將電子裝置與活體組織連接起來的完美材料是柔軟、可伸展的，而且與組織本身一樣親水，因此水凝膠是理想的選擇。 與此相反，半導體是心臟起搏器、生物感測器和給藥裝置等生物電子裝置的關鍵材料，具有剛性、脆性和疏水性，因此無法按照傳統的水凝膠製造方式溶解。芝加哥大學的新型水凝膠半導體為生物電子學提供了一種突破性的解決方案，它將類似組織的特性與高電子功能融為一體，提高了醫療設備的整合和有效性。

芝加哥大學普立茲克分子工程學院（UChicago Pritzker School of Molecular Engineering）助理教授王思宏（Sihong Wang）實驗室的研究人員開發出一種水凝膠，它能保持在活體組織和機器之間傳輸訊息所需的半導體能力，可用於植入式醫療設備和非手術應用。 圖片來源：芝加哥大學普立茲克分子工程學院/John Zich

芝加哥大學普利茲克分子工程學院的科學家們在《科學》雜誌上發表的一項新研究中，透過創新水凝膠的製造方法，以水凝膠形式製造出了一種功能強大的半導體，從而克服了這一長期存在的障礙。 在王思宏副教授研究小組的領導下，他們研製出了一種淡藍色凝膠，這種凝膠能像水母一樣在水中起伏，但仍能保持在活體組織和電子設備之間傳遞訊息所需的巨大半導體能力。

芝加哥大學普利茲克分子工程學院助理教授王思宏（右）和博士生戴亞浩（新論文的第一作者）與新開發的水凝膠半導體。 圖片來源：芝加哥大學普利茲克分子工程學院/John Zich

新材料的特性與應用

此材料的組織級模量軟至81 kPa，拉伸應變為150%，電荷載子遷移率高達1.4 cm2 V-1 s-1。 這意味著他們的材料–既是半導體又是水凝膠–滿足了理想生物電子介面的所有要求。

新論文的第一作者戴亞浩說：”在製​​造植入式生物電子設備時，你必須應對的一個挑戰是製造一種具有類似組織機械特性的設備。這樣，當它與組織直接對接時，它們就能一起變形，還能形成一個非常親密的生物介面。

芝加哥大學普立茲克分子工程學院（UChicago Pritzker School of Molecular Engineering）助理教授王思宏（Sihong Wang）實驗室的研究人員開發出了一種水凝膠，它能保持在活體組織和機器之間傳輸訊息所所需的半導體能力，可用於植入式醫療設備及非手術應用。 圖片來源：芝加哥大學普利茲克分子工程學院/John Zich

雖然論文主要關注的是生化感測器和心臟起搏器等植入式醫療設備所面臨的挑戰，但戴亞浩說，這種材料也有許多潛在的非手術應用，例如更好地讀取皮膚資訊或改善傷口護理。

芝加哥大學PME 助理教授王思宏說：”水凝膠具有非常柔軟的機械性能和很大程度的水合作用，類似於活組織。水凝膠還具有多孔性質，因此可以有效地擴散輸送各種營養和化學物質。

創新的生產技術

製造水凝膠的典型方法是取一種材料，將其溶於水，然後加入凝膠化化學品，將新液體膨化成凝膠狀。 有些材料只是簡單地溶解於水，有些材料則需要研究人員在製作過程中進行化學修飾，但核心機制都是一樣的：沒有水，就沒有水凝膠。

然而，半導體通常不會溶於水。 芝加哥大學的PME 團隊並沒有尋找新的、耗時的方法來強制這個過程，而是重新研究了這個問題。

「我們開始思考，’好吧，讓我們換個角度’，於是我們想到了溶劑交換過程。為了最終把它變成水凝膠，我們把整個材料系統浸入水中，讓有機溶劑溶出，讓水進入， 「戴亞浩說。

他們沒有將半導體溶解在水中，而是將其溶解在一種能與水混溶的有機溶劑中。 然後，他們用溶解的半導體和水凝膠前體製備凝膠。 他們的凝膠最初是一種有機凝膠，而不是水凝膠。

這種基於溶劑交換的方法的一個重要優點是，它可廣泛適用於具有不同功能的不同類型的聚合物半導體。

芝加哥大學普立茲克分子工程學院研究小組成員。 圖片來源：芝加哥大學普利茲克分子工程學院/John Zich

結合半導體和水凝膠的優勢

該團隊已經申請了水凝膠半導體的專利，並透過芝加哥大學的波爾斯基創業與創新中心將其商業化。 它是一種既是半導體又是水凝膠的材料。

王說：”這只是一塊同時具有半導體特性和水凝膠設計的材料，也就是說，這一整塊材料就像其他水凝膠一樣。”

然而，與其他任何水凝膠不同的是，這種新材料實際上在兩個方面改善了生物功能，創造了比水凝膠或半導體本身所能達到的更好效果。

首先，讓非常柔軟的材料直接與組織結合，可以減少植入醫療設備時通常會引發的免疫反應和發炎。

其次，由於水凝膠的多孔性，這種新材料可以提高生物感測反應和光調節效應。 由於生物分子能夠擴散到薄膜中進行體積相互作用，因此被檢測生物標記的相互作用位點大大增加，從而提高了靈敏度。 除感測外，組織表面對治療功能的光反應也因氧化還原活性物種的更有效傳輸而增加。 這對光控心臟起搏器或傷口敷料等功能大有裨益。

編譯自/ ScitechDaily