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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(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、醫(yī)學(xué)治療、生命科學(xué)研究等方面提供了重要的機(jī)會(huì)。然而，生物電子器件器件的實(shí)用化面臨著如下挑戰(zhàn)：首先，現(xiàn)有的生物電子器件無(wú)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(huì)阻礙其與靶向目標(biāo)物的電耦合；其次，器件封裝層較高的楊氏模量會(huì)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(shí)，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(jìn)而造成信號(hào)損失。為了解決上述問(wèn)題，需從材料設(shè)計(jì)出發(fā)，研制具有抗生物污染及高柔性、高順應(yīng)性的有機(jī)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(xì)胞選擇性電偶聯(lián)、柔軟性和機(jī)械順應(yīng)性的仿生OECT陣列。(a)仿生器件設(shè)計(jì)示意圖。(b)從水中取出的仿生OECT陣列的光學(xué)照片。(c)仿生 OECT陣列貼合人體內(nèi)手腕的光學(xué)照片。(d)細(xì)胞在仿生OECT陣列上培養(yǎng)的光學(xué)照片，細(xì)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(qián)思昊為第一作者，朱波教授團(tuán)隊(duì)與王林軍、黃健教授團(tuán)隊(duì)，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(tuán)隊(duì)基于目前生物電子器件實(shí)用所面臨的技術(shù)瓶頸，以兩性離子功能化有機(jī)電子材料為基礎(chǔ)，發(fā)展了基于兩性離子功能化有機(jī)電子材料的光刻制造工藝，研制出仿生有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）器件陣列（圖1）。該器件可在全表面表達(dá)兩性離子基團(tuán)，具有強(qiáng)親水性，有效抵御蛋白、細(xì)胞等生物污染；同時(shí)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(qiáng)大毛細(xì)力可驅(qū)動(dòng)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(xì)胞干擾物存在下與心肌細(xì)胞高選擇性電偶聯(lián)，同時(shí)也可與皮膚高適形貼合并抵御表皮油脂的污染，實(shí)現(xiàn)對(duì)心電圖（ECG）密切穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。該工作可以為高生物抗污高柔性有機(jī)電子器件的制備提供普適性平臺(tái)，促進(jìn)生物電子器件陣列在現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際應(yīng)用。

  該工作的具體研究?jī)?nèi)容如下：

  首先，通過(guò)設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)別多肽RGD的具有防污和識(shí)別目標(biāo)細(xì)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(shí)間；(d)電化學(xué)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(duì)應(yīng)的(f)轉(zhuǎn)移曲線和跨導(dǎo)；(g)白細(xì)胞在溝道上培養(yǎng)12 h的光學(xué)顯微鏡圖以及對(duì)應(yīng)的(h)轉(zhuǎn)移曲線和跨導(dǎo)。

圖4.聚對(duì)二甲苯（Parylene）和兩性離子功能化聚對(duì)二甲苯（PMPC-Parylene）封裝的柔性OECT陣列潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)順應(yīng)性、柔軟性和界面貼附性；(a)水滴在器件上浸潤(rùn)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(cè)試器件陣列表面的毛細(xì)粘附力；(e)器件陣列的表面楊氏模量。

圖5. 仿生OECT陣列的細(xì)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(xì)胞（綠色）和白細(xì)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(xì)胞（綠色）和白細(xì)胞（紅色）的熒光顯微鏡照片(左)以及對(duì)應(yīng)的記錄的HL-1細(xì)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(cè)心電圖的接線示意圖；(b)貼附在皮膚的OECT陣列的光學(xué)照片；(c) 18溝道OECT陣列記錄的心電信號(hào)；(d) PEDOT:PSS溝道和仿生溝道檢測(cè)心電信號(hào)前（右）和檢測(cè)后用水沖洗（左）的光學(xué)顯微鏡照片；(e) PEDOT:PSS溝道和防污溝道記錄的信號(hào) （左）與檢測(cè)后用水沖洗脂質(zhì)污垢后再次記錄的心電信號(hào)（右）；(f) 檢測(cè)后用水沖洗脂質(zhì)污垢后再次記錄的尖峰信號(hào)的放大圖。

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