可植入体内的半导体已在国内成功开发。这一成果是通过将医用橡胶与有机半导体纳米纤维进行共混及硫化工艺实现的。
韩国研究财团3日表示,庆熙大学 Oh Jinyoung 教授团队与成均馆大学 Bang Seokho 教授团队通过硫化工艺将医用橡胶与有机高分子半导体纳米纤维融合,开发出了具有良好生物相容性的可伸缩半导体以及植入式有机电解质栅极场效应晶体管(通过电场调节电荷密度来控制电流的电子器件基本半导体元件)。
医用橡胶是依据国际标准(ISO10993等)通过生物相容性与安全性认证的高分子弹性体;半导体纳米纤维是指高分子半导体经过自组装和相分离形成的纳米尺度纤维结构体。硫化工艺是一种利用硫元素对高分子链进行交联,从而提高机械性能和化学稳定性的化学工艺。
联合研究团队开发的晶体管在50%拉伸形变以及体液浸泡环境下也展现出稳定驱动性能。在小鼠皮下移植实验中,也在未出现主要炎症指标变化的情况下确认了其组织相容性。
以往的人体植入式电子器件是基于坚硬的硅半导体和无机电子材料制成,因与皮肤、肌肉组织在机械性能上的不匹配而引发炎症和纤维化问题。更重要的是,工业用可伸缩电子材料长期植入体内时,其安全性尚未得到充分验证,成为商业化的主要限制因素。
与此不同的是,联合研究团队开发的半导体采用医用级弹性体,满足了国际标准的生物相容性要求。同时,最大限度减少了与体内组织的机械不匹配,并引入银-金(Ag-Au)双金属电极,使其在体液环境中能够无腐蚀地稳定工作,从而解决了既有人体植入式电子器件存在的问题.
尤其是,研究团队以该半导体为基础制作了晶体管,并实现了作为电子器件基本构成要素的逻辑电路和有源矩阵阵列,证实其在37度体液环境中也能保持稳定性。
逻辑电路是指利用晶体管执行逻辑运算、负责数字电子器件运算与控制的核心电路。有源矩阵阵列则是将晶体管按各元件(像素)为单位进行布置,从而能够实现单独驱动和信号控制的二维阵列结构。
联合研究团队还在体外细胞实验中确认,对人真皮成纤维细胞(在皮肤真皮层中对细胞组织结构和伤口愈合起重要作用的细胞)的存活率、迁移性、基因表达,以及对巨噬细胞(清除病原体和异物、参与炎症反应和组织修复调节的细胞)的炎症反应均无负面影响。
Oh Jinyoung 庆熙大学教授表示:“本次研究成果通过同时确保半导体器件的可伸缩性和生物稳定性,将成为加速体内电子器件商业化的关键转折点。当前成果有望解决医疗现场使用的诊断、治疗用生物植入式电子器件的问题,并具备在智能手机之后发展为下一代电子器件形态(form factor)的巨大潜力。”
另外,本研究在科学技术信息通信部和韩国研究财团推进的优秀新进研究项目、大学重点研究所支援项目、先导研究中心项目(工程研究中心)资助下完成。研究成果于前一天(2日)发表在国际学术期刊《Nature Electronics》上。
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