【二中優秀學子】凝膠破界?腦芯筑夢

【二中優秀學子】凝膠破界?腦芯筑夢（二）——二中優秀學子、青年科學家雷霆團隊的科技突破與強國擔當

本網三門峽訊 王紅權 通訊員 周紅民

優秀學子?科研成果

10月15日，北京大學材料科學與工程學院雷霆團隊研發的“N型半導體水凝膠”榮獲“Chip 2024中國芯片科學十大進展獎。

這份榮譽不僅是對一項技術的認可，更是中國科研力量在芯片與生物電子交叉領域崛起的縮影——雷霆團隊以凝膠為媒，在微米級的芯片電路與納米級的神經信號間架起橋梁，為我國芯片技術突破與腦機接口產業發展注入了“中國芯”的強勁動能。

圖2. P(PyV)-H的半導體特性圖3.多重網絡水凝膠的制備和性能

一、N 型半導體水凝膠：破解腦機芯片材料瓶頸

全球芯片產業長期囿于“剛性材料難兼容生物場景、凝膠材料缺乏半導體性能”的兩難局面，

水凝膠由三維交聯的親水聚合物網絡構成，具備保留大量水分的能力。相較于剛性無機材料和干燥聚合物，水凝膠的機械性能可以廣泛調整，適用于模仿軟骨、皮膚、肌肉及大腦等多種生物組織。其結構多樣且易于改性，在生物功能工程中展現出杰出的多功能性，包括刺激響應性和優異的界面特性，應用廣泛于傳感器、致動器、涂層、聲探測器、光學和電子學領域。

盡管具有這些優點，但由于缺乏半導體特性，它們在電子學中的應用一直受到限制，傳統上只能用作絕緣體或導體。

圖1.基于P(PyV)的單網絡半導體水凝膠

雷霆團隊的N型半導體水凝膠精準破局。該技術以水溶性陽離子共軛高分子為核心，通過交聯工藝構建三維多孔親水網絡，首次實現優異生物界面與高性能半導體性能的共生，填補了有機高分子材料在生物電子領域的空白。

其核心創新在于雙向融合：該技術繼承了水凝膠的柔性與生物相容性，力學模量僅10~100kPa，與人體組織高度匹配，徹底區別于傳統硅基芯片的剛性特質；另一方面依托共軛高分子設計，實現了穩定電子傳輸與信號轉換，打破了傳統水凝膠絕緣、有機半導體力學和生物學性能兼容差的行業痛點。

在應用端，該材料可作為柔性半導體材料，具有廣泛的潛在應用場景。如，可以適配可穿戴器件，能夠貼合皮膚減少運動導致的信號干擾，用于植入式醫療器械場景，可以減少免疫排異反應，實現持續體內生物電和化學信號檢測。更具戰略價值的是，團隊通過“分子結構調控+交聯工藝創新”，自主開發出水溶性N型共軛高分子，表現出優異性能，為我國未來可植入電子器件發展和應用奠定材料基礎。

圖 4. 半導體水凝膠放大器的應用

二、腦機接口突破：力學與信號的雙重革新

針對全球腦機接口領域的困境——植入器件與腦組織力學差距懸殊（馬斯克團隊的聚酰亞胺材料模量約1GPa，人腦組織僅10~100kPa，相差100-1000倍），易引發炎癥與信號衰減，雷霆團隊給出了創新解決方案。

力學匹配與生物兼容協同突破：團隊將水凝膠與高分子半導體材料復合，打造超柔軟電子器件，其力學模量與腦組織相匹配，植入后可隨組織活動同步形變，避免剛性器件對神經細胞的損傷。同時，水凝膠的高含水量為該類材料帶來傳統有機半導體難以比擬的高生物相容性。

原位信號放大提升信噪比：傳統腦機接口“電極傳感→后端放大→信號傳輸”的流程易受干擾，難以捕捉微弱神經信號。團隊創新的將半導體水凝膠制成“原位放大器”，直接在神經界面完成信號放大，信噪比大幅提高，可更清晰的捕捉神經信號，推動腦機接口走向更高精度的信號采集，為帕金森病治療、肢體功能重建提供精準技術支撐。

半導體水凝膠技術發表后，得到了廣泛認可。《Science》隨刊發表了展望，專門介紹該工作，副標題為“半導體水凝膠可實現活性生物電子器件”。近期，芝加哥大學的Sihong Wang教授采用類似思路實現了p型半導體水凝膠，成果也發表在《Science》上（Science 2024, 386, 431），證明了雷霆團隊工作的重要性和廣泛適用性。

結語：凝膠雖柔，支撐強國之梁；芯片雖小，承載未來之夢

從深圳芯片大會的領獎臺到北大實驗室的操作臺，從N型半導體水凝膠的分子設計到腦機接口的動物實驗，雷霆團隊在“材料-器件-腦機”的交叉領域書寫了中國科研的精彩篇章。這項看似柔軟的技術，不僅打破了傳統的技術路徑，更在生物電子、醫療健康、智能穿戴等領域開辟出全新賽道，為我國科技強國戰略注入了柔性力量。

“科研沒有終點，我們的目標永遠是下一個‘從0到1’的創新，為國家科技發展撐起更堅實的‘中國芯’。”雷霆這樣說，并用數年如一日的實驗研究躬身踐行，未來，他們將不畏勞苦繼續沿著陡峭山路持之以恒地攀登，奔向光輝的頂點。