生物相容性弹性有机晶体管：植入式电子器件的革命性突破

研究人员针对传统植入式电子器件与生物组织机械性能不匹配导致的炎症和组织损伤问题，开发了一种基于DPPT-TT/BIIR（聚二噻吩-alt-二酮吡咯并吡咯/溴化异丁烯-异戊二烯橡胶）复合材料的弹性有机场效应晶体管（sOFET）。该器件具有与人体组织相近的杨氏模量，在50%应变下保持稳定电学性能，并通过银-金双层电极实现抗生物流体腐蚀。体外实验证实其对成纤维细胞和巨噬细胞无毒性，小鼠体内植入30天未引发显著炎症反应。该研究为下一代可拉伸植入式生物电子提供了关键材料平台，发表于《Nature Electronics》。

　　

现代医疗中，心脏起搏器、神经刺激器等植入式电子设备已成为治疗疾病的重要手段。然而，这些设备通常采用硅基半导体和金属材料，其刚性特性与柔软的人体组织形成显著机械差异，长期植入可能导致微损伤、炎症甚至组织坏死。尽管近年来可拉伸水凝胶电极取得进展，但与之匹配的可拉伸晶体管电路仍面临生物相容性不足和离子干扰等问题。传统弹性体如聚二甲基硅氧烷（PDMS）虽具弹性，但缺乏医疗认证，可能引发慢性异物反应。

针对这一挑战，Kyu Ho Jung、Jiyu Hyun等研究者开发了一种革命性的生物相容性弹性有机晶体管。研究团队选择医疗级溴化异丁烯-异戊二烯橡胶（BIIR）作为基质，与半导体聚合物聚[（二噻吩）-alt-（2,5-双（2-辛基十二烷基）-3,6-双（噻吩基）-二酮吡咯并吡咯）]（DPPT-TT）通过硫化交联形成复合薄膜。这种设计巧妙利用两种材料的表面能差异，使DPPT-TT在BIIR基质中自组装形成纳米纤维网络，既保持半导体性能又赋予材料本征可拉伸性。

关键技术方法包括：1）通过硫化反应构建DPPT-TT/BIIR（3:7重量比）复合半导体薄膜；2）采用银-金双层金属化工艺制备抗腐蚀可拉伸电极；3）使用人真皮成纤维细胞（hDFs）和巨噬细胞（RAW264.7）进行体外生物相容性评估；4）通过BALB/C小鼠皮下植入模型开展30天体内实验。

材料设计与硫化

通过优化DPPT-TT与BIIR的混合比例（1:9至9:1），发现3:7配比在保持场效应迁移率（0.1 cm² V^-1 s^-1）的同时可实现100%应变无裂纹。傅里叶变换红外光谱证实硫化过程选择性交联BIIR链而不破坏DPPT-TT共轭结构，原子力显微镜显示应变下半导体纳米纤维定向排列形成稳定导电通路。

可植入晶体管阵列

采用Ag（30 nm）/Au（30 nm）双层电极的晶体管在人工汗液中浸泡72小时后电阻保持10³ Ω，比纯Ag或Au电极更具稳定性。5×5有源矩阵阵列在50%应变下保持均匀性能，器件间ON电流变异系数<15%，满足生物电路集成需求。

生物相容性验证

体外实验显示，与SEBS（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯）相比，DPPT-TT/BIIR复合膜显著降低巨噬细胞促炎标志物CD86表达（P<0.05）。30天小鼠植入实验显示，该材料引发的纤维囊厚度（Masson染色测定）比PDMS组减少42%，α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）阳性肌成纤维细胞浸润更少。

逻辑电路应用

构建的逆变器、或非门（NOR）和与非门（NAND）在50%应变下保持稳定增益（逆变器增益>8 V/V）。植入小鼠3天后，电路输出特性未受生物环境影响，Western blot分析显示炎症因子水平与假手术组无统计学差异。

这项研究通过分子设计解决了植入电子器件生物相容性与机械性能的关键矛盾。DPPT-TT/BIIR复合材料兼具半导体性能和类组织弹性，其医疗级组分符合ISO 10993标准，双层金属化电极突破传统植入电极的腐蚀瓶颈。该技术为发展可长期整合的神经接口、智能假肢等医疗器械奠定基础，推动生物电子学向更安全、更舒适的方向发展。