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水凝膠具有和生物組織相似的機械性能、含水量高和離子通透性好等特性，在組織工程、醫用敷料、生物傳感等領域具有廣泛的應用。水凝膠與導電材料復合后，可以實現電子導電，展現出優異的生物組織-電子器件界面特性，已經實現了多種檢測、診斷和治療功能。但是和硅基電子器件相比，水凝膠電子器件因為缺少半導體水凝膠材料，尚無法實現豐富的集成電路功能，例如開關、整流、運算、放大等。傳統的有機半導體材料難以實現水溶液加工，尚無法和傳統水凝膠復合，且無法在水溶液中實現優異的半導體性能。

針對這些挑戰，北京大學雷霆課題組提出了半導體水凝膠設計策略，填補了傳統水凝膠材料無法實現高性能電子電路的空白。他們通過將水溶性陽離子共軛高分子用抗離子交聯或與其他水凝膠共混形成多網絡結構，實現了兼具優異機械性能、半導體性能、界面性能和生物相容性的半導體水凝膠（圖1）。他們基于半導體水凝膠首次實現了具有優異開關特性的半導體水凝膠器件和邏輯電路，并實現了生物電信號的原位高信噪比放大。相關工作以“N-type Semiconducting Hydrogel”為題發表在Science上。

圖1半導體水凝膠的結構、摻雜機理與器件性能：A）半導體水凝膠兼具傳統水凝膠和有機半導體的多種特點；B）高分子P(PyV)的抗離子交聯機理和電化學摻雜機理；C-E）由半導體水凝膠構成的互補型邏輯電路及性能

P(PyV)高分子也可以與多種傳統水凝膠結合，構筑多網絡水凝膠材料（圖2A）。多網絡半導體水凝膠展現出良好的機械可拉伸性和生物粘附性。多網絡水凝膠也表現出和單網絡水凝膠可比擬的半導體性能，也可以實現開關、邏輯門和信號放大等多種電路功能。

這些半導體水凝膠具有良好的生物相容性，因此可以直接用作生物電子器件與生物組織的界面。由半導體水凝膠構成的反相器放大增益優于傳統有機半導體邏輯器件，可實現小信號的放大，對于1-100 Hz交流小信號的輸入，最高增益值可達79倍。基于半導體水凝膠互補型信號放大器，作者實現了多種電生理信號，包括眼電、心電、腦電和小鼠大腦皮層信號的高信噪比放大（圖2B-D）。

圖2基于半導體水凝膠的生物電子應用：A）多網絡水凝膠示意圖；B）心電、眼電測試示意圖及信號放大性能；C-D）小鼠原位腦電信號采集示意圖及結果

本研究首次實現高電學性能的半導體水凝膠的制備和電子器件應用，其兼具有機半導體優異的電學特性以及水凝膠獨特的機械和生物界面特性，擴展了有機半導體和水凝膠材料的應用范圍。利用半導體水凝膠可以構筑豐富的邏輯電路。通過半導體水凝膠放大器的原位放大，使得微弱生物信號在引入噪聲之前被放大，顯著提高了信號的信噪比，為高效的生物信號采集提供了新的思路。

博士研究生李佩雲和孫文熙是該論文的共同第一作者，雷霆研究員是通訊作者。合作者包括清華大學的戴小川課題組、北京大學呂世賢課題組和國家納米中心朱嘉課題組。該研究工作得到國家自然科學基金、北京市杰出青年基金、北京大學高性能計算平臺，北京大學材料加工與測試中心，北京大學化學與分子工程學院分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平臺和上海光源等的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adj4397