北京大学雷霆团队在弹性生物信号放大器领域取得重要突破
11 小时前

生物组织在心跳、呼吸及日常运动中持续发生复杂形变,而体内微弱电生理信号易受噪声干扰。动态生理环境下,组织与器件界面的机械扰动、信号传输及采集过程中的系统噪声,均可能降低信号记录的质量与可靠性。如何在柔软、湿润且动态变形的体内环境中稳定获取高质量信号,是植入式生物电子器件面临的关键挑战。针对此,北京大学材料科学与工程学院雷霆教授团队提出“材料—界面—电路”协同设计新策略,成功开发出应变不敏感的弹性有机电化学晶体管(OECT)放大器。该放大器能贴合动态生物组织,在运动组织界面对微弱电生理信号进行原位放大,提升信号记录质量。研究发展了高性能、可拉伸、稳定的新型n型OECT材料P(bgTDPP-TVT-CN2),该材料在高应变下仍能保持稳定电学性能,为构建弹性互补OECT电路提供关键材料基础。研究团队还通过苄基硫醇自组装单分子层增强聚合物半导体与金电极间的界面结合,提高器件在湿润和反复拉伸条件下的稳定性。在电路层面,研究团队将高拉伸性n型与p型OECT材料配合,构建弹性互补型OECT逻辑电路,用于生物信号放大。与单个晶体管或负载二极管型电路相比,互补电路能利用n型和p型器件在形变过程中的协同响应相互补偿,有效降低机械形变导致的信号漂移和性能衰减。性能测试显示,该弹性OECT放大器能在低于1.0V的工作电压下实现高增益放大,最高电压增益约140V/V,并在不同拉伸应变下保持稳定增益和开关阈值,综合性能达同类器件最高水平。此外,器件在血浆中浸泡14天、在PBS溶液中浸泡24天后仍能保持功能,表明其具备良好的长期生理环境运行稳定性。面向植入式应用需求,研究团队进一步开展了系统性的生物相容性和体内性能验证。细胞实验表明,P(bgTDPP-TVT-CN2)具有较低细胞毒性;组织学结果显示,与传统PI基柔性器件相比,弹性器件在植入后表现出更低的免疫反应。与被动电极相比,弹性放大器显著提高了信号质量,信噪比达到25.12±3.20dB,明显高于被动电极的11.08±2.62dB。此外,研究还在兔心外膜电信号记录中实现了超过10倍的信号放大,进一步验证了该弹性OECT放大器在多种体内电生理场景中的应用潜力。本研究通过高拉伸n型OECT材料、界面调控和互补电路补偿策略,突破了弹性生物电子器件在湿润、动态体内环境中同时实现机械稳定、信号放大和高信噪比记录的难题,为下一代植入式电生理监测器件、柔性生物电子界面和长期体内健康监测系统提供了新的技术路径。