北京大学雷霆教授团队：迈向基于有机电化学晶体管的理想生物-电子接口

近日，北京大学雷霆教授团队的AMR述评文章“Toward Ideal Biointerfacing Electronics Using Organic Electrochemical Transistors”在线发表。文章着重介绍了该团队发展的调控有机电化学晶体管器件性能和生物界面的方法，包括高性能材料设计，器件结构优化，以及半导体水凝胶界面构筑等策略。同时对该领域面临的挑战和发展进行了展望。

关键词：有机混合离子电子导体；有机电化学晶体管；生物-电子接口

"In this Account, we summarize our group’s efforts to improve both the electronic and biointerfacial properties of OECTs, encompassing structure−property relationship studies, device optimization/fabrication, and biointerface enhancement."

01 文章内容简介

生物组织与电子设备之间的生物接口是物质传输、信号传递和能量转换的媒介。然而，组织与电子器件在力学模量、含水量等特性上存在显著差异，导致接口失配，严重影响器件性能和长期稳定性，构成了生物电子学领域的一个关键挑战。

有机电化学晶体管（OECT）采用柔软、亲水的有机半导体材料制备而成，具有低工作电压、高跨导以及可在水中工作等诸多优势。这些特性使OECT成为实现理想生物接口的有力候选者。在神经探针方面，OECT相较于传统的金属电极和无机半导体，已展现出卓越的生物相容性和信号检测能力。

尽管存在这些优势，OECT作为生物接口仍受到若干局限性的制约，包括性能有限；稳定性欠佳；p型、n型和双极性半导体之间的性能不匹配；相对较高的杨氏模量以及不尽人意的生物界面特性。

本述评总结了雷霆教授团队在提升OECT的电学性能和生物界面特性方面取得的成果，涵盖了结构-性能关系研究、器件优化以及生物界面调控。为阐明结构-性能关系，探索了高性能OECT的材料设计策略，提出了针对掺杂态结构设计的关键作用。基于OECT的独特性，他们设计了亲水性聚合物主链以取代传统的中性主链。这些亲水性离子主链促进了分子间的强相互作用，从而提高了器件工作稳定性。此外，他们发现构建高自旋聚合物能够开发出高性能、空穴和电子均衡传输的双极型材料。基于这些材料创新，推进了基于OECT的逻辑电路和纤维OECT的发展，实现了互补型和双极型逻辑电路以及基于可穿戴织物的生物传感器。最后，他们将水凝胶卓越的生物界面特性与有机半导体相结合，首次实现了半导体水凝胶材料。这类材料表现出优异的机械性能、电学性能和生物界面特性，能够实现体内电生理信号的原位放大。半导体水凝胶概念的提出和实现重新定义了OECT和水凝胶电子学的范畴，为构建理想的生物接口提供了一种新途径。

02 AMR：您选择该领域的初心是？

作者团队：

柔性脑机接口技术是“科技创新2030-脑科学与类脑研究”的重要内容，对相关疾病的诊断和治疗至关重要。有机电化学晶体管技术在构建脑机接口方面具有独特优势，受到人们的关注。但在十年前，材料、器件和界面方面的相关研究均不完善，限制了该领域的发展和应用。因此，我们团队聚焦领域关键科学问题，从材料结构创新出发，通过深入研究，逐步揭示了有机电化学晶体管材料的构效关系，针对p型、n型和双极型材料均提出了有效的设计策略，实现了基于有机电化学晶体管逻辑器件的集成和纤维基器件的构筑；最终通过半导体水凝胶策略改善了生物电子器件的界面特性。接下来，我们将继续努力，推动这一技术从前沿科学逐步走向实际应用，惠及民生。

03 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

我们认为该领域还存在以下关键挑战亟待研究和解决，包括：1. 材料和器件的长期稳定性，尤其是n型和双极器件的长期稳定性，仍然是限制因素。2. 实现大面积加工和高度集成的OECT电路，需同时解决栅极隔离和高速运行等问题。3. 基于半导体纤维的OECT面临在纺织品中集成方面的挑战，并且缺乏能够展现其独特优势的明确应用场景。4. 需要进一步探索开发除传感和放大之外的，具有更多样化功能的多功能生物接口应用。

04 AMR：您对该领域的人才培养有何建议？

雷霆教授：

生物电子学是一门面向实际应用的交叉学科，需要物理、化学、生物、材料、电子、医学等学科的背景知识。在进行理论学习和科学实验的过程中，我们鼓励年轻的科研工作者不怕困难，勇于探索，敢于试错，积极学习相关专业知识，拓展全球视野。此外，应该加强与其他领域研究者的合作，将最新的科学技术成果应用于前沿研究中。

作者团队简介

北京大学

博雅特聘教授 雷霆

雷霆，北京大学博雅特聘教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。分别于2008年和2013年在北京大学获得学士和博士学位，导师：裴坚教授。2013-2018年在斯坦福大学化工系从事博士后研究，合作导师：鲍哲南院士。2018年加入北京大学，主要开展新型有机高分子半导体材料、柔性电子和生物电子器件的研究。已发表论文80余篇，总引用超17000余次，H因子59，相关研究成果被Science、Nature等期刊和国内外多家媒体进行了报道。近五年，以通讯作者发表学术论文20余篇，包括Science, Sci. Adv., Nat. Commun.等。申请中国和国际专利12项，已获授权7项，部分专利成果已实现规模化生产。获中国化学会青年化学奖，北京市杰出青年基金，中国化学会高分子青年学者奖等多项荣誉与奖励。

北京大学

材料科学与工程学院

博士研究生 李佩雲

李佩雲，2019年于华中科技大学获学士学位，同年加入雷霆教授课题组，于2024年获得北京大学材料学博士学位。她博士期间的研究方向为面向生物电子学的n型有机电化学晶体管材料。

扫码阅读雷霆教授团队的精彩Account文章：

Toward Ideal Biointerfacing Electronics Using Organic Electrochemical Transistors

Peiyun Li and Ting Lei*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00030

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