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  生物電子器件作為一種新興的醫(yī)療工具，在健康監(jiān)測、醫(yī)學診斷、醫(yī)學治療、生命科學研究等方面提供了重要的機會。然而，生物電子器件器件的實用化面臨著如下挑戰(zhàn)：首先，現(xiàn)有的生物電子器件無法避免非特異性作用，在復(fù)雜的生物環(huán)境中產(chǎn)生的生物污染會阻礙其與靶向目標物的電耦合；其次，器件封裝層較高的楊氏模量會導(dǎo)致其與生物組織模量不匹配，易誘發(fā)炎癥反應(yīng)；同時，器件較差的順應(yīng)性難以在不規(guī)則生物表面高適形貼附，進而造成信號損失。為了解決上述問題，需從材料設(shè)計出發(fā)，研制具有抗生物污染及高柔性、高順應(yīng)性的有機電子材料，以制備新型生物電子器件陣列。

圖1 具有抗非特異性蛋白作用、細胞選擇性電偶聯(lián)、柔軟性和機械順應(yīng)性的仿生OECT陣列。(a)仿生器件設(shè)計示意圖。(b)從水中取出的仿生OECT陣列的光學照片。(c)仿生 OECT陣列貼合人體內(nèi)手腕的光學照片。(d)細胞在仿生OECT陣列上培養(yǎng)的光學照片，細胞僅附著在RGD功能化的兩性離子PEDOT溝道上。

  近期，博士生張守燕和錢思昊為第一作者，朱波教授團隊與王林軍、黃健教授團隊，以“Intrinsically Antifouling, soft and conformal bioelectronic from scalable fabrication of Thin-Film OECT arrays by zwitterionic polymers”為題在《Chemical Engineering Journal》上發(fā)表研究文章。該團隊基于目前生物電子器件實用所面臨的技術(shù)瓶頸，以兩性離子功能化有機電子材料為基礎(chǔ)，發(fā)展了基于兩性離子功能化有機電子材料的光刻制造工藝，研制出仿生有機電化學晶體管（OECT）器件陣列（圖1）。該器件可在全表面表達兩性離子基團，具有強親水性，有效抵御蛋白、細胞等生物污染；同時在保證器件工作性能的基礎(chǔ)上，水合兩性離子聚合物產(chǎn)生的強大毛細力可驅(qū)動器件在非平面表面上適形貼合，兼具高貼合性與低模量。該仿生OECT器件可在白細胞干擾物存在下與心肌細胞高選擇性電偶聯(lián)，同時也可與皮膚高適形貼合并抵御表皮油脂的污染，實現(xiàn)對心電圖（ECG）密切穩(wěn)定監(jiān)測。該工作可以為高生物抗污高柔性有機電子器件的制備提供普適性平臺，促進生物電子器件陣列在現(xiàn)實生活中的實際應(yīng)用。

  該工作的具體研究內(nèi)容如下：

  首先，通過設(shè)計和優(yōu)化制備仿生柔性OECT陣列的工藝流程，成功獲得了以兩性離子磷酸膽堿功能化的聚對二甲苯（PMPC-Parylene）為封裝層，以磷酸膽堿功能化3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT-PC）和羧酸功能化3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT-COOH）共聚物為防污溝道，以及耦合生物識別多肽RGD的具有防污和識別目標細胞的仿生溝道的18陣列柔性OECT器件（圖2）。

圖3. OECT（PEDOT:PSS溝道，防污溝道和RGD功能化溝道）的電性能和生物防污性能。(a)輸出曲線；(b)傳遞曲線（黑色）和相應(yīng)的跨導(dǎo)（紅色）； (c)響應(yīng)時間；(d)電化學阻抗圖；(e)不同溝道在熒光蛋白溶液中孵育30分鐘后的熒光顯微鏡圖以及對應(yīng)的(f)轉(zhuǎn)移曲線和跨導(dǎo)；(g)白細胞在溝道上培養(yǎng)12 h的光學顯微鏡圖以及對應(yīng)的(h)轉(zhuǎn)移曲線和跨導(dǎo)。

圖4.聚對二甲苯（Parylene）和兩性離子功能化聚對二甲苯（PMPC-Parylene）封裝的柔性OECT陣列潤濕驅(qū)動順應(yīng)性、柔軟性和界面貼附性；(a)水滴在器件上浸潤性能；(b)從水中取出器件后的變形性；(c)在圓形溝槽（半徑= 1.5 mm）的適形貼合性；(d) AFM測試器件陣列表面的毛細粘附力；(e)器件陣列的表面楊氏模量。

圖5. 仿生OECT陣列的細胞選擇性作用和電偶聯(lián)。(a) PEDOT:PSS溝道、(b)防污溝道和(c) RGD溝道捕獲的MCF-7細胞（綠色）和白細胞（紅色）的熒光顯微鏡照片（上），以及相應(yīng)轉(zhuǎn)移曲線（下）；(d) PEDOT:PSS溝道和(e) RGD溝道上捕獲的HL-1細胞（綠色）和白細胞（紅色）的熒光顯微鏡照片(左)以及對應(yīng)的記錄的HL-1細胞具有代表性的尖峰痕跡(右)。

圖6.仿生OECT陣列與皮膚緊密穩(wěn)定的電耦合。(a) OECT陣列檢測心電圖的接線示意圖；(b)貼附在皮膚的OECT陣列的光學照片；(c) 18溝道OECT陣列記錄的心電信號；(d) PEDOT:PSS溝道和仿生溝道檢測心電信號前（右）和檢測后用水沖洗（左）的光學顯微鏡照片；(e) PEDOT:PSS溝道和防污溝道記錄的信號 （左）與檢測后用水沖洗脂質(zhì)污垢后再次記錄的心電信號（右）；(f) 檢測后用水沖洗脂質(zhì)污垢后再次記錄的尖峰信號的放大圖。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148980