要聚焦于植入式醫(yī)療設(shè)備（如生物化學傳感器和起搏器）面臨的挑戰(zhàn)，但戴表示，該材料還具有許多潛在的非手術(shù)應(yīng)用，如更精準的皮膚檢測和優(yōu)化傷口護理。

“這種材料具備非常柔軟的機械性能，并且擁有與活體組織相似的水合作用。” 芝加哥大學普利茲克分子工程學院助理教授王思紅（Sihong Wang）說道，其實驗室主導(dǎo)了該項研究?！八z的多孔結(jié)構(gòu)也有助于營養(yǎng)和化學物質(zhì)的高效傳輸，這些特性使水凝膠成為組織工程和藥物輸送中的理想材料。”

重新思考的視角

傳統(tǒng)的水凝膠制備方法通常是將材料溶解在水中，并添加凝膠化學物質(zhì)使其形成凝膠結(jié)構(gòu)。有些材料能夠直接溶解于水，而其他則需要經(jīng)過化學調(diào)整才能適應(yīng)這一過程。但其基本原理一致：沒有水就無法形成水凝膠。

然而，半導(dǎo)體材料通常不易溶于水。與其通過復(fù)雜方法強行改變半導(dǎo)體材料的屬性，芝加哥大學團隊另辟蹊徑，采用一種溶劑交換工藝重新審視這一問題。

“我們開始轉(zhuǎn)換思路，考慮通過溶劑交換來實現(xiàn)這一過程?！贝鹘忉尩?。

團隊沒有試圖將半導(dǎo)體溶解在水中，而是選擇了一種可與水混溶的有機溶劑。通過這種方法，他們成功將溶解的半導(dǎo)體和水凝膠前體制備成凝膠。該方法不僅適用于多種不同功能的聚合物半導(dǎo)體，還具有廣泛的適用性。

“一加一大于二”

該團隊已為這種水凝膠半導(dǎo)體材料申請專利，并通過芝加哥大學的Polsky創(chuàng)業(yè)與創(chuàng)新中心推動其商業(yè)化。該材料并非將半導(dǎo)體和水凝膠簡單復(fù)合，而是一個同時具有半導(dǎo)體和水凝膠特性的整體材料。

“這種材料既具備半導(dǎo)體功能，也擁有水凝膠的特性，整體結(jié)構(gòu)類似于其他水凝膠材料?！蓖跛技t表示。

不過，與其他水凝膠不同的是，這種新材料在兩個方面顯著提升了生物功能，使得其效果超越了傳統(tǒng)水凝膠或半導(dǎo)體材料。

首先，材料的柔軟性與組織直接結(jié)合，減少了植入醫(yī)療設(shè)備時通常產(chǎn)生的免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)。

其次，由于水凝膠結(jié)構(gòu)具有高度多孔性，該材料增強了生物傳感和光調(diào)制響應(yīng)。生物分子可以擴散進入薄膜與材料相互作用，從而增加了生物標志物檢測的相互作用位點，顯著提升了靈敏度。此外，由于分子傳輸效率的提高，該材料在組織表面進行光療治療時的響應(yīng)更為迅速。此項特性為光控起搏器或可加熱促進愈合的傷口敷料提供了更優(yōu)的治療效果。

“這就是所謂的‘一加一大于二’的效果?！蓖跣Φ馈?/p>