南京大學校友、美國芝加哥大學博士李楠，在讀博尾聲即博士五年級的時候，終於迎來一篇重要論文的發表，並且還是發在 Science 上。
圖 | 李楠（來源：李楠）
研究中，他和所在團隊造出一款生物粘性半導體材料，這是一款面向微創生物電子醫學領域的有機生物電子材料。
該材料兼具快速穩定的粘附性能、以及較高的半導體性能，它能賦予半導體材料以生物粘附特性，從而可以極大促進以電晶體為代表的先進電子技術與生物組織的連接，進而能夠釋放諸多功能比如簡單而快速的附著、舒適且長期穩定的接觸、較低的介面阻抗、實現空間分辨甚至高解析度記錄。
毫無疑問，該材料十分有助於生物電子器件的發展和應用，在生物器官或與水下生物的結合上預計可以實現更多應用。
（來源：Science）
新型高分子半導體材料，難在哪裡？
相比傳統基於矽的硬質電子器件，柔性電子具有模量更低、以及可彎折的優勢，故被認為能與軟體生物組織實現更好的貼合，並能提供更好的舒適性。
柔性電子的目標之一在於：需要在每一個組分上採用柔性材料比如高分子材料。從功能材料角度來看，共軛高分子在化學結構上具有豐富的可設計性，故能帶來出色的光電性質。同時，其還具有溶液的加工性。
目前，該類材料已能實現與多晶矽相匹配的良好載流子遷移率，並且在高於 30% 甚至 100% 的機械拉伸情況之下，依然表現出損耗較少的電學性能，因此在力學性質上可以更好地匹配生物組織。
共軛高分子分為導電材料和半導體材料。其中，高分子半導體主要用於製造電晶體，電晶體是一種三電極體系的電子元器件，可被用於複雜電路的設計。
出於溶液加工性的要求，除了共軛高分子骨架之外，這類材料通常需要比較長的側鏈結構例如碳鏈。在相關化學工具的幫助之下，該類材料能夠實現豐富的可修飾空間。
最近，學界通過在側鏈結構引入偏極性的寡聚乙二醇，讓上述材料可以同時實現電荷傳輸和離子傳輸。藉助這類材料製造的電晶體，可以在電解質溶液之下進行工作，因此這類電晶體也被稱之為有機電化學電晶體（OECT，Organic electrochemical transistor）。
該類電晶體依賴於從電解質溶液注入有機薄膜的離子，通過改變其摻雜狀態，從而改變其電導率。在這個過程之中，離子注入通道由柵極電壓所控制。
憑藉較小的工作電壓、較大的體相電容、混合電荷-離子傳導的特點、以及電晶體本身帶來的放大效應，當有機電化學電晶體與生物組織整合之後，可被用於檢測生理電信號和化學信號。
然而，考慮到生物體系的複雜性例如動態收縮伸張、柔軟脆弱、以及粗糙濕潤表面，要想讓電子器件和生物介面進行緊密結合，從而實現穩定的生理信號檢測依舊不是一件易事。
僅僅依靠范德華力或毛細力，無法給濕潤的組織表面提供穩定的接觸。而針對薄膜電子器件採用手術縫線的傳統方式，依然無法滿足檢測介面的良好貼合。利用膠水粘結的方式固然可以提供一些可能性，但是依然存在增加介面電阻、以及削弱生理信號強度的問題。
因此，最理想的方式是發展一種新型高分子半導體材料，既能實現和生物組織的穩定粘合，又能保持高的半導體性能。然而，要想實現這一目標至少有兩座「大山」需要跨越。
一方面，實現生物粘附性需要足夠的柔軟度、以及一定的吸水性，以便達到較好的物理貼合。同時，也需要和組織表面實現足夠的共價化學鍵以便達到穩定的化學貼合。對於目前的高分子半導體材料來說，它們根本無法做到。
另一方面，已被發展出來的生物粘性材料基本都是水溶性的，並且具有較高的溶脹，這對於半導體材料的加工、以及維持穩定的電學性質都是不小的挑戰。
（來源：Science）
電學性能媲美原始半導體材料
為了解決柔性生物電子領域面臨的上述挑戰，即實現緊密穩定的電子器件-組織介面。李楠圍繞高分子半導體材料，從材料設計的角度出發力圖尋求解決辦法。期間，涉及到化學、材料、電學、生物等多方面的實驗。
在材料設計的策略上，他曾經歷反覆探索、重新認識、再次探索的循環過程。一開始，他發現無論是從半導體材料本身開展設計，還是採用材料表面處理的方式，都無法實現在生物組織上的粘合。
而當利用傳統的具有粘合性質的材料，依然實現不了足夠的粘附性，並且會面臨嚴重的溶脹問題。
（來源：Science）
後來，他和同事意識到必須設計新的粘合材料，只有這樣才能適應高分子半導體獨特的化學結構。而後，通過在官能團之間引入適當鏈長的聚乙二醇結構，他們發展出一種新策略：即利用刷狀粘性高分子，來增強半導體生物粘性的策略。
實驗結果證明這一策略可以有效解決上述挑戰：既能增加化學粘性官能團的表面暴露，又能在引入吸水性的同時對體積溶脹率進行抑制。
另據悉，對半導體粘附性開展一系列的測試，是本次課題的重要部分。期間，他們使用不同的合成材料和生物組織材料，詳細探索了半導體材料的粘附性。
實驗結果顯示：相比原始的半導體材料，此次開發的粘性半導體材料，在介面韌性、剪切強度、拉伸強度等方面均實現了顯著提升。
（來源：Science）
進一步地，他們對材料結構和材料性能之間的關係加以研究，結果發現該材料可以有效保持電荷傳輸的方式。同時，其還還表現出良好的耐磨損性、高達 100% 可拉伸性以及優異的生物相容性，這證明其具備用於生物組織的潛力。
為了展示本次半導體材料的應用前景，課題組進行了一系列活體實驗。他們先是設計並製造了一種電化學電晶體，結果表明該半導體材料能夠實現和原始半導體材料相似的電學性能，同時兼具生物粘附性和可拉伸性。
後又通過與其他科研團隊的合作，在離體心臟和活體肌肉組織上開展了針對電生理信號的測試、以及對照測試。
測試結果顯示基於生物粘性半導體的電化學電晶體，可以實現緊密穩定的組織表面有效粘合，在外界機械干擾的情況下依然可以穩定地採集信號。與之對照的是，普通的電化學電晶體則表現出極大的噪音，並且會出現信號消失的情況。至此，研究正式宣告完成。
前不久，相關論文以《用於緊密生物介面的生物粘附聚合物半導體和電晶體》（Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces）為題發在 Science[1]，李楠是第一作者，芝加哥大學教授王思泓擔任通訊作者。
（來源：Science）
如前所述，李楠是南大校友，其本科畢業於該校的化學化工學院。其表示：「我從大二開始進入實驗導師課題組的接受科研訓練。導師以及師兄對於本科生負責且信任的態度，讓我感受了做科研的動力和樂趣，我也逐漸喜歡上動手解決問題的過程。在院系老師的關愛以及自己的努力下，最終以專業第一名的成績畢業，也因此產生了留學深造的想法。」
後來，李楠加入芝加哥大學化學系學習，師從王思泓教授。過去幾年該團隊曾多次在頂刊發論文，王思泓本人也是《麻省理工科技評論》2020 年度全球「35 歲以下科技創新 35 人」榜單的上榜人物，在材料領域有著多年的積累。
在留學讀博期間，李楠開始領會到交叉學科的魅力。這幾年，他主要圍繞電子器件與生物介面的問題開展研究，包括設計具有代謝物檢測、生物粘性以及生物相容性的新型半導體材料。
基於本次 Science 論文，他和同事打算研究具有生物粘附的半導體材料，以期針對粘附過程產生更詳細的理解，同時也將開展更廣泛的生物應用。
參考資料：
1.Li, N., Li, Y., Cheng, Z., Liu, Y., Dai, Y., Kang, S., ... & Wang, S. (2023). Bioadhesive polymer semiconductors and transistors for intimate biointerfaces.Science, 381(6658), 686-693.
2.wanglab.uchicago.edu