拉伸100%依然稳定！北京大学，最新Nature Sensors：打造植入式“信号放大器”，心电信号更清晰

随着植入式生物电子器件的发展，人们越来越希望电子设备能够像人体组织一样柔软、可拉伸，并能够长期稳定地贴附在器官表面。然而，人体组织始终处于动态运动状态，传统刚性电子器件不仅容易因拉伸而性能下降，在潮湿环境中还容易发生腐蚀、脱层等问题。更重要的是，人体产生的心电、脑电等生物电信号本身十分微弱，在组织与器件之间极易受到噪声干扰，因此仅依赖体外放大往往难以获得高质量信号。如何构建一种既能够适应组织形变，又能够在体内直接完成信号放大的植入式电子器件，一直是柔性生物电子领域的重要挑战。

近日，北京大学雷霆教授和张志副研究员提出了一种材料、器件与电路协同设计的新策略，成功开发出一种应变不敏感的弹性有机电化学晶体管（OECT）放大器。研究团队首先设计了一种兼具高导电性和高拉伸性的n型有机半导体材料P(bgTDPP-TVT-CN2)，随后利用自组装单分子层增强器件在水环境中的界面稳定性，并结合互补型OECT电路，实现了拉伸过程中电流自动补偿，使器件即使在大幅形变下仍能保持稳定放大性能。最终，该器件成功植入动物体内，实现了心电信号的原位放大与高保真记录，为下一代长期植入式生物电子系统提供了新的技术路线。相关成果以‘Elastic in vivo biosignal amplifiers based on strain-insensitive material and circuit design’为题发表在《Nature Sensor》上，孙文熙为第一作者。

论文首先介绍了整个研究思路（图1）。传统植入式电极只能将微弱信号传输到外部，再由外部设备进行放大，这一过程中不可避免地会引入大量噪声（图1b-i）。随后发展的单个OECT虽然能够在体内直接放大电流信号，但输出形式与现有采集系统并不兼容，而且器件受拉伸影响较大，容易产生电流漂移（图1b-ii）。为了解决这些问题，研究团队提出利用互补型OECT反相器实现原位电压放大（图1b-iii）。整个放大器由新开发的n型材料P(bgTDPP-TVT-CN2)与已有的p型材料P(g2T-T)共同组成（图1c），当器件受到拉伸时，两种晶体管的电流变化能够相互补偿，使输出电压几乎保持恒定，从根本上消除了应变带来的信号漂移（图1d）。

图1：提出应变不敏感弹性OECT放大器总体设计，比较传统电极、单OECT和互补OECT放大方式，介绍材料—器件—电路协同设计理念。

有了整体设计思路之后，研究人员首先从材料入手，开发了一种真正适用于弹性OECT的新型n型聚合物（图2）。研究团队在经典TDPP骨架基础上引入TVT结构，并进一步利用氰基调控电子分布，同时接枝支化乙二醇侧链，使聚合物兼具高电子传输能力、离子传输能力和优异柔韧性。测试结果显示，该材料构筑的OECT具有高达163.3 F cm⁻¹ V⁻¹ s⁻¹的综合性能参数，在2000次连续开关后仍保持约96%的性能，循环30000次后仍保持80%以上稳定性，在目前高性能n型OECT材料中处于领先水平（图2a-c）。更重要的是，这种材料真正实现了“越拉越稳定”的特性。当器件分别经历25%、50%、75%甚至100%的拉伸后，其跨导几乎保持不变（图2d）。AFM形貌显示，即使拉伸100%，薄膜依然没有出现明显裂纹（图2e）。进一步结合GIWAXS和偏振紫外光谱分析发现，聚合物内部原本较为无序的分子链在拉伸过程中逐渐发生重新排列，晶体结构沿拉伸方向取向（图2f、g），这种“旋转—重排”机制能够有效释放应力（图2h），因此材料能够在大幅拉伸过程中仍保持稳定导电性能。这也为后续弹性器件的构建奠定了材料基础。

图2：设计新型n型聚合物P(bgTDPP-TVT-CN2)，展示其高稳定性、高拉伸性及聚合物链在拉伸过程中的重排机制。

在获得高性能材料之后，研究团队进一步构建完整的弹性OECT器件（图3）。器件采用SEBS弹性基底、预拉伸金电极以及PDMS封装组成。但研究人员很快发现，在水环境反复拉伸过程中，聚合物与金电极之间容易发生界面脱层。为此，他们创新性地在金电极表面引入苄硫醇自组装单分子层（SAM）（图3b），一方面通过π-π相互作用增强聚合物附着，另一方面改善金表面能，从而显著提高界面结合强度。

随后，研究人员进一步比较了传统单晶体管电路和互补型OECT电路在拉伸过程中的表现。结果显示，传统负载二极管电路随着拉伸程度增加，输出电压发生明显漂移，增益迅速下降（图3e、f）；而互补型电路由于p型和n型器件电流同步变化、彼此补偿，即使在75%的拉伸条件下，输出曲线几乎没有变化，始终保持约80倍的高增益（图3g）。这一设计意味着器件不再把拉伸误认为生物信号，而是真正实现了对应变“不敏感”。

图3：构建弹性OECT器件，引入SAM增强界面稳定，并利用互补电路实现拉伸过程中的电流自动补偿，消除输出漂移。

在完成材料和电路优化之后，研究团队进一步制备了真正可植入体内的弹性放大器（图4）。整个器件被设计成长条状，可自然贴附于组织表面（图4a）。测试结果表明，在0–50%的拉伸范围内，无论是放大倍数还是工作电压几乎保持恒定（图4b）。即使连续浸泡在兔血浆14天、PBS缓冲液24天后，器件仍保持稳定工作（图4c），说明其具有优异的长期生物稳定性。更令人印象深刻的是，优化后的器件最高可实现约140 V/V的电压增益（图4d），不仅超过目前多数弹性晶体管放大器，而且工作电压始终低于1 V（图4e），更加适合生物组织长期使用。研究团队随后进一步采用微纳加工工艺，将沟道尺寸缩小至10 μm（图4f、g），使器件动态响应速度显著提高，截止频率由4.7 Hz提升至14.9 Hz（图4h），进一步满足真实生物电信号采集需求。

图4：制备完整弹性放大器，验证其长期水环境稳定性、高达140倍电压增益及微型化后动态响应能力。

最后，研究人员将器件真正植入动物体内进行验证（图5）。细胞活性实验显示，新材料几乎没有细胞毒性（图5a、b）。经过6周皮下植入后，弹性器件周围仅形成较薄的胶原包膜，炎症细胞明显少于传统PI器件（图5c），表现出更好的组织相容性。即使植入7天后，器件各项电学性能几乎没有变化，放大器仍保持约120倍稳定增益（图5d-g）。随后，研究团队将放大器直接贴附在大鼠跳动的心脏表面（图5h）。实验结果显示，传统电极采集的心电信号噪声明显，而弹性放大器能够在信号源附近直接完成放大，大幅提高信噪比（图5i）。对于频率更低的兔心电信号，器件甚至实现了超过10倍的实时放大，充分证明其能够在真实复杂生理环境下稳定工作。

图5：开展细胞、生物相容性和动物植入实验，实现心电信号体内原位放大，显著提高信噪比，验证器件的实际应用潜力。

小结

总体来看，该工作首次实现了材料设计、器件工程和电路架构三个层面的协同创新。研究团队开发的新型弹性n型有机半导体、自组装界面稳定策略以及互补型应变补偿电路，共同解决了长期困扰植入式电子器件的拉伸失效、界面脱层和信号漂移问题，使放大器能够在湿润、动态的生物环境中长期稳定工作。未来，随着器件进一步微型化和响应速度不断提升，该技术有望广泛应用于脑机接口、神经调控、智能植入医疗以及下一代柔性生物电子系统，为高保真长期体内信号采集提供新的技术平台。