生物电子器件作为一种新兴的医疗工具，在健康监测、医学诊断、医学治疗、生命科学研究等方面提供了重要的机会。然而，生物电子器件器件的实用化面临着如下挑战：首先，现有的生物电子器件无法避免非特异性作用，在复杂的生物环境中产生的生物污染会阻碍其与靶向目标物的电耦合；其次，器件封装层较高的杨氏模量会导致其与生物组织模量不匹配，易诱发炎症反应；同时，器件较差的顺应性难以在不规则生物表面高适形贴附，进而造成信号损失。为了解决上述问题，需从材料设计出发，研制具有抗生物污染及高柔性、高顺应性的有机电子材料，以制备新型生物电子器件阵列。
图1 具有抗非特异性蛋白作用、细胞选择性电偶联、柔软性和机械顺应性的仿生OECT阵列。(a)仿生器件设计示意图。(b)从水中取出的仿生OECT阵列的光学照片。(c)仿生 OECT阵列贴合人体内手腕的光学照片。(d)细胞在仿生OECT阵列上培养的光学照片，细胞仅附着在RGD功能化的两性离子PEDOT沟道上。
近期，博士生张守燕和钱思昊为第一作者，朱波教授团队与王林军、黄健教授团队，以“Intrinsically Antifouling, soft and conformal bioelectronic from scalable fabrication of Thin-Film OECT arrays by zwitterionic polymers”为题在《Chemical Engineering Journal》上发表研究文章。该团队基于目前生物电子器件实用所面临的技术瓶颈，以两性离子功能化有机电子材料为基础，发展了基于两性离子功能化有机电子材料的光刻制造工艺，研制出仿生有机电化学晶体管（OECT）器件阵列（图1）。该器件可在全表面表达两性离子基团，具有强亲水性，有效抵御蛋白、细胞等生物污染；同时在保证器件工作性能的基础上，水合两性离子聚合物产生的强大毛细力可驱动器件在非平面表面上适形贴合，兼具高贴合性与低模量。该仿生OECT器件可在白细胞干扰物存在下与心肌细胞高选择性电偶联，同时也可与皮肤高适形贴合并抵御表皮油脂的污染，实现对心电图（ECG）密切稳定监测。该工作可以为高生物抗污高柔性有机电子器件的制备提供普适性平台，促进生物电子器件阵列在现实生活中的实际应用。
该工作的具体研究内容如下：
首先，通过设计和优化制备仿生柔性OECT阵列的工艺流程，成功获得了以两性离子磷酸胆碱功能化的聚对二甲苯（PMPC-Parylene）为封装层，以磷酸胆碱功能化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）共聚物为防污沟道，以及耦合生物识别多肽RGD的具有防污和识别目标细胞的仿生沟道的18阵列柔性OECT器件（图2）。
随后，对器件的电性能与生物抗污性能进行了研究（图3）。仿生OECT器件具有与未功能化器件相当的电性能（输出曲线、转移曲线和跨导），同时基于两性离子水合作用，赋予器件更快的响应速度和更低的阻抗。仿生OECT器件还能够抵抗非特异性蛋白（荧光BSA）和非特异性细胞（白细胞）的作用，在复杂环境中保持转移曲线和跨导不发生变化，避免了复杂生物环境中因非特异性结合的蛋白质/细胞而带来的干扰。
图2.抗生物污染的仿生OECT阵列光刻制备。(a)仿生器件光刻集成流程图；(b)-(d)仿生封装层的设计和生物防污性能；(e)-(g)仿生沟道的设计及生物防污性能；(k)-(n)仿生柔性OECT阵列的制备及18沟道阵列的电性能。
图3. OECT（PEDOT:PSS沟道，防污沟道和RGD功能化沟道）的电性能和生物防污性能。(a)输出曲线；(b)传递曲线（黑色）和相应的跨导（红色）； (c)响应时间；(d)电化学阻抗图；(e)不同沟道在荧光蛋白溶液中孵育30分钟后的荧光显微镜图以及对应的(f)转移曲线和跨导；(g)白细胞在沟道上培养12 h的光学显微镜图以及对应的(h)转移曲线和跨导。
同时，仿生OECT器件封装层表达的两性离子磷酸胆碱（PMPC）基团，可在水驱动下发生顺应性变形，能够无间隙的适形贴附于拓扑表面模型上，进而可与生物组织建立稳定而紧密的电耦合（图4）。另外，器件表面弹性模量约为35 kPa，比未功能化的器件小3个多数量级，非常接近生物表面的表面模量，具有较好的生物相容性。
图4.聚对二甲苯（Parylene）和两性离子功能化聚对二甲苯（PMPC-Parylene）封装的柔性OECT阵列润湿驱动顺应性、柔软性和界面贴附性；(a)水滴在器件上浸润性能；(b)从水中取出器件后的变形性；(c)在圆形沟槽（半径= 1.5 mm）的适形贴合性；(d) AFM测试器件阵列表面的毛细粘附力；(e)器件阵列的表面杨氏模量。
此外，由于仿生OECT可以有效抵抗非特异性细胞（白细胞）的粘附，其耦合RGD后，沟道可以在白细胞干扰存在的情况下高选择性捕获靶向循环肿瘤细胞MCF-7并传感（图5）。器件的仿生设计能够保证电压偏移信号完全来自目标细胞，提高了检测可靠性和特异性。另外，仿生OECT沟道能够在白细胞存在的条件下与心肌细胞高特异性作用，保证复杂环境中对心肌细胞信号记录的质量。
图5. 仿生OECT阵列的细胞选择性作用和电偶联。 (a) PEDOT:PSS沟道、(b)防污沟道和(c) RGD沟道捕获的MCF-7细胞（绿色）和白细胞（红色）的荧光显微镜照片（上），以及相应转移曲线（下）；(d) PEDOT:PSS沟道和(e) RGD沟道上捕获的HL-1细胞（绿色）和白细胞（红色）的荧光显微镜照片(左)以及对应的记录的HL-1细胞具有代表性的尖峰痕迹(右)。
最后，我们研究了18通路仿生OECT器件阵列对心电信号收集的效果（图6）。可以发现，全仿生OECT器件阵列可以高适形贴合于皮肤表面，18通路均可高质量监测心电信号；而商用parylene封装的OECT器件阵列则无法保证18通路均可高质量收集心电信号。同时，仿生OECT器件阵列的生物抗污特性还可有效抵御表皮油脂污染，仅通过简单的水洗即可恢复其清洁，并在二次利用测试时获得几乎不变的信号记录能力。而商用PEDOT:PSS沟道则存在较大信号损失。该仿生OECT器件优异的性能证明了其在长期生理监测方面的优越潜力。
图6.仿生OECT阵列与皮肤紧密稳定的电耦合。(a) OECT阵列检测心电图的接线示意图；(b)贴附在皮肤的OECT阵列的光学照片；(c) 18沟道OECT阵列记录的心电信号；(d) PEDOT:PSS沟道和仿生沟道检测心电信号前（右）和检测后用水冲洗（左）的光学显微镜照片；(e) PEDOT:PSS沟道和防污沟道记录的信号 （左）与检测后用水冲洗脂质污垢后再次记录的心电信号（右）；(f) 检测后用水冲洗脂质污垢后再次记录的尖峰信号的放大图。
本工作是舌尖狂扫桃花蕊小说研究团队近期关于生物电子器件的最新进展之一，得到国家自然科学基金（22175111、21474014、21704013和11875186）和中国博士后科学基金（2017M611416）的支持。该研究团队专注于生物有机电子材料与器件的相关研究，聚焦生物电子器件应用需求导向的材料设计，及功能材料对生物电子器件的赋能。近年来，设计制备了具高抗生物抗污性能（Nature Communications, 2014, 5, 4523）与电响应耦合性能（Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1703890）的仿生导电高分子材料，以实现对生物电极长期植入过程中免疫炎症反应的有效抑制；进一步探索了仿生导电高分子材料结构与生物抗污、电化学稳定性的协同关系（Journal of Materials Chemistry B, 2021, 9, 2717–2726），及导电高分子电极机械强度增强技术（Applied Surface Science, 2023, 621, 156902），以保证长期植入过程中材料、器件的机械稳定性。此外，发展了可选择性粘附神经细胞图案化表面的光刻制备技术（ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 12362−12372）及高生物相容柔性电子器件的打印制备技术（Sensors & Actuators: B. Chemical 2022, 373, 132703），致力于实现功能材料与生物电子器件的集成。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148980
