晶体管是现代电子器件的基础，传统上是刚性的、平面的和二维的(2D)，限制了它们与生物系统的柔软、不规则和三维(3D)特性的集成。
2025年11月20日，香港大学张世明、英国剑桥大学George G. Malliaras共同通讯在Science在线发表题为“Increasing the dimensionality of transistors with hydrogels”的研究论文，该研究提出了一种基于水凝胶的三维半导体，成功将有机电子学、软物质与电化学相结合。
这些3D半导体以水凝胶的形式实现了毫米级的调制厚度，同时实现了组织样的柔软性和生物相容性。这种调制厚度的突破是通过模板化的双网水凝胶系统实现的，其中次级多孔水凝胶引导初级氧化还原活性导电水凝胶的3D组装。研究证明，这些3D半导体能够独家制造模拟真实神经元连接的3D空间互穿晶体管。这项工作弥合了2D电子学和3D生命系统之间的差距，为先进的生物电子学系统铺平了道路，如生物混合传感和神经形态计算。
晶体管是现代电子器件的基础构件，通过不断变小、加速和集成推动计算性能提升。然而，随着晶体管微缩接近物理和技术极限，传统设计受到越来越多的约束。与此同时，新兴领域如生物电子学正在探索与生物系统整合的全新范式，以实现变革性应用，包括生物混合传感和类神经计算。这些系统承诺低功耗、高效率以及新功能，但电子学与生物学之间的无缝集成仍然具有挑战性。
核心问题在于传统晶体管与生物系统之间的根本性不匹配。传统晶体管为刚性、平面化且本质上为二维结构，而生物系统柔软、不规则且三维化，这使得传统电子组件难以有效与神经元等生物组织交互，尤其是需要三维空间集成的场景。为解决该不匹配问题，需要能够在三维中操作的新型材料与器件结构。
三维水凝胶晶体管三维调制的策略（图源自Science）
水凝胶因其类组织特性而成为生物电子学的潜在材料，包括生物相容性、柔软性和三维结构。近年来，氧化还原活性水凝胶的进展赋予了其半导体功能，使其可作为晶体管的主动电子组件。尽管如此，水凝胶半导体在大尺度下调控导电性方面仍受限。现有技术仅限于纳米至微米级厚度的水凝胶，其中离子传输和离子-电子耦合有效。然而，当厚度超过微米级时，这些机制明显减弱，导致半导体功能丧失。克服厚度限制是充分发挥水凝胶半导体三维潜力，实现与生物系统空间集成的关键。
该研究报道了一种3D半导体，集成了有机电子学、软物质和电化学。该三维水凝胶半导体与晶体管，实现了毫米级三维调制，性能媲美传统薄膜器件。通过标准化的水相合成工艺，精确控制了三维空间中的相组成、孔隙率与电荷传输性能。宏观制备方法使得三维水凝胶半导体与晶体管能够以任意形状大规模生产，突破了二维平面电子器件的维度限制。这些器件具备组织相容性、可拉伸性与渗透性等组织类似特性，有望在生物-电子交互（如细胞培养、类器官形成与可编程细胞行为）中实现稳定、持久的三维接口，为未来生物混合感知与神经形态计算系统的发展开辟了新路径。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx4514
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