连接电子设备与生物组织的理想材料需要柔软、灵活，并且和组织本身一样亲水。本质上，这种材料应该是水凝胶。而半导体——对于生物电子设备如心脏起搏器、生物传感器和药物传递系统至关重要——是刚性且脆性的，并且不易与水混合，使得它们难以与传统制作的水凝胶整合。
研究人员通过重新思考水凝胶的制作方法，解决了这个长期困扰科学家的问题，开发出一种具备强大半导体特性的水凝胶。其结果是一种在水中优雅游动、类似水母的蓝色凝胶，同时保持了在生物组织与电子设备之间传递信息所需的强半导体性能。
理想的电子设备与生物组织之间的接口材料应柔软、具有延展性，并且与组织一样亲水——本质上是一种水凝胶。相反，半导体对生物电子设备（如心脏起搏器、生物传感器和药物传递系统）至关重要，但其刚性、脆弱并且排斥水，使得它们无法在传统水凝胶中整合。
近期发表于《科学》期刊的研究由芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）进行，提供了这一困扰研究人员多年的问题的解决方案。在助理教授王思洪的带领下，团队开发出一种凝胶，它在水中如水母般轻盈，同时具备重要的半导体特性，能够实现生物组织与机器之间的沟通。
这一创新材料在81 kPa的组织级柔软度下，能够拉伸至150%的变形，并且载流子迁移率达到1.4 cm² V⁻¹ s⁻¹。这意味着这种材料既能有效地作为半导体，也能作为水凝胶，满足最佳生物电子接口所需的所有要求。
研究的主要作者戴亚浩解释道：“创建可植入的生物电子设备需要解决达到类似组织机械特性的挑战。这确保了当设备与组织直接接触时，二者能够共同变形，从而建立紧密的生物接口。”
尽管研究主要解决植入式医疗设备（如生化传感器和心脏起搏器）中的挑战，戴指出该材料还拥有手术之外的应用潜力，包括增强皮肤 readings 和改善伤口护理。
助理教授王思洪表示：“它的机械特性非常柔软，并保持与生物组织相似的高度水合。此外，水凝胶高度多孔，促进各种营养物质和化学物质的有效运输。这些特性使水凝胶在组织工程和药物传递中尤其有价值。”
“让我们换个视角”
通常，制作水凝胶的过程是将一种材料溶解在水中，并添加凝胶剂将液体转化为凝胶。虽然某些材料能够轻易地溶解在水中，但其他材料则需要化学调整，但原则上是一致的：没有水就没有水凝胶。
然而，半导体并不溶解于水。芝加哥大学PME的研究人员没有试图使用繁琐的方法进行调整，而是重新考虑了他们的思路。
戴说：“我们想，‘让我们换个视角吧，’于是开发了一种溶剂交换过程。”
他们没有使用水来溶解半导体，而是采用了一种与水良好混合的有机溶剂。在此之后，他们将溶解的半导体与水凝胶前体结合，制成了一种凝胶。最初，这产生了一种有机凝胶而不是水凝胶。
戴解释道：“为了最终将其转化为水凝胶，我们将整个材料浸入水中，让有机溶剂挥发，水取而代之。”
这种溶剂交换方法具有显著的优势，因为它可以应用于多种不同功能的聚合物半导体。
“一加一大于二”
团队开发的水凝胶半导体已经获得专利，并通过芝加哥大学的波尔斯基创业与创新中心进行商业化，该材料将半导体和水凝胶特性结合为一体。
王解释道：“这是一种统一的材料，既具备半导体特性，又具备水凝胶特性，使其与任何其他水凝胶无异。”
然而，与标准水凝胶不同的是，这种新材料实际上在两个重要方面增强了生物功能，超过了水凝胶或半导体单独能够实现的效果。
首先，这种柔软材料与组织的直接结合最小化了植入医疗设备通常会引发的免疫反应和炎症。
其次，由于水凝胶的多孔性，新材料提高了生物传感响应，并增强了光调制效果。生物分子能够扩散到材料中，检测特定生物标志物的相互作用点显着增加，从而增强了灵敏度。除了感知，针对组织表面的光响应在治疗应用中也得到提升，有助于类似光驱动的心脏起搏器或能够通过光有效加热以加速愈合的敷料等功能。
王幽默地总结道：“这就是‘一加一大于二’的例子。”
