MIT赵选贺，最新Science评论文章！

每年全球有超过100万个生物电子设备植入人体，用于监测和调节生理过程，例如用于调节心跳的心脏起搏器。生物电子学的潜在应用已经扩展到许多器官系统和病理学领域，承诺提供精确的诊断和无药物治疗。然而，建立生物电子设备与生物组织之间稳固且高效的界面是一个关键挑战。

美国麻省理工学院赵选贺教授和Sarah J. Wu博士在Science发表了题目为“Tissue adhesive semiconductors”的评论文章，评论指出生物黏合半导体代表了改善生物电子设备信号灵敏度、空间分辨率和手术工作流程的一个有希望的途径。除了半导体，开发具有定制化化学、机械、光学、声学或热性能的下一代生物黏合剂，可以在广泛的生物集成设备领域实现重大进展，改变人类健康监测和管理的方式。

传统的生物电子设备固定方法，如缝合和钉书钉，通常会造成组织损伤，并可能引发各种并发症，包括出血、感染和异物反应（涉及炎症和纤维化）。尽管已经证明可以将薄膜生物电子设备无缝附着在组织上，但其超薄几何形态所带来的弱物理黏附性和约束限制对其性能造成了限制。因此，生物黏合材料因其能够建立无创、贴合和稳定的界面而备受吸引，从而有助于实现安全的长期感知和刺激。值得注意的是，为了确保界面间的有效信号传输，实现有利的电学特性和稳固的黏附性能成为一个核心挑战。以往为生物电子设备开发生物黏合剂的努力主要集中在将导电聚合物或填料纳入生物黏合剂聚合物网络中，这些被用作被动电极。然而，作为电路中的有源部件（如晶体管）基础的半导体在生物黏合剂中的整合仍相对较少探索。

为了实现所需的多功能特性，研究者通过将半导体聚合物和生物黏合刷聚合物混合在一起制成了双网络薄膜，充分发挥了它们的优势。具体而言，一种氧化还原活性半导体聚合物经旋涂，然后与一个由聚乙烯骨架组成，其长侧链被功能化为羧酸（COOH）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）酯基团的生物黏合刷聚合物混合。这些功能团能够通过促进界面上的快速水分去除，并在聚合物与组织之间实现静电和共价相互作用，从而迅速而强烈地附着在湿润组织上。将这些功能团战略性地引入长侧链的末端，是确保其充分暴露在组织表面的关键，从而克服了半导体聚合物长链可能带来的潜在障碍。

由此产生的BASC薄膜与湿润的猪组织迅速粘附（不到1分钟），界面韧性>20 J m -2，剪切强度>7 kPa，抗拉强度>4 kPa，以及高载流子迁移率（~1 cm 2 V -1 s -1）。BASC薄膜还表现出高延展性（可达100%应变而无开裂），使其能够适应非平面组织表面并适应变形。植入体长期功能的主要挑战之一是异物反应（FBR），它可能产生干扰信号传输的纤维组织。部分原因是由于BASC薄膜具有类似组织的柔软力学特性，在大鼠皮下植入时产生较低水平的纤维化和与FBR相关的生物标志物，这证明了与创伤性缝合和钉书钉相比的一个有希望的替代方法。

在将生物电子设备与湿润、动态组织集成时，BASC材料的优势尤为明显。在组织移动存在的情况下，缝合特别具有挑战性，并且需要长时间接触以形成粘附是不切实际的。BASC可以通过施加轻微的压力在不到一分钟内直接附着。这种高效的附着过程避免了与组织动态相关的困难，并提高了信号读出的稳定性。为了证明这一点，研究者制造了基于BASC的有机电化学晶体管（OECT）设备，以记录孤立大鼠心脏的离体心外膜心电图（ECG），以及大鼠腿肌的体内肌电图（EMG）。与使用缝线或单独的（非导电）黏合层附着的OECT设备相比，基于BASC的OECT显示出更高的记录信号幅度和稳定性。此外，OECT内置的生物信号放大使其具有比导电聚合物组成的被动记录设备更高的记录信号幅度。

图3 一种附着在孤立猪心表面的生物黏合有机电化学晶体管在机械搅动过程中保持稳定的接触。

有几个方面需要进一步研究，以充分发挥BASC材料的潜力。与最先进的生物黏合材料相比，BASC的黏附性能相对较弱，这可能会对其在更具要求的长期体内应用中的稳定性构成挑战，例如体内心电图。在设备重新定位或移除的情况下，BASC还可以受益于融入一种触发无创解离的手段。此外，对BASC的慢性耐久性、电学性能和生物相容性进行全面研究将是充分评估植入设备随时间性能和临床实用性的关键。

参考文献：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3284

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

来源：高分子科学前沿

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