可灭菌垂直n型有机电化学晶体管用于皮肤贴合式心电监测的技术突破

本研究针对表皮生物信号监测设备稳定性差、极性响应不平衡等难题，开发了基于n型掺杂聚苯并二呋喃二酮(n-PBDF)的4端子垂直Corbino结构有机电化学晶体管(OECT)。该器件实现374 mS超高跨导、1787 F cm?1 V?1 s?1 的μC*值，兼具紫外/高温灭菌耐受性和200%拉伸稳定性，在10 mV超低电压下实现38.1 dB信噪比的7天连续心电监测，为可穿戴医疗提供了突破性解决方案。

　　

随着可穿戴医疗技术的快速发展，表皮生物信号监测设备面临三大核心挑战：传统PEDOT:PSS基有机电化学晶体管(OECT)存在信号极性响应不平衡问题，n型有机混合离子电子导体(OMIEC)易受氧化降解，以及现有设备难以兼顾高灵敏度、长期稳定性和灭菌耐受性。这些问题严重制约了可穿戴设备在临床级心电(ECG)监测等场景的应用。

针对这些瓶颈，首尔国立大学Keehoon Kang团队与Ambilight Inc.合作，创新性地开发了基于n型掺杂聚苯并二呋喃二酮(n-PBDF)的4端子垂直Corbino结构OECT(4-T vcOECT)。该研究通过分子设计、器件构型优化和系统验证，实现了目前报道最高的n型OECT性能指标：跨导(g_m
)达374 mS，μC*值突破1787 F cm^?1
V^?1
s^?1
，同时具备1.2 kHz截止频率和4000次开关循环稳定性。相关成果发表在《Materials Science and Engineering: R: Reports》上。

研究团队采用4端子测量技术降低寄生电阻，结合导电原子力显微镜(cAFM)和同步辐射掠入射X射线衍射(GIWAXS)表征材料结晶性，通过循环伏安法评估电化学稳定性，并建立湿度/机械/灭菌多维度测试体系。临床相关性验证采用健康志愿者7天连续ECG监测。

【分子设计及材料表征】
n-PBDF的LUMO能级(-4.94 eV)显著低于氧还原电位，其高结晶度(通过GIWAXS证实)和掺杂稳定性使材料在0.1 M NaCl电解液中保持4038 S/cm电导率，为后续器件性能奠定基础。

【电学特性】
4-T构型将接触电阻降低87%，实现1787 F cm^?1
V^?1
s^?1
的μC*值。在V_G
=0.1 V、V_DS
=0.6 V时获得374 mS跨导，比传统平面结构提高6倍。

【稳定性与灭菌耐受】
85%湿度下8小时性能衰减<5%，经121°C高压灭菌和254 nm紫外线照射后，电学参数变化均<3%。这种稳定性源于深LUMO能级和交联网络结构。

【机械性能】
5 μm弯曲半径下1000次循环测试后，电流保持率>98%。200%应变时器件电阻仅增加12%，得益于超薄(3 μm)结构和PBDF的本征柔性。

【ECG监测应用】
在10 mV工作电压下实现38.1 dB信噪比，7天内波形特征参数变异系数<4.2%，显著优于商业Ag/AgCl电极。

该研究通过分子-器件-系统三级创新，首次实现n型OECT在灭菌耐受性、机械柔性和长期稳定性方面的全面突破。4-T vcOECT架构为开发下一代可穿戴医疗设备提供了普适性平台，其低电压(10 mV)工作特性尤其适合植入式应用。值得注意的是，研究者通过企业合作(Ambilight Inc.)推动技术转化，体现了产学研协同的创新模式。未来可进一步探索该技术在脑机接口、汗液分析等多参数监测领域的拓展应用。