變形納米膜革新生物電子界面，實現(xiàn)精準(zhǔn)生命信號監(jiān)測

在軟生物電子學(xué)領(lǐng)域，如何讓電子設(shè)備無縫貼合柔軟、不規(guī)則的人體器官表面，一直是個巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的組織相容性平臺尺寸通常在毫米到數(shù)百微米之間，這會導(dǎo)致信號采集不全并對組織造成長期壓迫。雖然近年來超薄納米器件有所發(fā)展，但其復(fù)雜脆弱的操作流程限制了實際應(yīng)用并損害了其本征性能。

近日，成均館大學(xué)Donghee Son、蔚山科學(xué)技術(shù)院BongSoo Kim合作開發(fā)出了一種基于離子-電子導(dǎo)電納米膜（THIN）的可變形且不可感知的水凝膠-彈性體粘附雙層膜，總厚度僅350納米。該設(shè)計利用了雙親性特質(zhì)，結(jié)合了親水的組織粘附水凝膠與疏水的半導(dǎo)體彈性體。通過正交溶劑旋涂工藝形成的異質(zhì)界面動態(tài)鍵合相互作用，使其完全兼容微加工。THIN在干燥時硬度高、易于操作，遇水后則發(fā)生瞬間的“硬-軟”相變，實現(xiàn)與各種表面（包括小曲率半徑表面）的完全共形接觸及快速自發(fā)性粘附。為了展示其獨特的電學(xué)和力學(xué)特性，THIN被集成到有機電化學(xué)晶體管的活性溝道中，所構(gòu)成的THIN-OECT表現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)變不敏感型離子-電子傳導(dǎo)性能，通過可變形相變實現(xiàn)了對組織的不可感知界面連接和精準(zhǔn)生物信號監(jiān)測。相關(guān)論文以“Hydrogel–elastomer-based conductive nanomembranes for soft bioelectronics”為題，發(fā)表在Nature Nanotechnology上。

這項技術(shù)的核心創(chuàng)新體現(xiàn)在其獨特的結(jié)構(gòu)和變形機制上。研究人員首先通過旋涂工藝，依次將組織粘附性水凝膠納米膜和半導(dǎo)體彈性體納米膜組裝在硅片上，最終剝離得到自支撐的THIN薄膜。與帶有厚/薄基底或無基底但水凝膠較厚的對照組相比，僅有350納米厚的THIN在遇水后彎曲剛度急劇下降了約1700倍，低至9.08 × 10-5 GPa μm4，使其能夠無痕地貼合具有微小曲率半徑的皮膚表面，其覆蓋下的皮膚仿生模型表面形貌與裸露皮膚幾乎完全一致。即使是對于球形液滴這樣極度柔軟的曲面，THIN也能在3秒內(nèi)通過不對稱溶脹自發(fā)適應(yīng)其曲率，無需任何外加壓力即可實現(xiàn)共形貼合。

圖1 | 基于THIN電化學(xué)晶體管的、自支撐且自適應(yīng)的組織-膜界面。 a, THIN薄膜的制備過程示意圖及完全剝離的自支撐THIN薄膜照片（右插圖）。OLA，正交層狀組裝。 b, 不同類型的生物電子膜界面序列及其對生物流體水合和組織表面適應(yīng)的響應(yīng)示意圖。 c, 帶有厚基底的雙層膜、帶有薄基底的膜、無基底雙層膜以及THIN的組織粘附水凝膠膜水合過程中，彎曲剛度隨時間的變化。 d-g, 帶有厚基底的膜、帶有薄基底的膜、無基底膜以及THIN在人體皮膚仿生模型上的照片和通過3D激光掃描顯微鏡獲得的二維/一維拓撲形貌。 h, 顯示不同構(gòu)型下球形液滴與界面接觸的照片，以及水合過程中的隨時間變化。 i,j, 自支撐THIN-OECT置于美分硬幣旁的及在人體皮膚上自適應(yīng)THIN-OECT的照片。 k, 通過薄溝道和濕潤組織表面實現(xiàn)直接共形粘附示意圖。 l, 用于監(jiān)測來自脛骨前肌、大腦和心臟電生理信號的THIN-OECT示意圖。插圖：響應(yīng)坐骨神經(jīng)刺激而抽搐的脛骨前肌上植入的THIN-OECT照片（左）、極度柔軟的大腦（右上）和動態(tài)跳動的心臟（右下）照片。

為實現(xiàn)長期穩(wěn)定的組織界面連接，THIN的雙親性設(shè)計至關(guān)重要。其親水粘附表面確保與活體器官的緊密接觸，而疏水半導(dǎo)體表面則最大限度減少了與體內(nèi)環(huán)境因素的不良相互作用。掃描電鏡和原子力鏡顯示THIN表面光滑連續(xù)，均方根粗糙度僅2.81納米。多種相互作用（包括氫鍵、庫侖相互作用以及鄰苯二酚基團與聚合物之間的共價鍵等）使其在生物流體中也能保持結(jié)構(gòu)完整，以水合、自支撐的形式漂浮而不破裂。流變學(xué)和納米壓痕測試表明，水合后THIN的儲能模量顯著降低，損耗因子增加，硬度從1.35 GPa劇降至0.035 GPa，實現(xiàn)了從自支撐（高硬度）到自適應(yīng)（低硬度）的轉(zhuǎn)變。這種低彎曲剛度和硬度使其能夠貼合組織級別的微小曲率（<5 μm），其高粘附強度和界面韌性確保了在各種組織剪切和拉伸應(yīng)力下的牢固結(jié)合，形成不可感知的組織界面。實驗演示顯示，當(dāng)自支撐的THIN應(yīng)用于濕潤皮膚時，會自發(fā)適應(yīng)皮膚微觀拓撲結(jié)構(gòu)，即使在水流沖刷和剪切摩擦下也能保持強健粘附。

圖2 | THIN用于共形組織粘附的可變形特性。 a, 依次獲得的Alg-CA和通過OLA工藝制備THIN的旋涂納米膜的掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡圖像。 b, THIN（左）和無CA基團的THIN（右）漂浮在水上的照片。 c, THIN干燥狀態(tài)及水合后的儲能模量、損耗模量和tan δ值。 d, THIN水合前后作為負載函數(shù)的納米壓痕硬度。 e, THIN的載荷-位移曲線。 f, 水合THIN圖案在拉伸過程中形狀演變的照片和光學(xué)顯微鏡圖像，未引起任何裂紋。 g, 對在心臟組織上實現(xiàn)共形層壓所需可能曲率半徑的估算。 h, 通過THIN界面粘合的各種組織與PET基底之間的拉伸和剪切粘附強度。 i, 可在人體皮膚上操作的自支撐THIN薄膜在水合幾秒內(nèi)發(fā)生不對稱溶脹并共形自適應(yīng)的示意圖。 j, THIN在濕潤組織上自適應(yīng)的可能機制示意圖。 k, THIN在持續(xù)跳動的活體心臟上實現(xiàn)共形粘附，并隨動態(tài)心臟運動同時適應(yīng)舒張和收縮狀態(tài)。 l, THIN耐用且強健的組織集成能力，可承受連續(xù)的水流沖刷和剪切力磨損。

除了卓越的力學(xué)性能，高性能的半導(dǎo)體材料對于精確監(jiān)測電生理信號同樣關(guān)鍵。研究人員合成了硒吩取代的半導(dǎo)體彈性體P(g2T2-Se)。與硫類似物P(g2T2-T)相比，硒原子的引入增強了分子骨架的平面性和醌式特征，從而提高了結(jié)晶度和分子間相互作用。掠入射廣角X射線散射證實了P(g2T2-Se)更有序的分子排列和更高的結(jié)晶度。基于P(g2T2-Se)的OECT獲得了高達1,034 F cm?1 V?1 s?1的μC*值，是前者的3.7倍，并表現(xiàn)出超過2.2 cm2 V?1 s?1的電荷載流子遷移率。重要的是，即使在200%的拉伸應(yīng)變下，其阻抗和電化學(xué)性能也幾乎保持不變，顯示出優(yōu)異的應(yīng)變不敏感性，非常適合適應(yīng)生物組織。

圖3 | 可拉伸半導(dǎo)體彈性體納米膜的電學(xué)性能。 a, P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 b,c, 從P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)薄膜獲得的GIWAXS圖案的二維譜圖及一維剖面圖。 d, P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)薄膜的歸一化紫外-可見吸收光譜。 e, P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)的軌道能級排列。 f, 基于DFT計算得出的P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)三聚體的靜電勢表面圖和優(yōu)化構(gòu)象。 g, OECT的峰值跨導(dǎo)作為工作條件和溝道幾何形狀的函數(shù)。 h, 基于P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)的OECT的轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)。 i, P(g2T2-T)和P(g2T2-Se)薄膜的電荷載流子遷移率和歸一化跨導(dǎo)。 j, 基于P(g2T2-Se)的OECT的累計轉(zhuǎn)移特性。 k, SEBS基底上P(g2T2-Se)薄膜在0%應(yīng)變和拉伸至200%應(yīng)變下的照片。 l, P(g2T2-Se)薄膜在100%和200%應(yīng)變下的阻抗和相位角變化。 m, 基于P(g2T2-Se)的OECT在沿電荷傳輸方向拉伸（應(yīng)變0%至200%）時的轉(zhuǎn)移特性變化。 n, P(g2T2-Se)薄膜在不同應(yīng)變下從（100）面衍射得出的邊緣取向概率變化。 o, P(g2T2-Se)薄膜在不同應(yīng)變下的層狀堆積和π-π堆積距離。

最后，研究人員通過熱蒸發(fā)在金電極納米膜上制備了自支撐的THIN-OECT器件，并在大鼠體內(nèi)展示了其穩(wěn)定的電生理信號監(jiān)測能力。在心臟表面，THIN-OECT通過水凝膠層溶脹完全貼合心臟微觀拓撲，在不干擾心臟搏動的情況下，有效測量了與體表心電圖同步的實時心外膜電信號。在脛骨前肌上，盡管腿部因坐骨神經(jīng)刺激而抽搐，THIN-OECT仍能穩(wěn)定記錄肌電信號。在大腦皮層，該器件也成功測量了高質(zhì)量的皮層腦電信號。得益于良好的體內(nèi)生物相容性和機械上的不可感知性，THIN-OECT界面能夠為長期穩(wěn)定的心電、肌電和腦電記錄提供支持。

圖4 | 用于體內(nèi)電生理監(jiān)測的THIN-OECT界面。 a, 用于心臟、脛骨前肌和皮質(zhì)表面的自支撐THIN-OECT界面照片。插圖：單個THIN-OECT上共享源極的兩個相同溝道，通過堅韌自愈合彈性體封裝與柔性印刷電路板互連，以及活性區(qū)域的放大光學(xué)顯微鏡圖像。 b, 自支撐THIN-OECT的轉(zhuǎn)移特性曲線。 c, THIN-OECT的循環(huán)穩(wěn)定性。 d, 活體體表心電圖和心外膜電信號記錄設(shè)置及器件操作電路設(shè)計示意圖。 e, 說明THIN-OECT活體心外膜粘附和適應(yīng)過程的連續(xù)圖像。 f, 由傳統(tǒng)針電極記錄的體表心電圖信號和由THIN-OECT記錄的心外膜電信號代表圖。 g, 活體脛骨前肌肌電記錄設(shè)置及在頻率譜上刺激坐骨神經(jīng)的器件操作電路設(shè)計示意圖。 h, 說明THIN-OECT在20Hz電刺激坐骨神經(jīng)后活體肌肉粘附和穩(wěn)定適應(yīng)過程的照片。 i, THIN-OECT在脛骨前肌上記錄的肌電信號。 j, 針對坐骨神經(jīng)各刺激頻率的肌電信號幅度。 k, 在氯胺酮麻醉下活體腦電記錄設(shè)置及器件操作電路設(shè)計示意圖。 l, THIN-OECT活體皮層粘附和穩(wěn)定適應(yīng)照片。 m, THIN-OECT獲得的時域腦電信號及其時頻分析圖。

這項研究成功開發(fā)了一類由組織粘附水凝膠和半導(dǎo)體彈性體組裝而成的軟生物電子納米膜THIN。其納米級厚度、干燥自支撐、遇水自適應(yīng)的特性，突破了以往方法的局限。硒吩的引入增強了離子-電子混合傳導(dǎo)，而THIN-OECT中縮短的有效距離加速了電荷傳輸，實現(xiàn)了對電生理信號的穩(wěn)定監(jiān)測。未來，增加記錄通道數(shù)量和獲取空間電生理圖，將有助于進一步提高記錄保真度，推動其在閉環(huán)神經(jīng)假體和個性化臨床診斷中的應(yīng)用。

原文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41565-025-02031-x

來源：高分子科學(xué)前沿