水凝胶半导体材料问世,可作为理想生物电子界面

来源:半导纵横发布时间:2024-10-28 15:56
技术进展
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美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院团队创造出具有强大半导体功能的新型水凝胶材料。

在最新一期《科学》上,美国芝加哥大学普利兹克分子工程学院团队展示了界面生物电子学领域的新突破:他们创造出具有强大半导体功能的新型水凝胶材料。这种新型蓝色凝胶能够在水中像海蜇一样浮动,同时还具有出色的半导体功能,可实现生物组织与机器之间的信息传输。

理想的用于连接电子组件和活体组织的材料应当是柔软、可拉伸且亲水的,类似于水凝胶。而半导体材料通常比较硬、脆且不亲水,无法像水凝胶那样在水中溶解。如果将半导体用于起搏器、生物传感器及药物递送装置等生物电子器件,这些缺点构成巨大障碍。

此次新材料展现出了高达81千帕的组织级模量、最大可达150%的拉伸性和高达1.4平方厘米/伏秒的载流子迁移率。这表明,这种既具有半导体特性,又具备水凝胶属性的材料,满足了作为理想生物电子界面的所有要求。

由于可植入生物电子设备与组织直接接触,所以要能随组织一同变形,从而形成高度紧密的生物界面。

传统的水凝胶制备方法是将某种材料溶解于水中,再加入使溶液变为凝胶状态。然而半导体材料通常都不溶于水。为此,团队开发了一种溶剂交换工艺。不是将半导体溶解在水中,而是将其溶解在与水混溶的有机溶剂里。接着,他们利用溶解的半导体和水凝胶前体来进行制备。

最初的产物是一种有机凝胶,团队再将整个材料体系浸泡在水中,使有机溶剂溶解并允许水渗入其中。最终得到的材料可以广泛应用于多种具有不同功能的聚合物半导体。

值得注意的是,与传统的水凝胶相比,这种新材料不仅改善了生物功能,还在多个方面表现出了超越单纯水凝胶或半导体材料的能力,实现了更好的综合效果。

水凝胶半导体材料具有良好的柔韧性和可拉伸性。在柔性显示屏的制造中,它可以作为有源矩阵背板材料。与传统的刚性半导体材料不同,水凝胶半导体材料能够在弯曲、折叠甚至拉伸的状态下保持其电学性能,使得显示屏能够实现各种柔性变形,满足未来可穿戴设备和柔性电子产品对显示屏的要求。

这种材料可用于制作可穿戴传感器。例如,在健康监测可穿戴设备中,水凝胶半导体传感器可以贴合人体皮肤,实时监测人体的生理信号,如心率、血压、汗液中的生物标志物等。由于水凝胶具有生物相容性好的特点,长时间佩戴不会对皮肤造成刺激,并且其半导体特性使其能够准确地将生理信号转化为电信号进行传输和分析。

这种材料还能够作为柔性电路的关键材料。在柔性电路中,水凝胶半导体可以替代部分传统的金属导线和半导体元件。它可以在复杂的变形条件下保证电路的连通性和信号传输的稳定性,为开发高度柔性和可穿戴的电子系统提供了可能,例如在智能服装、柔性机器人等领域有广泛应用前景。

此外,水凝胶半导体材料可用于电池电极。在锂离子电池等电化学储能系统中,水凝胶半导体的三维网络结构可以为离子和电子的传输提供有效的通道。其独特的结构有助于提高电池的充放电速率,同时,水凝胶中的水分可以调节电池内部的环境,减少电极在充放电过程中的体积膨胀和收缩问题,从而延长电池的使用寿命。在超级电容器方面,水凝胶半导体可以作为电极材料或电解质。作为电极材料时,它能够提供高的比电容,这是由于其丰富的活性位点和良好的导电性。当作为电解质时,水凝胶半导体可以形成稳定的离子导电环境,提高超级电容器的储能性能和循环稳定性,使其在快速充放电和高功率密度需求的场合,如电动汽车的启动系统、电动工具等领域有应用价值。

目前,这一研究目前主要将解决生化传感器和心脏起搏器等植入式医疗设备所面临的挑战,但其还有许多潜在的非侵入性应用,譬如更精确地读取皮肤数据、改善伤口护理等。该材料具有极其柔软的机械性能与高含水量,这些都与活体组织相似。同时,它还具有多孔性,这意味着还可以运输各种营养和化学物质。而当所有这些特性相结合,新型水凝胶就会成为组织工程和药物递送中最有用的材料之一。

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