水凝胶因其机械性能和化学性质与生物组织的相似性而在生物技术中得到了广泛应用，而半导体则提供了高级的电子和光电子功能，如信号放大、传感和光调节。将半导体的特性与水凝胶设计相结合可以增强生物互动功能和生物界面的亲密性，但由于聚合物半导体的亲水性较低，两者的结合具有挑战性。
近期，芝加哥大学王思泓团队开发了一种溶剂亲和力诱导组装方法，将不溶于水的聚合物半导体整合到双网络水凝胶中。这些半导体具有与组织相近的模量（如软至81 kPa，可拉伸性达150%应变），以及载流子迁移率高达1.4 cm² V⁻¹ s⁻¹。当它们与生物组织界面接触时，与组织相近的模量能够减轻免疫反应。水凝胶的高孔隙率增强了半导体-生物流体界面上的分子互动，实现了更高响应的光调节和更高灵敏度的体积生物传感。该工作以题为“Soft hydrogel semiconductors with augmented biointeractive functions”的论文发表在最新一期《Science》上，第一作者为Dai Yahao。
水凝胶半导体的设计、制备及表征
水凝胶半导体的设计，采用互穿网络形态，主要包括两个主要成分：带有亲水侧链的聚合物半导体和形成水凝胶的聚合物（图1B）。首先，在二甲基亚砜（DMSO）中制备聚合物半导体和水凝胶单体的混合溶液（图1B），同时加入水凝胶交联剂和光引发剂。将混合溶液旋转涂覆或铸造成所需形状后，进行紫外线（UV）交联，以形成水凝胶聚合物的3D网络，从而在DMSO中诱导凝胶化。最后，将凝胶浸入水中，以完全用水替换DMSO，这将DMSO有机凝胶转变为水凝胶。在这个过程中，由于聚合物半导体不溶于水，半导体聚合物将在多孔的3D水凝胶框架内迅速沉淀并组装成贯穿连续的网络（图1B）。
为了实施这一策略，作者选择聚（3,3'-双{2-[2-(2-甲氧基乙氧基）乙氧基]乙氧基} 2,2'：5'，2''-三噻吩），或p(g2T-T)，作为聚合物半导体和丙烯酸（AAc）作为水凝胶形成单体，因为其在DMSO中的高反应性（图1C）。制备的水凝胶半导体质地非常柔软，杨氏模量低至81.8kPa，具有在皮肤上的很好的贴合性（图1D）。当作为有机电化学晶体管（OECTs）（图1E）中的沟道层时，半导体相的长程连续结果体现出理想的OECT性能。与柔软可拉伸的聚合物半导体相比，这种水凝胶半导体实现了模量降低两个到三个数量级，同时保持了迁移率（m）在相似水平（图1F）。这种策略可以应用于具有极性侧链的多种聚合物半导体，并且可以实现直接光图案化，用于高密度器件的制造。
图1. 水凝胶半导体用于生物界面多模式应用。
水凝胶半导体设计和制备的关键部分是聚合物半导体p(g2T-T)在凝胶化和溶剂交换步骤中的组装过程。为了追踪形态演变，作者表征了制备过程的三个阶段：基于DMSO的初始溶液为第一阶段，DMSO中的UV交联凝胶为第二阶段，以及溶剂交换后的最终水凝胶半导体为第三阶段（图2A）。在水凝胶半导体的制备中，p(g2T-T)与AAc的重量比为10/100，添加的交联剂为AAc单体质量的0.2%。对于第一阶段，冷冻电子显微镜（cryo-EM）成像显示，基于DMSO的快速冷冻溶液中p(g2T-T)已经形成了高密度的纳米聚集体（图2B，第一阶段），这可能是由于DMSO仅对p(g2T-T)的极性侧链具有有限的溶剂化作用，而对疏水性主链没有作用。对于第二阶段，DMSO凝胶的扫描电子显微镜（SEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）成像显示，p(g2T-T)颗粒大部分保持了它们的大小（图2B，第二阶段）。最后，水溶剂交换诱导p(g2T-T)组装成一个与多孔水凝胶（即PAAc）框架互穿的长程连通网络。这种形态可通过冷冻干燥样本的SEM（图2B，第三阶段）观察到，并通过不同长度尺度下的其他显微成像验证，包括暗场显微镜、导电原子力显微镜和STEM在湿或干燥凝胶样品上。
这种形态演变过程验证了作者的假设，即非溶剂（即水）的交换驱使聚合物半导体链组装成长程连续网络，以实现长距离电荷传输。
作者进一步通过使用每个阶段的溶液或凝胶来制作OECT器件，测量了电荷传输性能。通过在预沉积金电极的衬底上进行水凝胶制备过程，每个阶段的半导体溶液和凝胶可以作为OECT通道（图2C）。对于第一阶段和第二阶段，作者使用含有DMSO溶剂和有机氯化胆碱（Ch+Cl−）盐的电解质，并在第一阶段和第二阶段的DMSO溶液和凝胶上加入，以使离子充分渗透到半导体通道层中。第一阶段的OECT已经具备了很高的电学性能，跨导（Gm）为8.54 mS（图2D），表明p(g2T-T)在DMSO溶液状态下发生了分子级别的传导路径。在DMSO中AAc单体的UV交联后（第二阶段），电学性能下降了约两个数量级（图2D），表明PAAc 3D网络的形成打破了p(g2T-T)的分子级别的传导路径。溶剂交换后，最终水凝胶半导体中p(g2T-T)微观纤维网络的形成使电性能恢复到与第一阶段相似的水平，如使用水溶性氯化胆碱电解质的OECT测量所示（图2D）。这种性能演变也与水凝胶半导体准备过程中短范围有序的转变一致。
对于水凝胶半导体薄膜，作者进一步研究了p(g2T-T)的聚合物包装。掠入射X射线衍射（GIXD）（图2E）显示，与从氯仿溶液中沉积的纯净p(g2T-T)薄膜相比，水凝胶半导体薄膜没有可观察到的结晶特征（图2E和F）。这表明在溶剂交换过程中聚合物链的快速沉淀抑制了长程有序聚合物链的形成，同时PAAc网络也起到了抑制作用。
图2. 水凝胶半导体形成过程中的形态演化。
水凝胶半导体的电学和机械性能
对于水凝胶半导体设计，有两个主要的组成因素可以影响电学和机械性能：PAAc网络的交联密度和p(g2T-T)与PAAc之间的质量比。作者首先比较了OECT器件中的电学性能（图3A）。通过改变交联剂重量百分比（分别为AAc单体的0.2%、0.5%和2%），在p(g2T-T)与AAc的重量比保持为10/100的情况下，测试了交联密度的影响。所有三种组成都表现出了理想的OECT传输和输出行为（图3B），最低的交联比实现了最高的迁移率m，为1.22 cm² V⁻¹ s⁻¹（图3C），这可以归因于p(g2T-T)在较松散的PAAc网络中实现了更有序的组装。另一方面，将p(g2T-T)与PAAc的重量比从5/100增加到13.3/100，同时保持交联剂浓度为0.2%时，观察到m从不可测量水平显著增加到1.43 cm² V⁻¹ s⁻¹（图3D），这应该来自于p(g2T-T)网络更好的渗透。进一步增加p(g2T-T)的比例会得到更高的m，接近纯净的p(g2T-T)。
作者通过水面漂浮（FOW）拉伸测试（图3E）研究了水凝胶半导体薄膜的机械性能。如图3F所示，交联密度的逐渐增加首先导致模量降低，然后增加，这应该来自于更密集网络和高膨胀性的综合效果。增加p(g2T-T)的质量比会得到较高的模量，仅仅是因为刚性成分的比例增加（图3G）。对于从水凝胶半导体获得的最低模量81 kPa，它比纯净的p(g2T-T)低三个数量级以上（图3G）。在聚苯乙烯-聚(乙烯-共-丁烯)-聚苯乙烯（SEBS）衬底上，水凝胶半导体（0.5%交联，10/100比例）薄膜可以拉伸至150%应变，而不会形成裂纹或OECT性能下降（图3H）。
图3. 水凝胶半导体薄膜的电学和机械性能。
更高的顺应性、更低的免疫反应和增强的光调制效应
使用水凝胶半导体与生物组织或皮肤接口的两个优势分别是超低模量带来的更高顺应性以及弱化的排异反应（FBR）。作者通过在SEBS衬底两侧涂覆不同薄膜并将其植入小鼠皮下4周来测试。从植入物周围的取出组织来看，马松三色染色（图4A）显示，具有2.0%交联剂和239 kPa模量的水凝胶半导体薄膜与裸露的SEBS植入物和p(g2T-T)薄膜相比，胶原蛋白密度降低（图4B）。这种趋势也从免疫荧光成像显示的成纤维细胞沉积比较中观察到）。表面模量对FBR水平的影响行为与先前关于水凝胶和弹性体研究的结果一致。
半导体具有可用于生物界面应用的光调节功能，通过光电化学或光热效应。作者首先在生理条件下使用电化学电池装置研究了水凝胶半导体的光电化学行为（图4C）（图4D）。当用625纳米激光照射时，水凝胶半导体薄膜显示出了持久且稳定的法拉第电流，这表明半导体和电解质之间发生了电荷转移（图4E）。稳定后的电流水平显著高于在相同条件下测试的纯净p(g2T-T)薄膜（图4E）。这主要是由于水凝胶设计的多孔性质，大大增加了半导体-电解质界面，从而更高效地通过氧化还原反应利用电子和空穴。
接着，作者研究了光激发后非辐射衰减产生的光热性质（图4F）。在激光辐射功率为290 mW cm-2的情况下，水凝胶半导体薄膜在30秒内达到了78°C。在相同的辐射条件178 mW c m-2下，水凝胶半导体薄膜实现了更高效的热积累（图4G），实现了比纯净p(g2T-T)薄膜更高的光热转换效率（PCE）（图4H）。
图4. 水凝胶半导体可缓解FBR并增强光调制效果。
水凝胶基有机电化学晶体管（OECT）
水凝胶半导体的生物分子质量传输特性打开了在整个半导体层厚度上进行体相传感的可能性（图5A）。体相传感可以增加生物受体和待测分子之间的相互作用位点，从而提高灵敏度。为了测试这种可能性，作者首先使用荧光成像直接可视化大分子通过基于水凝胶半导体薄膜的扩散能力（图5B）。如图5C所示，初始位于水凝胶半导体膜一侧（约5毫米厚）的荧光探针在24小时后扩散到了另一侧。相比之下，对于由纯净p(g2T-T)薄膜制成的膜，尽管薄膜更薄（约500纳米厚），却没有观察到这样的扩散（图5C）。
为了进一步实现体积生物感测，一个关键要求是拥有一种方法在整个水凝胶半导体的 基体中功能化生物受体。作者使用了葡萄糖氧化酶（GOx）作为酶生物受体。在此实验中使用的水凝胶半导体是使用聚丙烯酰胺（PAAm）作为水凝胶形成聚合物制备的。在GOx溶液中与交联剂孵化24小时后，通过x射线光电子能谱（XPS）深度剖面分析（图5D和E）确认了GOx在整个水凝胶半导体薄膜厚度上的成功固定。通过石英晶体微天平（QCM）确定GOx的密度为782 nmol cm-3。相比之下，相同的功能化过程在纯净p(g2T-T)上仅导致GOx在表面的固定（图5F和G），这是由于GOx在p(g2T-T)薄膜中的渗透有限。
作者进一步在有机电化学晶体管（OECT）器件中测试了整体功能化水凝胶半导体的体相传感性能，并与表面功能化p(g2T-T)薄膜进行了比较。对于葡萄糖待测物，传感可以通过GOx的活性位点上的葡萄糖氧化发生，这导致氧气还原为过氧化氢，过氧化氢进一步氧化p(g2T-T)（图5H）。对于水凝胶半导体，在葡萄糖浓度从100 nM增加到2 mM的过程中，可以观察到漏极电流（Id）的逐渐增加（图5I）。通过分析阈值电压（Vth）偏移与葡萄糖浓度之间的关系（图5J），可以确定检测限为500 nM。相比之下，表面功能化的p(g2T-T)仅在葡萄糖浓度大于100 mM时显示出电流的减少（图5K），这可能是由于葡萄糖的电氧化。
图5. 使用水凝胶半导体薄膜进行生物传感：具有更高灵敏度的体积传感和具有类组织模量的基于水凝胶的OECT设备 。
小结
该研究所设计的互穿双网络水凝胶半导体将高性能的半导体特性与类似组织的柔软性、高孔隙率和生物分子的有效传输相结合。水凝胶的特性改善了半导体在组织表面的适用性和免疫兼容性。具有高表面积比的高孔隙形态还增强了生物电子功能，例如更强的光电化学和光热效应用于光调节，以及通过体相传感实现更高灵敏度的生物传感。所有这些功能都是通过溶剂交换处理方法实现，该方法绕过了聚合物半导体对水加工性的需求。这种方法对不同设计的氧化还原活性半导体聚合物具有广泛的应用价值，使得水凝胶设计能够应用于需要不同能带结构和光电子性质的不同半导体功能。
“值得注意的是，王思泓课题组去年在《Science》杂志上报道了关于将聚合物半导体应用于生物电子的另一个材料设计的方向。
作者简介：
王思泓
芝加哥大学普利兹克分子工程学院
Assistant Professor
2009年于清华大学获学士学位，2014年于佐治亚理工学院获材料科学与工程博士学位。2015年至2018年，于斯坦福大学化学工程专业从事博士后研究。在众多高影响力期刊上发表论文80余篇，包括Science, Nature, Nature Materials, Nature Electronics, Matter等。
研究团队聚焦于可作为新一代技术用于生物医学研究和治疗的柔性聚合物生物电子材料和设备。截至2024年10月，相关研究被引27,500多次，H指数为66。并连续被Clarivate Analytics评为“高被引科学家”(2020-2023)，荣获美国国立卫生研究院(NIH)院长新创新者奖、美国国家科学基金会(NSF)CAREER奖、美国海军研究办公室(ONR)青年研究员奖、麻省理工学院《技术评论》35岁以下创新者奖(TR35全球榜单)等奖项。
文章链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp9314
来源：高分子科学前沿
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