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水凝膠具有和生物組織相似的機械性能、含水量高和離子通透性好等特性，在組織工程、醫(yī)用敷料、生物傳感等領域具有廣泛的應用。水凝膠與導電材料復合后，可以實現(xiàn)電子導電，展現(xiàn)出優(yōu)異的生物組織-電子器件界面特性，已經實現(xiàn)了多種檢測、診斷和治療功能。但是和硅基電子器件相比，水凝膠電子器件因為缺少半導體水凝膠材料，尚無法實現(xiàn)豐富的集成電路功能，例如開關、整流、運算、放大等。傳統(tǒng)的有機半導體材料難以實現(xiàn)水溶液加工，尚無法和傳統(tǒng)水凝膠復合，且無法在水溶液中實現(xiàn)優(yōu)異的半導體性能。

針對這些挑戰(zhàn)，北京大學雷霆課題組提出了半導體水凝膠設計策略，填補了傳統(tǒng)水凝膠材料無法實現(xiàn)高性能電子電路的空白。他們通過將水溶性陽離子共軛高分子用抗離子交聯(lián)或與其他水凝膠共混形成多網絡結構，實現(xiàn)了兼具優(yōu)異機械性能、半導體性能、界面性能和生物相容性的半導體水凝膠（圖1）。他們基于半導體水凝膠首次實現(xiàn)了具有優(yōu)異開關特性的半導體水凝膠器件和邏輯電路，并實現(xiàn)了生物電信號的原位高信噪比放大。相關工作以“N-type Semiconducting Hydrogel”為題發(fā)表在Science上。

圖1半導體水凝膠的結構、摻雜機理與器件性能：A）半導體水凝膠兼具傳統(tǒng)水凝膠和有機半導體的多種特點；B）高分子P(PyV)的抗離子交聯(lián)機理和電化學摻雜機理；C-E）由半導體水凝膠構成的互補型邏輯電路及性能

P(PyV)高分子也可以與多種傳統(tǒng)水凝膠結合，構筑多網絡水凝膠材料（圖2A）。多網絡半導體水凝膠展現(xiàn)出良好的機械可拉伸性和生物粘附性。多網絡水凝膠也表現(xiàn)出和單網絡水凝膠可比擬的半導體性能，也可以實現(xiàn)開關、邏輯門和信號放大等多種電路功能。

這些半導體水凝膠具有良好的生物相容性，因此可以直接用作生物電子器件與生物組織的界面。由半導體水凝膠構成的反相器放大增益優(yōu)于傳統(tǒng)有機半導體邏輯器件，可實現(xiàn)小信號的放大，對于1-100 Hz交流小信號的輸入，最高增益值可達79倍?；诎雽w水凝膠互補型信號放大器，作者實現(xiàn)了多種電生理信號，包括眼電、心電、腦電和小鼠大腦皮層信號的高信噪比放大（圖2B-D）。

圖2基于半導體水凝膠的生物電子應用：A）多網絡水凝膠示意圖；B）心電、眼電測試示意圖及信號放大性能；C-D）小鼠原位腦電信號采集示意圖及結果

本研究首次實現(xiàn)高電學性能的半導體水凝膠的制備和電子器件應用，其兼具有機半導體優(yōu)異的電學特性以及水凝膠獨特的機械和生物界面特性，擴展了有機半導體和水凝膠材料的應用范圍。利用半導體水凝膠可以構筑豐富的邏輯電路。通過半導體水凝膠放大器的原位放大，使得微弱生物信號在引入噪聲之前被放大，顯著提高了信號的信噪比，為高效的生物信號采集提供了新的思路。

博士研究生李佩雲和孫文熙是該論文的共同第一作者，雷霆研究員是通訊作者。合作者包括清華大學的戴小川課題組、北京大學呂世賢課題組和國家納米中心朱嘉課題組。該研究工作得到國家自然科學基金、北京市杰出青年基金、北京大學高性能計算平臺，北京大學材料加工與測試中心，北京大學化學與分子工程學院分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平臺和上海光源等的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adj4397